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绕流涡街及涡街流量计流场数值仿真 哪种压力损失最小

时间:2018/07/01来源:未知

摘 要: 基于涡街理论,分别对圆形阻流体、正方形阻流体和三角形阻流体所形成的涡街场进行仿真研究,同时对三种阻流体对应的涡街流量计进行数值仿真,分析流量计中应变片对三种阻流体流场压力和速度的影响. 结果表明,应变片改变了流场振荡的频率,三角形涡街流量计的压力损失最小.

0、引言:涡街是在一定条件下的定常流绕过阻流体时,物体两侧周期性地脱落出旋转方向相反、排列规则的双列线涡. 涡流的产生使得阻流体两侧流体的瞬间速度和压力不同,因此使阻流体发生振动. 涡街流量计通过嵌入到流体中的漩涡发生体得到产生的交替漩涡的频率,通过频率与流速成正比的关系来测量流速[1-4].本文基于涡街理论,分别对圆柱阻流体,正方阻流体和三角形阻流体三者进行数值模拟,并且对三种阻流体对应的涡街流量计中的压电传感器片对流场的压力、速度等参数的影响进行分析.

1、数值模型:
  图 1 所示方形涡街流量计的计算流场图,流场中绕流体中心距流场入口距离设为 L = 0. 2m,阻流体迎风宽度设为 w = 0. 04 m,流场速度设为0. 01 m / s.
图 1 涡街计算流场图

图 1 涡街计算流场图
  数值计算满足质量、动量、能量守恒方程,如方程( 1) 、( 2) 和( 3) 所示. 选择隐式非稳态模型,采用 有 限 体 积 法 中 的 SIMPLEC ( Semi-ImplicitMethod for Pressure-Linked Equations Consistent) 协调性压力耦合方程组的半隐式,计算采用二阶迎风格式[5-8].
计算公式


2、数值模型三种阻流体和对应流量计算结果及分析:
  本文针对圆形、正方形和三角形三种阻流体分别进行压力和速度的分析,并对流场中中心线上的压力和速度变化进行具体阐述.

2.1、三种阻流体压力流场分析:
  图 2 为三种阻流体涡街场和涡街流量计流场总压力分布云图. 由图所示,圆形阻流体后部流场中漩涡交替分布比较有规律,涡街现象明显. 对于正方形阻流体,距离阻流体较近时,仍能看到比较明显的漩涡分布,而后漩涡逐渐散开. 对于三角形阻流体,低压漩涡形状比较圆整,漩涡分布比正方形阻流体规则. 另外,不同形状阻流体的分离点不同,圆柱没有其固定分离点,整个半圆面都可以; 正方形的分离点则会出现在前方尖点及附近边或者后方尖点及附近边; 三角形则有其固定分离点,主要集中在前方两个尖点及其附近的边上.
  对于涡街流量计流场,由于应变片在阻流体后的加入,改变了流场中扰动的频率,三种不同流量计的流场中频率均变低,这是因为液体在遇到金属应变片之前还未形成规则的漩涡,在金属应变片边缘发生剥离. 由于三种阻流体的剥离点影响,低压场的范围三角形最大,正方形次之,圆形最小。
图 2 三种阻流体流场总压力分布云图

图 2 三种阻流体流场总压力分布云图
  由图可以看出,阻流体前端的压力保持恒定,而后在阻流体和应变片之间流场,压力急剧下降,形成局部低压区. 正方形涡街流量计压力变化应变片的后端波动较大,圆形涡街流量计次之,三角形涡街流量计应变片后的压力变化比较平稳.

2.2、三种阻流体流场中心线速度分析:
  图 3 为三种阻流体涡街流场中心线速度分布,以流场左侧入口为位置初始点,横坐标为中心线上各点到初始点的距离,纵坐标为速度大小. 由图可以看出,初始流速大小相同,当遇到阻流体时,流速急速下降,在阻流体中心点 0. 2m 前后对应的两个位置处速度降为 0,形成速度驻点. 比较不同阻流体,对于圆形阻流体,阻流体后的流速发生周期振荡并有上扬趋势; 对于正方形阻流体,阻流体后的流速发生一定振荡; 对于三角形阻流体,
阻流体后的流速振荡比较明显. 这表明阻流体在流场中引起的扰动比较大,使得阻流体后的速度发生不规则振荡.
图 3 三种阻流体流场中心线速度分布
图 3 三种阻流体流场中心线速度分布
  图 4 为三种阻流体涡街流量计流场中心线速度分布. 在涡街流量计流场中,流速在阻流体前急剧下降,阻流体前后对应的两个位置处为速度驻点,并在应变片前部形成了新的速度驻点. 与图 3相比,阻流体前流速变化相同,由于应变片的嵌入,后部的流速震荡频率变低,并且涡街流量计流场的最大速度和平均速度要比对应的阻流体涡街场小. 对于圆形阻流体流量计流场,应变片后部的速度振荡频率约为涡街流场的一半. 对于正方形阻流体,应变片后最高速度的位置从 0. 83 m 提前至 0. 7 m 处. 对于三角形阻流体,应变片后的流速明显变得平滑,尤其是从 0. 4 m 开始,振荡周期变大,同时速度在 0. 65m 处为最大值,随后逐渐下降.
图 4 三种阻流体流量计流场中心线速度分布

图 4 三种阻流体流量计流场中心线速度分布

2.3、三种阻流体压力损失:
  表 1 所示为不同阻流体压力损失计算值,由表可以看出,相同条件下,不同形状的阻流体的流场中,对应的压力损失是不同的. 圆形阻流体所产生的压力损失最大,正方形次之,三角形阻流体的涡街场压力损失最小. 比较不同形状阻流体流量计可以看到,圆形阻流体流量计流场的压力损失最大,三角形阻流体的压力损失最小. 结果显示,压力损失变化趋势与三种阻流体压力损失变化相同,压力应变片的嵌入,只是略微增加了压力损失,并没有改变三种阻流体压力损失之间的大小对比关系. 在三种不同形状阻流体流量计中,三角形涡街流量计的压力损失最小。
表 1 不同阻流体流场压力损失

表 1 不同阻流体流场压力损失

3、结论:
( 1) 在相同条件下,圆形绕流体仿真场可以得到最为规律的涡街现象. 不同形状阻流体的分离点不同,圆柱没有其固定分离点,整个半圆面都可以; 正方形的分离点则会出现在前方尖点及附近或者后方尖点及附近; 三角形则有其固定分离点,主要集中在前方两个尖点及其附近的边上;
( 2) 涡街流量计的阻流体和传感器应变片之间会形成一片低速低压局部场,涡街流量计流场的最大速度和平均速度要比对应的阻流体涡街场小;
( 3) 三种不同涡街流量计的振荡频率要低于对应的涡街场,比较不同形状阻流体涡街流量计,三角形涡街流量计的压力损失为最小.

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