摘要：流量是流體的一種屬性。當(dāng)前，無論是在工業(yè)方面，還是在生活方面，流量檢測已成為評估的一個重要指標(biāo)，有著重要意義。渦街流量計是流量儀表不可或缺的一部分，這是由于卡門渦街具有獨(dú)特的流體振蕩特性，且具有眾多優(yōu)勢，如精度高、量程范圍較寬、結(jié)構(gòu)簡單、無可動部件等。對管道內(nèi)渦街狀態(tài)進(jìn)行模擬，建立 3 種基本渦旋發(fā)生體模型，利用 ANSYS 進(jìn)行仿真分析，可為今后流量計的合理結(jié)構(gòu)設(shè)計奠定基礎(chǔ)。 

引  言：

隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，流量檢測作為測量流體的標(biāo)準(zhǔn)，無論是在工業(yè)方面，還是生活方面都有著重要的意義，如工業(yè)上用于工業(yè)原料流量檢測，生活中用于生活用水的流量監(jiān)測。在流體領(lǐng)域中，卡門渦街獨(dú)有的流體振蕩特性，使其成為流量計儀表當(dāng)中不可或缺的一部分。卡門渦街具有眾多優(yōu)勢，如結(jié)構(gòu)簡單、量程范圍較寬、精度高、無可動部件等。因此，在**工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域中，以渦街流量計作為流量測量的手段。 

渦旋流量計因具有寬泛的可測流速范圍，被廣泛應(yīng)用于液體、氣體和蒸汽的測量領(lǐng)域。在提高石油采收率的系統(tǒng)當(dāng)中，渦街流量計被用于二氧化碳流量的測量；在半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)中，渦街流量計可用于精確測量超純水蝕刻工藝；在廢水處理廠中，可用來測量高腐蝕性酸的流量，如氯化鐵、鹽酸和氫氧化鈉等化學(xué)藥品的計量也使用渦式流量計。 

 對于渦街流量計，其*重要的就是渦街發(fā)生體的結(jié)構(gòu)設(shè)計，合理的渦街發(fā)生體能產(chǎn)生穩(wěn)定的渦旋，在一定的流速范圍內(nèi)，渦旋產(chǎn)生頻率與流體流速具有良好的線性關(guān)系。流量計的量程、精度、敏感度都會受其影響，模擬不同渦街發(fā)生體的漩渦狀態(tài)。 

1、模擬軟件及模擬條件：

已知流體經(jīng)過渦街發(fā)生體，會產(chǎn)生渦街現(xiàn)象(見圖 1)，并且在確定渦街發(fā)生體，已知其特征長度 l 的情況下，單側(cè)旋渦的脫離頻率 f 與流體流速 v 成正比關(guān)系，公式為：     St＝fl/v  (1) 式中，St(斯特勞哈爾數(shù))為無量綱常數(shù)，f 為單側(cè)漩渦脫離頻率，l 為渦街發(fā)生體渦街發(fā)生體特征長度，v 為管道內(nèi)流體流速。 

圖 1  圓柱發(fā)生體產(chǎn)生渦街圖 

將實(shí)際數(shù)據(jù)建模，通過計算機(jī)模擬找到卡門渦街的基礎(chǔ)特性，從而利用數(shù)學(xué)模型找到哪種渦街發(fā)生體有較良好的穩(wěn)定性。主要采用的模擬軟件是 ANSYS內(nèi)的 ICEMCFD 建模模塊、FLUENT 模塊和 CFD-POST 顯示模塊，利用 ANSYS  workbench 將各個模塊整合在一起，如圖 2 所示。 

圖 2  ANSYS workbench模擬模塊圖 

模擬時主要以 3 個傳統(tǒng)的漩渦發(fā)生體(圓柱、三角柱、梯形柱)為主要研究對象[5]，分析在給定流速范圍內(nèi)哪種渦街發(fā)生體擁有較好的流速漩渦脫離頻率線性關(guān)系，也就是斯特勞哈爾數(shù)較為穩(wěn)定。 

本次模擬采用二維模型的卡門渦街模擬，對 3 種類型渦街發(fā)生體(圓柱、三角柱、梯形柱)在不同流速下進(jìn)行分析。模擬采用水介質(zhì)，密度為 998.2,kg/m3，

溫度為 288.16,K，動力粘度為 0.001,003,Pa·s。 

壓力采集點(diǎn)分別位于渦街發(fā)生體后 30,mm、40,mm、60,mm 處。 

2、模擬結(jié)果與分析 ：

經(jīng)過數(shù)據(jù)處理得到單側(cè)渦旋脫離周期，并計算得到相應(yīng) St(斯特勞哈爾數(shù))，如表 1 所示。 

表 1  不同渦旋發(fā)生體的渦街狀態(tài) 

在給定渦街發(fā)生體條件下，卡門渦街漩渦脫離頻率與流速成反比關(guān)系，在一定流速范圍內(nèi)斯特勞哈爾數(shù)為常數(shù)，約為 0.2，模擬驗(yàn)證了公式(1)。模擬得到監(jiān)測點(diǎn)位于 30,mm 處橫向速度波動較大，特測器位于此位置較好，介質(zhì)為水的 1,m/s 左右流速下，周期為 10,ms 級。渦街發(fā)生體選三角柱體較為穩(wěn)定。 

基于各個部分已經(jīng)得到仿真結(jié)果，算出 3 種類型渦街發(fā)生體的渦街產(chǎn)生效果，三角柱產(chǎn)生的效果較好。考慮計算提高流速的情況是否還能保持穩(wěn)定，流速增加到了 5,m/s，仍能產(chǎn)生穩(wěn)定渦旋，周期大約為0.001,s ，計 算 得 到 St ＝ 0.2 ，10,m/s 時 ，周 期 為0.004,8,s，計算得到 St＝0.19。由此可見，在提高流速的情況下，三角柱體型渦街發(fā)生體仍可以穩(wěn)定工作，

主要表現(xiàn)在穩(wěn)定的斯特勞哈爾數(shù)值上，基本與理論值0.2 相吻合。 

3、結(jié)論：

本文從 3 種基本渦街發(fā)生體出發(fā)，模擬在相同環(huán)境條件下，3 種基本發(fā)生體的渦街發(fā)生狀態(tài)，通過仿真得到三角柱體具有更加穩(wěn)定的斯特勞哈爾穩(wěn)定數(shù)值，在速度為 1,m/s 附近時，計算得到的 St 值變化幅度為 0.01，在此進(jìn)行進(jìn)一步仿真，提高三角柱渦街發(fā)生體的入口流速至 10,m/s 時，St 值的變化幅度不超過 0.02，仍然具有穩(wěn)定的 St 值，也就是入口速度與渦旋脫離頻率具有良好的線性關(guān)系，因此選擇三角柱型渦街發(fā)生體作為渦街流量計值得進(jìn)一步研究。