對具有不同形狀梯形旋渦發(fā)生體的DN100渦街流量計流場進(jìn)行數(shù)值仿真

2016-09-01 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

通過改變尾緣夾角角度、平行部分長度和取壓位置,用CFD 軟件FLUENT 對具有不同形狀梯形旋渦發(fā)生體的DN100渦街流量計流場進(jìn)行數(shù)值仿真研究。仿真結(jié)果表明: 迎流面寬度為28mm 的旋渦發(fā)生體,在尾緣夾角角度為45°,平行部分長度為4mm 的情況下,能夠產(chǎn)生最強(qiáng)的渦街信號; 當(dāng)尾緣夾角角度在40 ~ 70°之間時,信號峰值取壓位置最靠近旋渦發(fā)生體,信號峰值取壓位置在尾緣后部2 倍迎流面寬度處。

Strouhal 和Von Karman 率先研究了鈍體旋渦脫落現(xiàn)象。依據(jù)Karman 渦街現(xiàn)象,渦街流量計根據(jù)旋渦脫落頻率與流體流速的線性關(guān)系工作。在較寬雷諾數(shù)( Re) 范圍內(nèi),Strouhal 數(shù)( Sr) 作為旋渦脫落頻率與平均流速的線性度表征,是一個常數(shù)。Roshko 首先提出制造渦街流量計的構(gòu)想,他認(rèn)為當(dāng)300 < Re < 2 × 105 時,Sr 在0. 2 左右。

渦街流量計具有高可靠性、低壓力損失、寬量程比及結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點,被廣泛應(yīng)用于管道流量測量。渦街流量計中產(chǎn)生旋渦的部件稱為旋渦發(fā)生體,渦街流量計性能與旋渦發(fā)生體幾何參數(shù)密切相關(guān)。大多數(shù)旋渦發(fā)生體幾何參數(shù)是通過實驗獲得的。普遍使用的5 種旋渦發(fā)生體截面形狀為圓形、三角形、矩形、梯形和T 形。為了改進(jìn)渦街流量計性能,眾多科研工作者做出大量貢獻(xiàn)。

日本在1989 年制定了《渦街流量計工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)》[1]。在標(biāo)準(zhǔn)的“說明”部分規(guī)定了旋渦發(fā)生體的幾何參數(shù)。標(biāo)準(zhǔn)渦街流量計旋渦發(fā)生體截面形狀為梯形,它的所有幾何參數(shù)都根據(jù)Sr 線性度最優(yōu)的原則通過優(yōu)化實驗獲得: 迎流面寬度為0. 28D( D 為管道直徑) 、尾緣夾角角度為38°、平行部分長度為0. 03D。Pankanin 和Grzegorz L[2]對旋渦發(fā)生體幾何參數(shù)和取壓位置進(jìn)行了優(yōu)化,改進(jìn)了渦街流量計頻率穩(wěn)定性和線性度。Peng J G等[3]對三角形旋渦發(fā)生體幾何參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化,改進(jìn)了渦街流量計線性度。他比較了具有不同尾緣夾角的5 種旋渦發(fā)生體,尾緣夾角角度分別為37. 6、39. 8、40. 4、41. 8、42. 4°。結(jié)果顯示尾緣夾角角度為41. 8° 的旋渦發(fā)生體具有最好的線性度。Luo S C 等[4]對尾緣形狀影響旋渦發(fā)生體后部流場結(jié)構(gòu)的現(xiàn)象,在風(fēng)洞實驗與水槽實驗中進(jìn)行量化分析,得到了尾緣形狀對流場結(jié)構(gòu)的影響關(guān)系。Kahawita R 和Wang P[5]對一種梯形旋渦發(fā)生體流場進(jìn)行了數(shù)值仿真,結(jié)果顯示: 尾緣后部5. 5d( d 為迎流面寬度) 處,渦街信號最強(qiáng)。

筆者通過實流實驗和仿真實驗,研究旋渦發(fā)生體幾何形狀對信號強(qiáng)度的影響。

1 數(shù)值仿真的湍流模型選擇①

渦街流量計旋渦發(fā)生體幾何參數(shù)如圖1 所示。箭頭表示流動方向。管道直徑D 為100mm,旋渦發(fā)生體迎流面寬度d 為28mm,旋渦發(fā)生體全長為34mm,旋渦發(fā)生體平行部分長度p1為4mm,旋渦發(fā)生體尾緣寬度為6mm,旋渦發(fā)生體尾緣夾角角度α 為40°。探頭距離旋渦發(fā)生體尾緣的距離為m1 = 14mm。

根據(jù)已有仿真經(jīng)驗,Realizable k-ε 模型和RNG k-ε 模型對相同旋渦發(fā)生體漩渦脫落頻率預(yù)測與實流實驗頻率結(jié)果基本相同,而對旋渦發(fā)生體單一幾何參數(shù)變化對信號強(qiáng)度影響的研究尚有不足。仿真實驗中選取40、100、140、180°4 個尾緣夾角角度,旋渦發(fā)生體全長隨尾緣夾角的變化而變化。流動介質(zhì)為水,入口速度為0. 3m/s 和0. 5m/s。

使用兩種湍流模型的仿真結(jié)果如圖2 所示。從圖中可以看出,在RNG k-ε 模型仿真結(jié)果中,信號強(qiáng)度隨旋渦發(fā)生體尾緣夾角的增大而增大; 在Realizable k-ε 模型仿真結(jié)果中,信號強(qiáng)度隨旋渦發(fā)生體尾緣夾角的增大而減小。其中,使用RNGk-ε 模型的仿真結(jié)果顯示平板能夠產(chǎn)生最強(qiáng)的渦街信號,這與已有實流實驗結(jié)論相悖。Realizable k-ε 模型加入對質(zhì)點旋轉(zhuǎn)的分析,考慮了粘性力對質(zhì)點的影響,能夠更好地模擬渦街的形成和發(fā)展。而RNG k-ε 模型不考慮粘性力對質(zhì)點旋轉(zhuǎn)的影響,會將流體流經(jīng)鈍體后的速度方向突變作為旋渦形成和發(fā)展的主要因素,從而得到渦街信號強(qiáng)度隨尾緣夾角的增大而增大的錯誤結(jié)論,這就是為什么Realizable k-ε 模型比RNGk-ε 模型更適合模擬渦街流場的原因。筆者選擇Realizable k-ε 模型作為渦街流場仿真模型。

2 仿真研究

對具有不同尾緣夾角旋渦發(fā)生體的渦街流場做進(jìn)一步仿真研究,取α = 30、40、45、50、60、70、80、100、140、180°。為研究旋渦發(fā)生體下游信號強(qiáng)度變化,以迎流面寬度d 為間隔設(shè)置基準(zhǔn),在軸線上從旋渦發(fā)生體尾緣開始每隔0. 25d 設(shè)置一個取壓位置,共30 個取壓位置。尾緣夾角角度為45°的旋渦發(fā)生體尾緣后部不同位置信號強(qiáng)度如圖3 所示,結(jié)果顯示,信號強(qiáng)度隨離尾緣距離的增大呈現(xiàn)出先增大后減小的規(guī)律。具有不同尾緣夾角m1 = 14mm 處信號強(qiáng)度如圖4 所示,結(jié)果顯示,隨著尾緣夾角角度的增大,相同位置上信號強(qiáng)度先增大后減小,在尾緣夾角角度為45° 時達(dá)到峰值。不同尾緣夾角角度峰值取壓位置如圖5 所示。結(jié)果顯示,隨著尾緣夾角角度的增大,峰值取壓位置與尾緣的距離先減小后增大。由圖5 可知,當(dāng)尾緣夾角角度在40 ~ 70°之間時,峰值取壓位置最靠近旋渦發(fā)生體,在尾緣后部2d 處能產(chǎn)生最強(qiáng)的渦街信號。

在此基礎(chǔ)上,通過改變旋渦發(fā)生體全長,在不改變尾緣夾角角度的基礎(chǔ)上,改變平行部分長度,不同平行部分長度旋渦發(fā)生體尾緣后部14mm 處動壓信號幅值如圖6 所示。結(jié)果顯示,平行部分長度為4mm 的旋渦發(fā)生體能夠產(chǎn)生最強(qiáng)的渦街信號。

以上數(shù)值仿真結(jié)果顯示,在DN100 渦街流量計中迎流面寬度為28mm 的旋渦發(fā)生體,在尾緣夾角角度為45°,平行部分長度為4mm 的情況下,能夠產(chǎn)生最強(qiáng)的渦街信號。峰值取壓位置在旋渦發(fā)生體尾緣后部2d 處。

3 水流量實驗研究

為驗證數(shù)值仿真可信性,對具有不同旋渦發(fā)生體的DN100渦街流量計進(jìn)行水流量實驗,水流量實驗裝置如圖7 所示。由36m 高位水塔提供穩(wěn)壓水源,穩(wěn)壓精度為0. 02%,水流量實驗系統(tǒng)精度為0. 2%,最大流速為8. 5m/s,流量范圍為0. 04 ~ 800. 00m3 /h,標(biāo)準(zhǔn)表精度為0. 5%。如圖7所示,計算機(jī)1 采集標(biāo)準(zhǔn)表數(shù)據(jù),當(dāng)流體流過渦街流量計時,產(chǎn)生的交變信號被計算機(jī)2 采集,通過FFT 處理,最終得到渦街信號頻率和幅值。

水流量實驗使用的旋渦發(fā)生體形狀如圖8 所示。其中,圖8a 是傳統(tǒng)渦街流量計使用的旋渦發(fā)生體形狀,各旋渦發(fā)生體形狀標(biāo)號以“_”分隔,第1 個數(shù)字為迎流面寬度d; 第2 個數(shù)字為平行部分長度; 第3 個數(shù)字為尾緣寬度; 第4 個數(shù)字為旋渦發(fā)生體全長,括號內(nèi)為尾緣夾角角度( ABA) 。圖8b 中所示各旋渦發(fā)生體形狀標(biāo)號依次為28_4_6_34( 40) 、28_28、28_2. 3_4_28( 50) 、28_10. 9_4_28( 70) 和28_18_4_28( 100) 。水流量實驗中,在旋渦發(fā)生體尾緣后部14. 0、17. 5、21. 0、24. 5、28. 0mm 處設(shè)置5 個探頭取壓位置。圖9 為各截面形狀旋渦發(fā)生體在不同流速下尾緣后部不同取壓位置的渦街信號強(qiáng)度數(shù)據(jù)。通過對實驗數(shù)據(jù)分析, 28_10. 9_4_28( 70) 和28_18_4_28( 100) 在尾緣后部21mm 處信號電壓達(dá)到最大, 28_28 和28_2. 3_4_28( 50) 尾緣后部信號電壓都有隨遠(yuǎn)離尾緣距離的增大而增大的趨勢。實驗數(shù)據(jù)說明,改變尾緣夾角角度,可以改變渦街信號峰值取壓位置。尾緣夾角角度在70 ~ 100° 之間的旋渦發(fā)生體,峰值取壓位置與旋渦發(fā)生體較近,這與數(shù)值仿真結(jié)論相同

4 仿真與實驗結(jié)果比較

尾緣后部14mm 處實流實驗結(jié)果與仿真結(jié)果對比如圖10 所示。發(fā)現(xiàn)仿真對信號強(qiáng)度隨旋渦發(fā)生體幾何參數(shù)變化的預(yù)測與實流實驗結(jié)果具有很好的一致性; 對渦街信號隨旋渦發(fā)生體形狀變化而變化趨勢的預(yù)測與實驗完全吻合。

5. 1 通過驗證仿真實驗,說明渦街流場數(shù)值仿真的可行性。通過數(shù)值仿真研究得到渦街流場數(shù)值仿真最佳數(shù)學(xué)模型; 認(rèn)為在DN100 渦街流量計中,在迎流面寬度d 為28mm 的前提下,尾緣夾角角度為45°、平行部分長度為4mm 的旋渦發(fā)生體,能夠產(chǎn)生最強(qiáng)的渦街信號,且在尾緣后部2d 處為峰值取壓位置。

5. 2 在水流量實驗中,用于研究的旋渦發(fā)生體能夠在相同信號處理條件下檢測到更低的流量的頻率。尾緣夾角在一定范圍內(nèi)的旋渦發(fā)生體,峰值取壓位置與旋渦發(fā)生體較近。

5. 3 通過比較實驗數(shù)據(jù)和根據(jù)實驗得到的仿真實驗數(shù)據(jù),可以看出仿真結(jié)果與實驗結(jié)果基本一致,這證明了Realizable k-ε 仿真數(shù)學(xué)模型應(yīng)用于水流量渦街流場模擬的可行性。

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