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  时间:2024-3-11 09:12:43

基于水介质的涡街流量计流场仿真

摘要:利用计算流体力学数值计算仿真方法,对涡街流量计以水为介质进行了仿真分析,得到一些流场分析结果。 由涡街流量计测量原理可知,只要在流量标准装置上测得仪表系数K,就可以得到流量。
1仿真数学模型与边界条件
1.1仿真数学模型
  当介质为水时,由雷诺数可知,在装置的整个流量范围内,流量计内部的流动为湍流流动。采用K-ε湍流模型,结合三维不可压缩黏性流体的N-S方程,建立封闭方程组。
  其中湍流动能K的输运方程和湍流耗散率ε的输运方程分别为
 
  其中湍流运动黏性系数ʋt与湍流动能产生项P分别为
 
  式中:u一流体在轴向坐标x的速度;ʋ一流体在径向坐标r下的速度。
  以上4组方程使用CFD仿真软件进行压力-速度耦合,用有限体积法进行离散处理,压力采用砌体力加权离散格式,动量、湍动能与湍动能耗散率均采用二阶迎风离散格式。
1.2仿真物理模型
  选择DN50口径的涡街流量计,利用StarCCM软件建立涡街流量计几何模型并划分网格,涡街流量计发生体横截面网格如图1所示。
涡街流量计发生体横截面网格图
 
  为了提高计算效率,涡街发生体处重点加密,其他区域适当稀疏。由图1可知,涡街发生体所处流场网格均匀加密。通过加密画法,靠近涡街发生体的横截面网格较密,远离涡街发生体而靠近管壁的网格较稀疏。
2.2仿真条件设定
  目前仿真仅选择不可压缩的水为介质,对于不可压缩流体水密度以实验室测量结果为依据。模型选择RNGk-ε双方程湍流模型,该模型可以很好地处理高应变率以及流线弯曲程度较大的流体流动,非常适合具有旋涡脱落现象的涡街流场仿真。
2流场仿真分析
  影响涡街流量计旋涡频率的是发生体两侧的流速U;和发生体的结构,由于发生体结构尺寸是固定的,因此频率只与U相关,需要观测在相同人口流速U条件下的U变化来得到频率的变化。而速度的变化必然会导致流体密度的变化,因此可观测发生体两侧的密度云图,从而判断可压缩性对涡街流量计流速U,的影响,通过仿真得到不可压缩流体水的静压云图(见图2)、不可压缩流体水的速度云图(见图3)。
 
 
  为判断是否为充分发展流动,特测量Y轴方向的力(见图4、图5) 由图4、图5可知,经过一段时间后流场处于稳定状态。对图5中静压数值进行快速傅立叶变换,得到3种介质下的旋涡脱离频率图(见图6)。
 
  通过读取图6不可压缩流体水的旋涡脱落频率图最高点的频率,可得到水旋涡脱落频率为340Hz。
3结束语
  利用软件实现了涡街流量计在不可压缩流体水的流场仿真,根据卡门涡街的产生机理,仿真出涡街流量计在不可压缩流体水下的频率值,为下一步进行空气、蒸汽计量打下了坚实的基础。

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