目前對于渦街流量計的***佳取壓位置研究主要集中在二維流場 ，但這不能更生動準確的反映出三維流場特性。采用 Ａｎｓｙｓ＋Ｗｏｒｋｂｅｎｃｈ＋ＦＬＵＥＮＴ 數(shù)值仿真軟件平臺，根據(jù)渦街流量計的物理結(jié)構(gòu)尺寸建立仿真模型。并將仿真模型進行網(wǎng)格劃分，從而對求解域進行離散，再通過 Ｎ－Ｓ方程進行求解計算，將仿真得到的卡門渦街脫落頻率與實驗結(jié)果比較，得出兩者之間的***大誤差不超過５．８％，數(shù)據(jù)表明可以利用ＦＬＵＥＮＴ軟件對渦街流量計進行數(shù)值仿真。***后利用ＦＬＵＥＮＴ軟件，在不同流速下，通過設(shè)置多個檢測點，對各點信號強度和頻譜分布進行比較分析，得出目前***常用的三角柱旋渦發(fā)生體的***佳取壓位置位于管道中軸線，距離發(fā)生體尾部１．４ｄ（ｄ 為旋渦發(fā)生體截流面的寬度）的位置處。

1.引言

計算流體力學于1993年初次應(yīng)用于二維黏性流體偏微分方程。CFD作為一門相對新興的技術(shù)，對實驗研究和理論分析方面有舉足輕重的作用。它的基本原理是用有限個離散點的變量值的集合來替換原先在時間域或空間域上連續(xù)物理量的場，這些離散點上的場變量存在一定關(guān)系，根據(jù)一定的原則建立代數(shù)方程組，便可求出方程組場變量近似值。

ＦＬＵＥＮＴ軟件運用ＣＦＤ軟件群的思想，具有許多優(yōu)化的物理模型，廣泛應(yīng)用于流體力學研究中。ＦＬＵＥＮＴ以很直觀的觀察到流場的實時變化，通過仿真結(jié)果來指導(dǎo)物理實驗，再由實驗結(jié)果優(yōu)化傳感器結(jié)構(gòu)，提升開發(fā)效率。

目前關(guān)于渦街流量計柱體繞流的數(shù)值模擬研究，主要集中在二維平面  而在三維特性的數(shù)值研究中相對較少。通過對二維渦街流場中的壓力場進行數(shù)值仿真研究，解釋了信號強度隨檢測位置變化的原因。通過非定常ＲＮＧｋ－ε模型對圓柱繞流、方柱繞流和繞立方柱流動進行了仿真研究，得出鈍體繞流的非定常流動能夠采用非定常雷諾平均法進行研究，且實驗結(jié)果優(yōu)于定常模擬方法的結(jié)果。通過對圓柱發(fā)生體流場進行數(shù)值仿真實驗，揭示了影響探頭位置的各種因素以及發(fā)生體下游尾跡區(qū)域?qū)u形成以及脫落的影響。通過對二維單圓柱繞流進行數(shù)值模擬研究分析，得出圓柱繞流的流動與Ｒｅ數(shù)的大小有關(guān)，

本文選取了應(yīng)力式渦街流量計進行研究，它提取渦街頻率的原理是通過信號處理單元提取渦街流量計旋渦發(fā)生體上的壓電敏感元件產(chǎn)生的電信號，從而依據(jù)流體流量與渦街頻率的關(guān)系得出被測流量。在以往的渦街流量計設(shè)計中，一直將研究重點放在真實流場分析中，即軟硬件的設(shè)計上。由于在現(xiàn)場管道環(huán)境下進行測試實驗時，需要重復(fù)更換口徑、調(diào)節(jié)流量，操作起來費時費力。所以欲采用渦街流場數(shù)值分析的方法對傳感器內(nèi)部流場的變化進行研究，通過仿真結(jié)果來指導(dǎo)物理實驗，并根據(jù)物理實驗結(jié)果進一步完善傳感器結(jié)構(gòu)。。

***后通過ＦＬＵＥＮＴ軟件建立三維模型對渦街流量計流場進行仿真 再和氣體流量裝置上的實驗數(shù)據(jù)進行對比驗證 研究表明渦街流量計傳感器的研究采用ＦＬＵＥＮＴ數(shù)值仿真是有效的。并通過設(shè)置多個檢測點，在不同流速下對其進行取壓，***終得出三角柱旋渦發(fā)生體的***佳取壓位置在距離發(fā)生體尾部１．４ｄｄ（ 為旋渦發(fā)生體截流面的寬度）處的管道中軸線處。

2.渦街流量計原理

渦街流量計利用流體振動進行流量測量，基本原理是將非流線型旋渦發(fā)生體放置在和被測介質(zhì)流向垂直的方向，當該發(fā)生體有流體流過時，在發(fā)生體后方兩側(cè)交替地分離釋放出兩列規(guī)則的交錯排列的旋渦，即為卡門渦街，如圖１所示。

旋渦脫落頻率f與發(fā)生體兩側(cè)平均流速V1之間存在如下關(guān)系：

F=Ｓｔｖ１/ｄ                          (1)

式中：Ｓｔ為斯特勞哈爾數(shù)；d為旋渦發(fā)生體寬度。

3.渦街流場模擬的可行性

3.1幾何模型的建立和網(wǎng)格劃分

本 文 提 出 利 用ＡＮＳＹＳ Ｗｏｒｋｂｅｎｃｈ－Ｇｅｏｍｅｔｒｙ和ＡＮＳＹＳＷｏｒｋｂｅｎｃｈ－Ｍｅｓｈ作為ＦＬＵＥＮＴ 的前處理，并將導(dǎo)出的網(wǎng)格文件直接導(dǎo)入ＦＬＵＥＮＴ 中進行計算。

圖２是在Ｇｅｏｍｅｔｒｙ中建立的三維幾何模型，管道口徑D為50mm;管道長L為1000mm;旋渦發(fā)生體截流面寬度ｄ為１４ｍｍ.

通過ＡＮＳＹＳＷｏｒｋｂｅｎｃｈ－Ｍｅｓｈ對幾何模型劃分網(wǎng)格,并將發(fā)生體周圍網(wǎng)格細劃，如圖３所示。然而在旋渦發(fā)生體壁面附近薄層中的黏性力作用下，順著壁面法線方向存在較大的速度梯度，因此在網(wǎng)格劃分中設(shè)置邊界層，網(wǎng)格劃分所采用的網(wǎng)格單元為ＱｕａｄＴｒｉ／ ，即掃掠網(wǎng)格區(qū)域中只包含四邊形和三角形單元。

3.2仿真參數(shù)的設(shè)置

3.3仿真結(jié)果與實驗結(jié)果的誤差分析

渦街流量計通過壓電晶體檢測發(fā)生體后的壓力變化，得到旋渦脫落頻率。在 ＦＬＵＥＮＴ 后處理軟件 ＣＦＤ－Ｐｏｓｔ中，以相同的原理對渦街流量計進行流場仿真。在旋渦發(fā)生體后設(shè)置一個檢測點（圖4十字形標記位置），然后記錄該點所受靜壓力的變化趨勢，從而得出旋渦脫落的頻率，***后將此結(jié)果與實驗結(jié)果相比較。

由圖５（ａ）可以看出該點所受靜壓力以一定的時間周期變化，因此可以采用傅里葉變換，得到渦街的脫落頻率，如圖５（ｂ）所示。為了與仿真結(jié)果進行比較，設(shè)置實驗條件與仿真條件基本一致。在管徑為 ５０ｍｍ，流體介質(zhì)為空氣，旋渦發(fā)生體為三角柱形的壓電式渦街流量裝置上進行了實驗。比較仿真數(shù)據(jù)與實驗數(shù)據(jù)，得出***大誤差為５．８％（此誤差是由實驗中發(fā)生體尺寸不或是發(fā)生體插入位置有偏差引起），如表１所示。

4.***佳取壓位置的仿真結(jié)果

基于前文對ＦＬＵＥＮＴ 三維流場仿真的可行性研究，本節(jié)應(yīng)用ＦＬＵＥＮＴ對渦街流量計檢測點的***佳取壓位置進行了研究。

在距旋渦發(fā)生體尾部，第１步：以 Ｘ 軸方向０．１Ｄ（Ｄ為管道直徑）為步長從管壁至管道軸線位置生成縱向點；第２步：以Ｙ 軸方向０．７ｄ（ｄ 為旋渦發(fā)生體截流面的寬度）為步長重復(fù)步驟一。***終生成４０個檢測點（見圖６），并觀察這些點上的旋渦信號強度。***后通過數(shù)值仿真，將記錄的每個檢測點的壓力變化的時域信號進行傅里葉變換，得到了在７ｍ／ｓ、４０ｍ／ｓ和７０ｍ／ｓ流速下不同檢測點的信號強度，如表２～４所示。

將表２的數(shù)據(jù)繪制成圖７。圖７可以直觀的反應(yīng)出各個位置上的信號強度變化。由圖７可以看出，信號強度會隨著取壓位置的不同而不同。當插入深度相同（如０．１Ｄ 時），距離發(fā)生體尾部不同橫向距離的信號強度近似于正態(tài)分布，其中在１．４ｄ的時候達到了峰值，原因是旋渦脫落要經(jīng)歷一個成長－強壯－衰減的過程；當距離尾部的橫向距離保持不變（如０．７ｄ時），增加插入深度，發(fā)生體尾部的信號強度逐漸增強，其中在管道中軸線位置信號強度***強。

通過對比表２～４中不同流速下的仿真實驗數(shù)據(jù)，得出結(jié)論：

１）渦街的信號強度與流速成正比，所以隨著流速的增加，旋渦脫落頻率信號強度會顯著增加。

２）壓電探頭在逐漸遠離旋渦發(fā)生體的過程中，渦街信號幅值先逐漸變大，然后又逐漸變小，并且隨著流速的增大，這種趨勢越來越明顯。

５.結(jié) 論

本文通過模擬渦街流量計三角柱繞流現(xiàn)象，研究其對附近流場的影響，并將仿真結(jié)果與實驗結(jié)果進行誤差分析，可以得出仿真結(jié)果與實驗結(jié)果十分相近，驗證了ＦＬＵＥＮＴ數(shù)值仿真用于渦街流量計的三維流場是可行的。在渦街流場的仿真中，通過在ＦＬＵＥＮＴ 中設(shè)置不同檢測點并將結(jié)果進行計算處理，對比分析不同流速下各個取壓位置的信號強度，找到了渦街流量計的***佳取壓位置，并且對計算的結(jié)果有了更深層次的了解。這對以后的實驗起到指導(dǎo)性意義。

進一步的研究可以在以下方面展開：修改旋渦發(fā)生體的形狀、尺寸；修改數(shù)值模擬方法；修改介質(zhì)條件。