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摘要：對于渦街流量計的旋渦發生體的仿真研究主要集中在形狀和尺寸上，但在現場復雜工況環境的情況下，發生體的位置并不是固定不變的，會存在安裝偏差。為了很好的分析發生體安裝偏差帶來的信號強度發生變化的問題，確定不影響信號強度的最大偏差角度，采用三角柱型發生體，在Ansys+Workbench＋FLUENT數值仿真軟件平臺環境下，根據渦街流量計的實際物理結構尺寸建立仿真模型，并對其進行網格劃分、求解，將仿真得到的升、阻力頻率相比較，得出阻力頻率正好是升力頻率的2倍，表明可以利用FLUENT軟件對渦街流量計進行三維流場數值仿真。最后利用FLUENT軟件，通過改變管截面與截流面的夾角，在低、中、高速流速下，對其進行取壓，將得到的信號強度和頻譜分布進行比較分析，得出夾角與信號強度的關系：夾角在1°～7°范圍，對信號強度的影響不大，超過7°以后影響變大。
1引言
　　隨著計算機技術、數值計算技術的發展，現代模擬仿真技術計算流體力學（cmputational fluid dynamics,CFD）也隨之而生［1］。它是對純理論和純實驗方法很好的促進和補充。ＣＦＤ作為一門新興學科，它力求通過數值實驗替代實物實驗，采用虛擬流場來模擬真實流場內部的流體流動情況，從而使得實驗研究更加方便，研究場景更加豐富可編程［2－5］。
　　FLUENT軟件提供了多種基于非結構化網格的復雜物理模型，并針對不同物理問題的流動特點創建出不同的數值解法［6］。用戶可根據實際需求自由選擇，以便在計算速度、穩定性和精度等方面達到好的，提高設計效率。
　　關于渦街流量計的發生體數值模擬研究，主要集中在渦街發生體形狀和尺寸上［7－10］。Ｙａｍａｓａｋｉ指出發生體的形狀與幾何參數和渦街流量計的流量特性（儀表系數、線性度、重復性、測量范圍）與阻力特性存在相當大的關聯關系。Ｓ．Ｃ．Ｌｕｏ等人研究旋渦發生體尾緣形狀以及迎流角度對渦街性能的影響，在風洞和水槽實驗中，得出在全長相等的情況下，旋渦強度隨尾緣夾角的增大而減小。彭杰綱等人在50mm口徑管道氣流量實驗中，通過對不同尾緣夾角角度的旋渦發生體進行實驗研究，得出旋渦發生體尾緣的夾角為41．8°時具有很好的線性度。賈云飛等人通過對二維渦街流場中的壓力場進行數值仿真研究，得出Ｔ形發生體產生的旋渦信號的強度要優于三角柱發生體。
　　渦街流量計利用流體振動原理進行流量測量［11］。選取了應力式渦街流量計進行研究。它通過壓電檢測元件獲取電壓頻率，再根據流體流量與渦街頻率成正比得出被測流量。在過去的渦街流量計研究中，一直將研究重點放在真實流場實驗中，但這需要重復更換口徑、調節流量，大大降低了工作效率。為解決此問題，采用三維渦街流場數值分析的方法對內部流場的變化進行研究。
　　通過FLUENT軟件對三維渦街流場進行數值仿真，并將不同流速下的升、阻力系數進行比較，驗證數值仿真可行性。并通過改變管截面與截流面之間的夾角，在低、中、高速流速下，進行取壓，最終得出隨著夾角的不同，信號強度不同。夾角在1°～7°范圍，對信號強度的衰減影響不大，超過7°以后對信號強度影響變大，并隨著流速的增加，趨勢越來越強。
2升、阻力系數
　　旋渦脫落時，流體施加給柱體一個垂直于主流的周期性交變作用力，稱為升力［12］。由于柱體兩側交替的釋放旋渦時，剛釋放完渦流的一側柱面，擾流改善，側面總壓力降低；將要釋放渦流的另一側柱面，擾流較差，側面總壓力較大，從而形成一個作用在三角柱上、方向總是指向剛釋放完渦流那一側的作用力，所以升力的交變頻率和旋渦的脫落頻率一致，升力的變化規律和旋渦的變化規律一致，因而通過監視柱面上的升力變化規律，可以反映旋渦脫落規律。阻力系數反映的是柱體迎流方向上的作用力變化情況，每當柱體兩側不管哪一邊的釋放旋渦一次，迎流方向上的作用力都會隨壓力變化有規律地變化一次，因此，升力系數變化的一個周期內，阻力系數變化為兩個周期。
3三維渦街流場模擬的可行性分析
3．1幾何建模與網格劃分
　　圖1是在ANSYS Workbench中建立的三維渦街流量計幾何模型。其中管道口徑50mm，管道長1000mm，旋渦發生體截流面寬度14mm，管截面與截流面夾角為α。

對幾何模型進行非結構網格劃分，作為數值模擬的載體，如圖2所示。

3．2仿真參數設置
在FLUENT中，三維渦街流場參數設置如下：
1）流體：空氣（ａｉｒ）；
2）湍流模型：Renormalization-group(RNG)ｋ－ε模型；
3）邊界條件
①流速入口邊界：根據需要設置不同流速、湍流動能和耗散率；
②壓力出口邊界：零壓；
4）求解器：基于壓力的三維雙精度瞬態求解器；
5）數值計算過程：SIMPLE算法。
3．3升、阻力變化頻率的計算結果及分析
圖3所示速度等值。三維渦街流場在夾角為0°，入口流速為5m/s的情況下的速度等值線圖。

　　通過仿真模擬，圖4給出流速ｕ＝5m/s時，作用在三角柱上的升力系數和阻力系數變化曲線。由圖5升力系數的ＦＦＴ曲線可以看出其頻率為ＦＬ＝87．92Ｈｚ。從圖6阻力系數的ＦＦＴ曲線可以看出其頻率為ＦＤ＝176．43Ｈｚ，約為升力系數變化頻率的2倍。



　　為了驗證將FLUENT用于渦街流量計的三維流場仿真的可行性，對不同流速下的升、阻力頻率進行比較，如表1所示。可以看出阻力系數變化頻率是升力系數變化頻率的2倍，說明用FLUENT進行渦街流量計的三維仿真是可行的。

4仿真結果
　　基于上述通過升、阻力變化頻率的關系驗證出利用FLUENT對三維渦街流場進行仿真是可行的。應用FLUENT對截流夾角、流速和信號強度之間的關系進行了仿真研究。分別取7m/s、40m/s和70m/s的流速，α的角度在0°～10°范圍內取值（發生體的安裝偏差一般不會超過10°），進行數值仿真。記錄信號強度，如表2所示。

　　將表2的數據繪制成圖7，將圖7中流速為7m/s的數據放大如圖8所示。觀察圖7、8，可以直觀的反應出夾角、流速與信號強度的關系變化。通過對比這3張圖可以看出，信號強度隨著夾角、流速的不同而不同。并從圖中得出結論：
1）渦街的信號強度與流速成正比，隨著流速的增加，旋渦脫落頻率信號強度會顯著增加。
2）在流速相同的情況下，隨著夾角的增大，信號強度逐漸減小，并隨著夾角的增大，信號強度的衰減程度也逐漸增大。夾角在1°～7°范圍，對信號強度的衰減影響不大，可忽略，超過7°以后對信號強度影響變大，不可忽略3）在夾角相同的情況下，隨著流速的增大，信號強度衰減趨勢越來越明顯。


5結論
　　流場仿真在渦街流量計的設計和完善中正變得越來越重要，它通過理論支持指導仿真的可實施性，并將仿真結論用于實驗中，提高效率。通過模擬三維渦街流場三角柱繞流現象，將升、阻力頻率進行對比，驗證了可將FLUENT用于三維渦街流場的仿真中。并從不同流速和不同截流夾角兩方面分別考慮，對比分析了三維渦街信號的信號強度，得出夾角在1°～7°范圍，對信號強度的影響不大，超過了7°以后影響變大。從而為以后的實驗做出理論指導。進一步的研究可以通過對不同形狀的旋渦發生體取不同截流夾角和不同流速進行仿真對比研究。

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