摘要:本文詳細(xì)闡述了渦街流量計的工作原理，對在不同流體條件下的相對示值誤差進(jìn)行分析，再利用SOLIDWOＲKSFLOWSIM-ULATION流體計算軟件對渦街流量計進(jìn)行相應(yīng)的流場分析等。
0引言
Roshko于1954年首次提出用卡門渦街現(xiàn)象進(jìn)行流量測量,期間經(jīng)過很多學(xué)者的實驗研究和理論分析,逐漸發(fā)展成工業(yè)實踐中使用的渦街流量計;自20世紀(jì)60年代末開始研制以來,渦街流量計發(fā)展非常迅速,可適用于液體、氣體、蒸汽,是一種理想的流量儀表。
本文將先通過實驗對在不同流體條件下的相對示值誤差進(jìn)行分析,再利用SOLIDWORKSFLOWSIMU-LATION流體計算軟件對渦街流量計進(jìn)行相應(yīng)的流場分析等。
1渦街流量計結(jié)構(gòu)及流量測量原理
1.1渦街流量計結(jié)構(gòu)
旋渦發(fā)生體(阻流件)是渦街流量計的核心部件,它的主要功能是把三維的流體變成二維的旋渦流;其結(jié)構(gòu)形狀最基本的是圓柱型、三角柱型和矩形柱,其他的形狀皆為這些基型的變形。現(xiàn)在經(jīng)過大量的實驗和現(xiàn)場使用，最為流行的是三角柱和三角柱的變形梯形柱(如圖1所示),結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的關(guān)系一般存在d/D=0.2~0.3、c/b=0.1~0.2、b1d=1~1.5、θ=15°~65°;[8]其優(yōu)點(diǎn)是能產(chǎn)生規(guī)律較好的渦街、斯特勞哈爾數(shù)S,線性度較高。
1.2測量原理
渦街流量計利用卡門渦街原理，即流體流經(jīng)流量計時，在旋渦發(fā)生體下游兩側(cè)交替地分離釋放出兩列有規(guī)律的交錯排列的旋渦(如圖2所示)，在一定雷諾數(shù)范圍內(nèi)，該旋渦的頻率與發(fā)生體、管道的幾何尺寸有關(guān)，旋渦的頻率正比于流量，此頻率可由探頭檢出。
當(dāng)渦街穩(wěn)定時，旋渦釋放頻率f與流經(jīng)旋渦發(fā)生體兩側(cè)的平均流速u之間的關(guān)系可表示為:
式中:f---旋渦頻率,Hz;
Sr---斯特勞哈爾數(shù),雷諾數(shù)Re在3×102~1.5×105的范圍內(nèi),S,一常數(shù);
u---旋渦發(fā)生體兩側(cè)流體的平均流速,m/s;
d---旋渦發(fā)生體迎流面的寬度(如圖1所示),m。
設(shè)測量管內(nèi)徑為D(如圖2所示),發(fā)生體兩側(cè)弓形流通面積之和與測量管的橫截面積之比為m,則:
因此，對確定的測量管內(nèi)徑D和旋渦發(fā)生體迎流面寬度d,流體的瞬時體積流量qv與旋渦頻率f成正比;只要測得旋渦頻率?,就可測量出體積流量qv的值。
2實驗
2.1實驗材料
本文實驗對象為三角柱型渦街流量計,流量范圍是(0.0~100.0)m3/h,1.5級，實體結(jié)構(gòu)及主要參數(shù)如圖3所示。
使用的標(biāo)準(zhǔn)裝置為標(biāo)準(zhǔn)表法水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置,0.2級,流量范圍(5~2200)m3/h、適用口徑DN(50~500)mm，實驗管道為DN100,數(shù)據(jù)輸出模式選擇(4~20)mA電流輸出;如圖4所示進(jìn)行渦街流量計現(xiàn)場實驗,前后直管段滿足測量要求。
2.2實驗方法
經(jīng)現(xiàn)場實驗發(fā)現(xiàn):當(dāng)管道內(nèi)設(shè)定流量低于10m3/h時，渦街流量計的電流輸出為0mA(表頭顯示0.000m2/h);調(diào)節(jié)閥門開度,逐步增大流量點(diǎn)至13m3/h時,數(shù)據(jù)輸出正常。根據(jù)研究對象的流量范圍,選取13m3/h、20m3/h50m3/h.80m3/h等為流量參數(shù)采用標(biāo)準(zhǔn)表法在不同介質(zhì)壓力下進(jìn)行相對示值誤差計算。
3實驗結(jié)果及分析
3.1調(diào)節(jié)閥門的開度及泵的頻率使得管道流量達(dá)到被檢渦街流量計的有效下限值13m3/h,記錄下此時渦街流量計的輸出值(共計50個數(shù)據(jù));如圖5所示,數(shù)據(jù)不穩(wěn)定，最小值、最大值分別為8.108m3/h、12.774m3/h,經(jīng)格拉布斯準(zhǔn)則判定均不是異常值;經(jīng)計算得到相對示值誤差E=-14.44%,標(biāo)準(zhǔn)偏差σ=8.05%。
導(dǎo)致流量輸出不穩(wěn)定，造成相對示值誤差及重復(fù)性偏大的原因可能是:液體介質(zhì)流量過低(下限有效流量),致使雷諾數(shù)偏低;根據(jù)文獻(xiàn)[3]得知:20℃水的動力粘度μ=1.003x10-3Pa·s、密度ρ=998.2kg·m-3，此時13m3/h對應(yīng)的來流速度?=0.46m/s,流場的特征直徑D=0.1m;根據(jù)式(6)得:
由文獻(xiàn)可知:對于多數(shù)渦街流量計,雷諾數(shù)Re在2×104~7×106范圍內(nèi)(可見Re=4.6×104在下限附近)Sr可看為常數(shù)，可保證測量的精度;超.出該范圍,Sr將隨Re的降低或升高而變化,渦街流量計將出現(xiàn)非線性，從而導(dǎo)致渦街流量計的精度會降低。另外,管道內(nèi)介質(zhì)的壓力也可能會造成渦街流量計的精度降低,在后續(xù)實驗中,將進(jìn)行同一流量點(diǎn)、不同介質(zhì)壓力下進(jìn)行相對示值誤差實驗。3.2調(diào)節(jié)閥門的開度及泵的頻率使得管道流量達(dá)到設(shè)定的流量值20m3/h、50m3/h、80m3/h,調(diào)節(jié)管道內(nèi)的介質(zhì)壓力;記錄不同管道介質(zhì)壓力下渦街流量計的輸出值,并進(jìn)行相對示值誤差計算。
如圖6所示,相同流量點(diǎn)不同介質(zhì)壓力下的相對示值誤差不同,且隨著壓力的增大，相對示值誤差均有不同程度上升的趨勢,中、小流量點(diǎn)下表現(xiàn)得尤為明顯;相對應(yīng)的大流量點(diǎn)下的相對示值誤差對壓力變化略顯得不太敏感。整體來說,分界流量0.2qmax以上各流量點(diǎn)對應(yīng)的相對示值誤差還是呈線性的，可以通過調(diào)節(jié)流量傳感器系數(shù)(Sensor-Factor)進(jìn)行校準(zhǔn);另外在今后進(jìn)行渦街流量計中、小流量檢測時盡可能的增大管道內(nèi)介質(zhì)的壓力等。接下來進(jìn)行渦街流量計三維建模及流場仿真分析,進(jìn)一步研究不同流體條件下渦街的工作原理等。
4CFD仿真分析與探討
4.1建立模型
應(yīng)用CAD軟件SolidWorks依據(jù).上述渦街流量計的內(nèi)部實際尺寸建立計算區(qū)域模型,為了盡可能降低網(wǎng)格數(shù)、提高仿真計算效率,采用根據(jù)前2D后5D的直管段安裝要求建模,如圖7所示。
選擇自動網(wǎng)格劃分，初始網(wǎng)格劃分級別選擇6,最小縫隙尺寸即為旋渦發(fā)生體與探頭之間的距離5mm,其余選擇默認(rèn)狀態(tài)，運(yùn)行網(wǎng)格求解得到模型總的流體網(wǎng)格數(shù)為197894,其中,接觸固體的流體網(wǎng)格數(shù)為59948,如圖8所示。
4.3求解設(shè)置
分析類型選擇內(nèi)部流場分析,并排除不具備流動條件的腔;重力加速度方向選擇y軸負(fù)方向、g=9.81m/s2;渦街流量計的內(nèi)部流場為非定常流,選擇瞬態(tài)分析,設(shè)定仿真時間10s、保存間隔周期0.05s;流體介質(zhì)選擇水,其密度為998.2kg/m3、運(yùn)動粘度為1.003×10-3Pa·s;流動類型為層流和湍流;初始條件x方向速度為0.46m/s(即13m3/h),湍流參數(shù)選擇湍流強(qiáng)度和湍流長度，其中湍流的定義方法選擇湍流強(qiáng)度I(見式7)和湍流長度I(見式8),經(jīng)計算當(dāng)?=0.46m/s時湍流強(qiáng)度I=4.18%、I=0.007mm。
選擇速度、壓力及力作為全局目標(biāo)，選取探頭表面一側(cè)(z正方向)表面受到的力為表面目標(biāo)，然后運(yùn)行求解。
通過分析表1數(shù)據(jù)得出同一流量點(diǎn)下,管道內(nèi)介質(zhì)壓力不同,探頭受力是不一樣的,且在管道介質(zhì)壓力小于0.1MPa時，各流量點(diǎn)下隨著管道壓力的增大,探頭受力變化趨勢一致,均是逐漸減小，如圖9所示;以流量點(diǎn)50m3/h為例，繼續(xù)增大管道內(nèi)介質(zhì)壓力,發(fā)現(xiàn)在管道壓力大于0.1MPa的條件下,探頭受力F隨流量點(diǎn)的增大呈增大趨勢。
從渦街流量的工作原理和仿真數(shù)據(jù)知道,探頭的受力是周期性的，隨著流量點(diǎn)的增大探頭受力周期呈減小趨勢;且周期的大小與管道內(nèi)的介質(zhì)壓力無關(guān),只與介質(zhì)流量的大小有關(guān),通過周期的倒數(shù)可得到不同流量點(diǎn)下的探頭受力的頻率大小，即探頭受力的頻率與介質(zhì)流量呈正相關(guān),如圖10所示。結(jié)合式(9)可計算得到基于探頭受力條件下的脈沖當(dāng)量,結(jié)果發(fā)現(xiàn)脈沖當(dāng)量(60個/L)是一個定值,與管道壓力、介質(zhì)流量無關(guān)等。
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