摘要:本文詳細(xì)闡述了渦街流量計(jì)的工作原理，對(duì)在不同流體條件下的相對(duì)示值誤差進(jìn)行分析，再利用SOLIDWOＲKSFLOWSIM-ULATION流體計(jì)算軟件對(duì)渦街流量計(jì)進(jìn)行相應(yīng)的流場(chǎng)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(cè)量,期間經(jīng)過很多學(xué)者的實(shí)驗(yàn)研究和理論分析,逐漸發(fā)展成工業(yè)實(shí)踐中使用的渦街流量計(jì);自20世紀(jì)60年代末開始研制以來(lái),渦街流量計(jì)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?jī)x表。
本文將先通過實(shí)驗(yàn)對(duì)在不同流體條件下的相對(duì)示值誤差進(jìn)行分析,再利用SOLIDWORKSFLOWSIMU-LATION流體計(jì)算軟件對(duì)渦街流量計(jì)進(jìn)行相應(yīng)的流場(chǎng)分析等。
1渦街流量計(jì)結(jié)構(gòu)及流量測(cè)量原理
1.1渦街流量計(jì)結(jié)構(gòu)
旋渦發(fā)生體(阻流件)是渦街流量計(jì)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�，F(xiàn)在經(jīng)過大量的實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)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(cè)量原理
渦街流量計(jì)利用卡門渦街原理，即流體流經(jīng)流量計(jì)時(shí)，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(cuò)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(shí)，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(cè)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(cè)量管的橫截面積之比為m,則:
因此，對(duì)確定的測(cè)量管內(nèi)徑D和旋渦發(fā)生體迎流面寬度d,流體的瞬時(shí)體積流量qv與旋渦頻率f成正比;只要測(cè)得旋渦頻率?,就可測(cè)量出體積流量qv的值。
2實(shí)驗(yàn)
2.1實(shí)驗(yàn)材料
本文實(shí)驗(yàn)對(duì)象為三角柱型渦街流量計(jì),流量范圍是(0.0~100.0)m3/h,1.5級(jí)，實(shí)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(jí),流量范圍(5~2200)m3/h、適用口徑DN(50~500)mm，實(shí)驗(yàn)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(jì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn),前后直管段滿足測(cè)量要求。
2.2實(shí)驗(yàn)方法
經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn):當(dāng)管道內(nèi)設(shè)定流量低于10m3/h時(shí)，渦街流量計(jì)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(shí),數(shù)據(jù)輸出正常。根據(jù)研究對(duì)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(duì)示值誤差計(jì)算。
3實(shí)驗(yàn)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(jì)的有效下限值13m3/h,記錄下此時(shí)渦街流量計(jì)的輸出值(共計(jì)50個(gè)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(jì)算得到相對(duì)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(duì)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(dòng)力粘度μ=1.003x10-3Pa·s、密度ρ=998.2kg·m-3，此時(shí)13m3/h對(duì)應(yīng)的來(lái)流速度?=0.46m/s,流場(chǎng)的特征直徑D=0.1m;根據(jù)式(6)得:
由文獻(xiàn)可知:對(duì)于多數(shù)渦街流量計(jì),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(cè)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(jì)將出現(xiàn)非線性，從而導(dǎo)致渦街流量計(jì)的精度會(huì)降低。另外,管道內(nèi)介質(zhì)的壓力也可能會(huì)造成渦街流量計(jì)的精度降低,在后續(xù)實(shí)驗(yàn)中,將進(jìn)行同一流量點(diǎn)、不同介質(zhì)壓力下進(jìn)行相對(duì)示值誤差實(shí)驗(yàn)。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(jì)的輸出值,并進(jìn)行相對(duì)示值誤差計(jì)算。
如圖6所示,相同流量點(diǎn)不同介質(zhì)壓力下的相對(duì)示值誤差不同,且隨著壓力的增大，相對(duì)示值誤差均有不同程度上升的趨勢(shì),中、小流量點(diǎn)下表現(xiàn)得尤為明顯;相對(duì)應(yīng)的大流量點(diǎn)下的相對(duì)示值誤差對(duì)壓力變化略顯得不太敏感。整體來(lái)說,分界流量0.2qmax以上各流量點(diǎn)對(duì)應(yīng)的相對(duì)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(jì)中、小流量檢測(cè)時(shí)盡可能的增大管道內(nèi)介質(zhì)的壓力等。接下來(lái)進(jìn)行渦街流量計(jì)三維建模及流場(chǎng)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(jì)的內(nèi)部實(shí)際尺寸建立計(jì)算區(qū)域模型,為了盡可能降低網(wǎng)格數(shù)、提高仿真計(jì)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(dòng)網(wǎng)格劃分，初始網(wǎng)格劃分級(jí)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(chǎng)分析,并排除不具備流動(dòng)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(jì)的內(nèi)部流場(chǎng)為非定常流,選擇瞬態(tài)分析,設(shè)定仿真時(shí)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(dòng)粘度為1.003×10-3Pa·s;流動(dòng)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(zhǎng)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(zhǎng)度I(見式8),經(jīng)計(jì)算當(dāng)?=0.46m/s時(shí)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(shí)，各流量點(diǎn)下隨著管道壓力的增大,探頭受力變化趨勢(shì)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(shì)。
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(shì);且周期的大小與管道內(nèi)的介質(zhì)壓力無(wú)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(jì)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(gè)/L)是一個(gè)定值,與管道壓力、介質(zhì)流量無(wú)關(guān)等。
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