卡門渦街流量計(jì)|精度高|量程范圍較寬
摘 要：流量是流體的一種屬性。當(dāng)前，無論是在工業(yè)方面，還是在生活方面，流量檢測(cè)已成為評(píng)估的一個(gè)重要指標(biāo)，有著重要意義。渦街流量計(jì)是流量?jī)x表不可或缺的一部分，這是由于卡門渦街具有獨(dú)特的流體振蕩特性，且具有眾多優(yōu)勢(shì)，如精度高、量程范圍較寬、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無可動(dòng)部件等。對(duì)管道內(nèi)渦街狀態(tài)進(jìn)行模擬，建立 3 種基本渦旋發(fā)生體模型，利用 ANSYS 進(jìn)行仿真分析，可為今后流量計(jì)的合理結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。
隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，流量檢測(cè)作為測(cè)量流體的標(biāo)準(zhǔn)，無論是在工業(yè)方面，還是生活方面都有著重要的意義，如工業(yè)上用于工業(yè)原料流量檢測(cè)，生活中用于生活用水的流量監(jiān)測(cè)。在流體領(lǐng)域中，卡門渦街獨(dú)有的流體振蕩特性，使其成為流量計(jì)儀表當(dāng)中不可或缺的一部分[1]?？ㄩT渦街具有眾多優(yōu)勢(shì)，如結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、量程范圍較寬、精度高、無可動(dòng)部件等。因此，在全球工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域中，以渦街流量計(jì)作為流量測(cè)量的手段。
渦旋流量計(jì)因具有寬泛的可測(cè)流速范圍，被廣泛應(yīng)用于液體、氣體和蒸汽的測(cè)量領(lǐng)域。在提高石油采收率的系統(tǒng)當(dāng)中，渦街流量計(jì)被用于二氧化碳流量的測(cè)量；在半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)中，渦街流量計(jì)可用于測(cè)量超純水蝕刻工藝；在廢水處理廠中，可用來測(cè)量高腐蝕性酸的流量，如氯化鐵、鹽酸和氫氧化鈉等化學(xué)藥品的計(jì)量也使用渦式流量計(jì)[2]。
對(duì)于渦街流量計(jì)，其***重要的就是渦街發(fā)生體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，合理的渦街發(fā)生體能產(chǎn)生穩(wěn)定的渦旋，在一定的流速范圍內(nèi)，渦旋產(chǎn)生頻率與流體流速具有良好的線性關(guān)系。流量計(jì)的量程、精度、敏感度都會(huì)受其影響[3]，模擬不同渦街發(fā)生體的漩渦狀態(tài)。
1、模擬軟件及模擬條件：
已知流體經(jīng)過渦街發(fā)生體，會(huì)產(chǎn)生渦街現(xiàn)象(見圖 1)，并且在確定渦街發(fā)生體，已知其特征長(zhǎng)度 l 的情況下，單側(cè)旋渦的脫離頻率 f 與流體流速 v 成正比關(guān)系，公式為： St＝fl/v (1) 式中，St(斯特勞哈爾數(shù))為無量綱常數(shù)，f 為單側(cè)漩渦脫離頻率，l 為渦街發(fā)生體渦街發(fā)生體特征長(zhǎng)度，v 為管道內(nèi)流體流速[4]。 
圖 1 圓柱發(fā)生體產(chǎn)生渦街圖
將實(shí)際數(shù)據(jù)建模，通過計(jì)算機(jī)模擬找到卡門渦街的基礎(chǔ)特性，從而利用數(shù)學(xué)模型找到哪種渦街發(fā)生體有較良好的穩(wěn)定性。主要采用的模擬軟件是 ANSYS內(nèi)的 ICEMCFD 建模模塊、FLUENT 模塊和 CFD-POST 顯示模塊，利用 ANSYS workbench 將各個(gè)模塊整合在一起，如圖 2 所示。 
圖 2 ANSYS workbench模擬模塊圖
模擬時(shí)主要以 3 個(gè)傳統(tǒng)的漩渦發(fā)生體(圓柱、三角柱、梯形柱)為主要研究對(duì)象[5]，分析在給定流速范圍內(nèi)哪種渦街發(fā)生體擁有較好的流速漩渦脫離頻率線性關(guān)系，也就是斯特勞哈爾數(shù)較為穩(wěn)定。
壓力采集點(diǎn)分別位于渦街發(fā)生體后 30,mm、40,mm、60,mm 處。
2、模擬結(jié)果與分析 ：
經(jīng)過數(shù)據(jù)處理得到單側(cè)渦旋脫離周期，并計(jì)算得到相應(yīng) St(斯特勞哈爾數(shù))，如表 1 所示。 
表 1 不同渦旋發(fā)生體的渦街狀態(tài)
在給定渦街發(fā)生體條件下，卡門渦街漩渦脫離頻率與流速成反比關(guān)系，在一定流速范圍內(nèi)斯特勞哈爾數(shù)為常數(shù)，約為 0.2，模擬驗(yàn)證了公式(1)。模擬得到監(jiān)測(cè)點(diǎn)位于 30,mm 處橫向速度波動(dòng)較大，特測(cè)器位于此位置較好，介質(zhì)為水的 1,m/s 左右流速下，周期為 10,ms 級(jí)。渦街發(fā)生體選三角柱體較為穩(wěn)定。
3、結(jié)論：
本文從 3 種基本渦街發(fā)生體出發(fā)，模擬在相同環(huán)境條件下，3 種基本發(fā)生體的渦街發(fā)生狀態(tài)，通過仿真得到三角柱體具有更加穩(wěn)定的斯特勞哈爾穩(wěn)定數(shù)值，在速度為 1,m/s 附近時(shí)，計(jì)算得到的 St 值變化幅度為 0.01，在此進(jìn)行進(jìn)一步仿真，提高三角柱渦街發(fā)生體的入口流速至 10,m/s 時(shí)，St 值的變化幅度不超過 0.02，仍然具有穩(wěn)定的 St 值，也就是入口速度與渦旋脫離頻率具有良好的線性關(guān)系，因此選擇三角柱型渦街發(fā)生體作為渦街流量計(jì)值得進(jìn)一步研究。