蒸汽流量计梯形旋涡发生体的研究

摘要通过改变尾缘夹角角度、平行部分长度和取压位置，用CFD软件FLUENT对具有不同形状梯形旋涡发生体的DNIO0蒸汽流量计流场进行数值仿真研究。仿真结果表明：迎流面宽度为28mm的旋涡发生体，在尾缘夹角角度为45。，平行部分长度为4mm的情况下，能够产生强的蒸汽信号；当尾缘夹角角度在40—7O。之间时，信号峰值取压位置靠近旋涡发生体，信号峰值取压位置在尾缘后部2倍迎流面宽度处。
Strouhal和VonKarman率先研究了钝体旋涡脱落现象。依据Karman蒸汽现象，蒸汽流量计根据旋涡脱落频率与流体流速的线性关系工作。在较宽雷诺数(Re)范围内，Strouhal数(sr)作为旋涡脱落频率与平均流速的线性度表征，是一个常数。Roshko首先提出制造蒸汽流量计的构想，他认为当300蒸汽流量计性能与旋涡发生体几何参数密切相关。大多数旋涡发生体几何参数是通过实验获得的。普遍使用的5种旋涡发生体截面形状为圆形、三角形、矩形、梯形和T形。为了改进蒸汽流量计性能，众多科研工作者做出大量贡献。
日本在1989年制定了《蒸汽流量计工业标准》
。在标准的“说明”部分规定了旋涡发生体的几何参数。标准蒸汽流量计旋涡发生体截面形状为梯形，它的所有几何参数都根据Sr线性度优的原则通过优化实验获得：迎流面宽度为0.28D(D为管道直径)、尾缘夹角角度为38。、平行部分长度为0.03D。Pankanin和GrzegorzL对旋涡发生体几何参数和取压位置进行了优化，改进了蒸汽流量计频率稳定性和线性度。PengJG等对三角形旋涡发生体几何参数进行了优化，改进了蒸汽流量计线性度。他比较了具有不同尾缘夹角的5种旋涡发生体，尾缘夹角角度分别为37.6、39.8、40.4、41.8、42.4。。结果显示尾缘夹角角度为41.8。的旋涡发生体具有好的线性度。LuoSC等对尾缘形状影响旋涡发生体后部流场结构的现象，在风洞实验与水槽实验中进行量化分析，得到了尾缘形状对流场结构的影响关系。KahawitaR和WangP对一种梯形旋涡发生体流场进行了数值仿真，结果显示：尾缘后部5.5d(d为迎流面宽度)处，蒸汽信号强。
笔者通过实流实验和仿真实验，研究旋涡发生体几何形状对信号强度的影响。
1、数值仿真的湍流模型选择
蒸汽流量计旋涡发生体几何参数如图1所示。箭头表示流动方向。管道直径D为100mm，旋涡发生体迎流面宽度d为28mm，旋涡发生体全长为34mm，旋涡发生体平行部分长度P.为4mm，旋涡发生体尾缘宽度为6mm，旋涡发生体尾缘夹角角度为40。。探头距离旋涡发生体尾缘的距离为m。=14mm。 

根据已有仿真经验，Realizablek-8模型和RNGk-e模型对相同旋涡发生体漩涡脱落频率预测与实流实验频率结果基本相同，而对旋涡发生体单一几何参数变化对信号强度影响的研究尚有不足。仿真实验中选取40、100、140、180。4个尾缘夹角角度，旋涡发生体全长随尾缘夹角的变化而变化。流动介质为水，入口速度为0.3m／s和0.5m／s。
使用两种湍流模型的仿真结果如图2所示。
从图中可以看出，在RNGk-e模型仿真结果中，信号强度随旋涡发生体尾缘夹角的增大而增大；在Realizablek-6模型仿真结果中，信号强度随旋涡发生体尾缘夹角的增大而减小。其中，使用RNGk-8模型的仿真结果显示平板能够产生强的蒸汽信号，这与已有实流实验结论相悖。

Realizable|k-e.模型加入对质点旋转的分析，考虑了粘性力对质点的影响，能够更好地模拟蒸汽的形成和发展。而RNGk-8模型不考虑粘性力对质点旋转的影响，会将流体流经钝体后的速度方向突变作为旋涡形成和发展的主要因素，从而得到蒸汽信号强度随尾缘夹角的增大而增大的错误结论，这就是为什么Realizablek-e模型比RNGk-8模型更适合模拟蒸汽流场的原因。笔者选择Realizablek-8模型作为蒸汽流场仿真模型。
2、仿真研究
对具有不同尾缘夹角旋涡发生体的蒸汽流场做进一步仿真研究，取Ot=30、40、45、50、60、70、80、100、140、180。。为研究旋涡发生体下游信号强度变化，以迎流面宽度d为间隔设置基准，在轴线上从旋涡发生体尾缘开始每隔0.25d设置一个取压位置，共30个取压位置。尾缘夹角角度为45。的旋涡发生体尾缘后部不同位置信号强度如图3所示，结果显示，信号强度随离尾缘距离的增大呈现出先增大后减小的规律。具有不同尾缘夹角m=14ram处信号强度如图4所示，结果显示，随着尾缘夹角角度的增大，相同位置上信号强度先增大后减小，在尾缘夹角角度为45。时达到峰值。不同尾缘夹角角度峰值取压位置如图5所示。结果显示，随着尾缘夹角角度的增大，峰值取压位置与尾缘的距离先减小后增大。由图5可知，当尾缘夹角角度在40—70。之间时，峰值取压位置靠近旋涡发生体，在尾缘后部2d处能产生强的蒸汽信号。

在此基础上，通过改变旋涡发生体全长，在不改变尾缘夹角角度的基础上，改变平行部分长度，不同平行部分长度旋涡发生体尾缘后部14mm处动压信号幅值如图6所示。结果显示，平行部分长度为4mm的旋涡发生体能够产生强的蒸汽信号。

以上数值仿真结果显示，在DN100蒸汽流量计中迎流面宽度为28mm的旋涡发生体，在尾缘夹角角度为45。，平行部分长度为4mm的情况下，能够产生强的蒸汽信号。峰值取压位置在旋涡发生体尾缘后部2d处。
3、水流量实验研究
为验证数值仿真可信性，对具有不同旋涡发生体的DN1O0蒸汽流量计进行水流量实验，水流量实验装置如图7所示。由36m高位水塔提供稳压水源，稳压精度为0.02％，水流量实验系统精度为0.2％，大流速为8.5m／s，流量范围为0.04～800.O0m／h，标准表精度为0.5％。如图7所示，计算机1采集标准表数据，当流体流过蒸汽流量计时，产生的交变信号被计算机2采集，通过FFT处理，终得到蒸汽信号频率和幅值。

水流量实验使用的旋涡发生体形状如图8所示。其中，图8a是传统蒸汽流量计使用的旋涡发生体形状，各旋涡发生体形状标号以“一”分隔，第1个数字为迎流面宽度d；第2个数字为平行部分长度；第3个数字为尾缘宽度；第4个数字为旋涡发生体全长，括号内为尾缘夹角角度(ABA)。图8b中所示各旋涡发生体形状标号依次为28_4-6—34(40)、28_28、28_2～3428(50)、28—10.9—4—28(70)和28—18_4_28(100)。

水流量实验中，在旋涡发生体尾缘后部14.0、17.5、21.0、24.5、28.0ram处设置5个探头取压位置。图9为各截面形状旋涡发生体在不同流速下尾缘后部不同取压位置的蒸汽信号强度数据。通过对实验数据分析，28.10.9.4_28(70)和28.18—4_28(100)在尾缘后部21mm处信号电压达到大，28_28和28.2.3_4-28(50)尾缘后部信号电压都有随远离尾缘距离的增大而增大的趋势。实验数据说明，改变尾缘夹角角度，可以改变蒸汽信号峰值取压位置。尾缘夹角角度在70—100。之间的旋涡发生体，峰值取压位置与旋涡发生体较近，这与数值仿真结论相同。

4、仿真与实验结果比较
尾缘后部14mm处实流实验结果与仿真结果对比如图10所示。发现仿真对信号强度随旋涡发生体几何参数变化的预测与实流实验结果具有很好的一致性；对蒸汽信号随旋涡发生体形状变化而变化趋势的预测与实验完全吻合。
5、结论
5.1通过验证仿真实验，说明蒸汽流场数值仿真的可行性。通过数值仿真研究得到蒸汽流场数值仿真佳数学模型；认为在DN100蒸汽流量计中，在迎流面宽度d为28mm的前提下，尾缘夹角角度为45。、平行部分长度为4mm的旋涡发生体，能够产生强的蒸汽信号，且在尾缘后部2d处为峰值取压位置。
5.2在水流量实验中，用于研究的旋涡发生体能
够在相同信号处理条件下检测到更低的流量的频率。尾缘夹角在一定范围内的旋涡发生体，峰值取压位置与旋涡发生体较近。
5.3通过比较实验数据和根据实验得到的仿真实验数据，可以看出仿真结果与实验结果基本一致，这证明了Realizablek-8仿真数学模型应用于水流量蒸汽流场模拟的可行性。