搜索對具有不同形狀梯形旋渦發生體的DN100渦街流量計流場進行數值仿真
2016-09-01 by:CAE仿真在線 來源:互聯網
通過改變尾緣夾角角度、平行部分長度和取壓位置,用CFD 軟件FLUENT 對具有不同形狀梯形旋渦發生體的DN100渦街流量計流場進行數值仿真研究。仿真結果表明: 迎流面寬度為28mm 的旋渦發生體,在尾緣夾角角度為45°,平行部分長度為4mm 的情況下,能夠產生最強的渦街信號; 當尾緣夾角角度在40 ~ 70°之間時,信號峰值取壓位置最靠近旋渦發生體,信號峰值取壓位置在尾緣后部2 倍迎流面寬度處。
Strouhal 和Von Karman 率先研究了鈍體旋渦脫落現象。依據Karman 渦街現象,渦街流量計根據旋渦脫落頻率與流體流速的線性關系工作。在較寬雷諾數( Re) 范圍內,Strouhal 數( Sr) 作為旋渦脫落頻率與平均流速的線性度表征,是一個常數。Roshko 首先提出制造渦街流量計的構想,他認為當300 < Re < 2 × 105 時,Sr 在0. 2 左右。
渦街流量計具有高可靠性、低壓力損失、寬量程比及結構簡單等優點,被廣泛應用于管道流量測量。渦街流量計中產生旋渦的部件稱為旋渦發生體,渦街流量計性能與旋渦發生體幾何參數密切相關。大多數旋渦發生體幾何參數是通過實驗獲得的。普遍使用的5 種旋渦發生體截面形狀為圓形、三角形、矩形、梯形和T 形。為了改進渦街流量計性能,眾多科研工作者做出大量貢獻。
日本在1989 年制定了《渦街流量計工業標準》[1]。在標準的“說明”部分規定了旋渦發生體的幾何參數。標準渦街流量計旋渦發生體截面形狀為梯形,它的所有幾何參數都根據Sr 線性度最優的原則通過優化實驗獲得: 迎流面寬度為0. 28D( D 為管道直徑) 、尾緣夾角角度為38°、平行部分長度為0. 03D。Pankanin 和Grzegorz L[2]對旋渦發生體幾何參數和取壓位置進行了優化,改進了渦街流量計頻率穩定性和線性度。Peng J G等[3]對三角形旋渦發生體幾何參數進行了優化,改進了渦街流量計線性度。他比較了具有不同尾緣夾角的5 種旋渦發生體,尾緣夾角角度分別為37. 6、39. 8、40. 4、41. 8、42. 4°。結果顯示尾緣夾角角度為41. 8° 的旋渦發生體具有最好的線性度。Luo S C 等[4]對尾緣形狀影響旋渦發生體后部流場結構的現象,在風洞實驗與水槽實驗中進行量化分析,得到了尾緣形狀對流場結構的影響關系。Kahawita R 和Wang P[5]對一種梯形旋渦發生體流場進行了數值仿真,結果顯示: 尾緣后部5. 5d( d 為迎流面寬度) 處,渦街信號最強。
筆者通過實流實驗和仿真實驗,研究旋渦發生體幾何形狀對信號強度的影響。
1 數值仿真的湍流模型選擇①
渦街流量計旋渦發生體幾何參數如圖1 所示。箭頭表示流動方向。管道直徑D 為100mm,旋渦發生體迎流面寬度d 為28mm,旋渦發生體全長為34mm,旋渦發生體平行部分長度p1為4mm,旋渦發生體尾緣寬度為6mm,旋渦發生體尾緣夾角角度α 為40°。探頭距離旋渦發生體尾緣的距離為m1 = 14mm。
根據已有仿真經驗,Realizable k-ε 模型和RNG k-ε 模型對相同旋渦發生體漩渦脫落頻率預測與實流實驗頻率結果基本相同,而對旋渦發生體單一幾何參數變化對信號強度影響的研究尚有不足。仿真實驗中選取40、100、140、180°4 個尾緣夾角角度,旋渦發生體全長隨尾緣夾角的變化而變化。流動介質為水,入口速度為0. 3m/s 和0. 5m/s。
使用兩種湍流模型的仿真結果如圖2 所示。從圖中可以看出,在RNG k-ε 模型仿真結果中,信號強度隨旋渦發生體尾緣夾角的增大而增大; 在Realizable k-ε 模型仿真結果中,信號強度隨旋渦發生體尾緣夾角的增大而減小。其中,使用RNGk-ε 模型的仿真結果顯示平板能夠產生最強的渦街信號,這與已有實流實驗結論相悖。Realizable k-ε 模型加入對質點旋轉的分析,考慮了粘性力對質點的影響,能夠更好地模擬渦街的形成和發展。而RNG k-ε 模型不考慮粘性力對質點旋轉的影響,會將流體流經鈍體后的速度方向突變作為旋渦形成和發展的主要因素,從而得到渦街信號強度隨尾緣夾角的增大而增大的錯誤結論,這就是為什么Realizable k-ε 模型比RNGk-ε 模型更適合模擬渦街流場的原因。筆者選擇Realizable k-ε 模型作為渦街流場仿真模型。
2 仿真研究
對具有不同尾緣夾角旋渦發生體的渦街流場做進一步仿真研究,取α = 30、40、45、50、60、70、80、100、140、180°。為研究旋渦發生體下游信號強度變化,以迎流面寬度d 為間隔設置基準,在軸線上從旋渦發生體尾緣開始每隔0. 25d 設置一個取壓位置,共30 個取壓位置。尾緣夾角角度為45°的旋渦發生體尾緣后部不同位置信號強度如圖3 所示,結果顯示,信號強度隨離尾緣距離的增大呈現出先增大后減小的規律。具有不同尾緣夾角m1 = 14mm 處信號強度如圖4 所示,結果顯示,隨著尾緣夾角角度的增大,相同位置上信號強度先增大后減小,在尾緣夾角角度為45° 時達到峰值。不同尾緣夾角角度峰值取壓位置如圖5 所示。結果顯示,隨著尾緣夾角角度的增大,峰值取壓位置與尾緣的距離先減小后增大。由圖5 可知,當尾緣夾角角度在40 ~ 70°之間時,峰值取壓位置最靠近旋渦發生體,在尾緣后部2d 處能產生最強的渦街信號。
在此基礎上,通過改變旋渦發生體全長,在不改變尾緣夾角角度的基礎上,改變平行部分長度,不同平行部分長度旋渦發生體尾緣后部14mm 處動壓信號幅值如圖6 所示。結果顯示,平行部分長度為4mm 的旋渦發生體能夠產生最強的渦街信號。
以上數值仿真結果顯示,在DN100 渦街流量計中迎流面寬度為28mm 的旋渦發生體,在尾緣夾角角度為45°,平行部分長度為4mm 的情況下,能夠產生最強的渦街信號。峰值取壓位置在旋渦發生體尾緣后部2d 處。
3 水流量實驗研究
為驗證數值仿真可信性,對具有不同旋渦發生體的DN100渦街流量計進行水流量實驗,水流量實驗裝置如圖7 所示。由36m 高位水塔提供穩壓水源,穩壓精度為0. 02%,水流量實驗系統精度為0. 2%,最大流速為8. 5m/s,流量范圍為0. 04 ~ 800. 00m3 /h,標準表精度為0. 5%。如圖7所示,計算機1 采集標準表數據,當流體流過渦街流量計時,產生的交變信號被計算機2 采集,通過FFT 處理,最終得到渦街信號頻率和幅值。
水流量實驗使用的旋渦發生體形狀如圖8 所示。其中,圖8a 是傳統渦街流量計使用的旋渦發生體形狀,各旋渦發生體形狀標號以“_”分隔,第1 個數字為迎流面寬度d; 第2 個數字為平行部分長度; 第3 個數字為尾緣寬度; 第4 個數字為旋渦發生體全長,括號內為尾緣夾角角度( ABA) 。圖8b 中所示各旋渦發生體形狀標號依次為28_4_6_34( 40) 、28_28、28_2. 3_4_28( 50) 、28_10. 9_4_28( 70) 和28_18_4_28( 100) 。水流量實驗中,在旋渦發生體尾緣后部14. 0、17. 5、21. 0、24. 5、28. 0mm 處設置5 個探頭取壓位置。圖9 為各截面形狀旋渦發生體在不同流速下尾緣后部不同取壓位置的渦街信號強度數據。通過對實驗數據分析, 28_10. 9_4_28( 70) 和28_18_4_28( 100) 在尾緣后部21mm 處信號電壓達到最大, 28_28 和28_2. 3_4_28( 50) 尾緣后部信號電壓都有隨遠離尾緣距離的增大而增大的趨勢。實驗數據說明,改變尾緣夾角角度,可以改變渦街信號峰值取壓位置。尾緣夾角角度在70 ~ 100° 之間的旋渦發生體,峰值取壓位置與旋渦發生體較近,這與數值仿真結論相同
4 仿真與實驗結果比較
尾緣后部14mm 處實流實驗結果與仿真結果對比如圖10 所示。發現仿真對信號強度隨旋渦發生體幾何參數變化的預測與實流實驗結果具有很好的一致性; 對渦街信號隨旋渦發生體形狀變化而變化趨勢的預測與實驗完全吻合。
5. 1 通過驗證仿真實驗,說明渦街流場數值仿真的可行性。通過數值仿真研究得到渦街流場數值仿真最佳數學模型; 認為在DN100 渦街流量計中,在迎流面寬度d 為28mm 的前提下,尾緣夾角角度為45°、平行部分長度為4mm 的旋渦發生體,能夠產生最強的渦街信號,且在尾緣后部2d 處為峰值取壓位置。
5. 2 在水流量實驗中,用于研究的旋渦發生體能夠在相同信號處理條件下檢測到更低的流量的頻率。尾緣夾角在一定范圍內的旋渦發生體,峰值取壓位置與旋渦發生體較近。
5. 3 通過比較實驗數據和根據實驗得到的仿真實驗數據,可以看出仿真結果與實驗結果基本一致,這證明了Realizable k-ε 仿真數學模型應用于水流量渦街流場模擬的可行性。
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