摘要：通過計(jì)算流體力學(xué)(CFD)的方法對(duì) 50 mm 口徑的旋進(jìn)旋渦流量計(jì)進(jìn)行了數(shù)值仿真.分析了旋渦進(jìn)動(dòng)效應(yīng)下流量計(jì)內(nèi)部流場(chǎng)的演變情況, 找出傳感器***佳安裝位置以減小外界振動(dòng)與流體脈動(dòng)噪聲對(duì)旋進(jìn)旋渦流量計(jì)造成的影響, 并且在此基礎(chǔ)上對(duì)旋進(jìn)旋渦流量計(jì)進(jìn)行改進(jìn)———在旋進(jìn)旋渦流量計(jì)前面加導(dǎo)流片.改進(jìn)后的旋進(jìn)旋渦流量計(jì)壓力損失有了較大幅度的減少.

　旋進(jìn)旋渦流量計(jì)是近幾十年來開發(fā)并投入市場(chǎng)的一種流體振蕩式流量計(jì), 可適用于石油、蒸汽、天然氣、水等多種介質(zhì)的流量測(cè)量.它具有內(nèi)部無機(jī)械可動(dòng)部件, 耐腐蝕性好 , 量程比寬等優(yōu)點(diǎn).但是旋進(jìn)旋渦流量計(jì)也存在一些不足之處 ,比如旋進(jìn)旋渦流量計(jì)的工作原理沒有其它旋渦型流量計(jì)的完善,振蕩頻率信號(hào)容易被外界振動(dòng)源所干擾 ,并且壓力損失較大 .關(guān)于旋進(jìn)旋渦流量計(jì)性能的研究由來已久 , 早于 1970 年 , Dijstelber-g en[ 1]就對(duì)其進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究 .1999 年, Furio 和G ianfranco[ 2]對(duì)旋進(jìn)旋渦流量計(jì)做了實(shí)際工況下的儀表特征試驗(yàn)研究 .
     2018年 , Fu 和 Yang[ 3]用流體力學(xué)仿真對(duì)旋進(jìn)旋渦流量計(jì)的流場(chǎng)特性進(jìn)行了研究,并提出用信號(hào)差分處理提高旋進(jìn)旋渦流量計(jì)抗干擾能力的設(shè)計(jì).彭杰綱等人[ 4-7]不僅對(duì)旋進(jìn)旋渦流量計(jì)進(jìn)行了數(shù)值模擬分析, 研究了旋渦進(jìn)動(dòng)效應(yīng)流場(chǎng)的演變情況 ,通過脈動(dòng)流場(chǎng)物理模擬研究了流場(chǎng)干擾對(duì)旋進(jìn)旋渦流量計(jì)流場(chǎng)進(jìn)動(dòng)效應(yīng)的影響 ,還采用實(shí)驗(yàn)方法研究了流體脈動(dòng)和傳感器的安裝對(duì)旋進(jìn)旋渦流量計(jì)旋進(jìn)旋渦效應(yīng)特性的影響.張濤等人[ 8]對(duì)旋進(jìn)旋渦流量計(jì)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化 ,使得流量計(jì)的壓力損失有了較大幅度的減小.筆者利用 FLUENT 軟件對(duì)旋進(jìn)旋渦流量計(jì)進(jìn)行數(shù)值模擬仿真,分析了旋渦進(jìn)動(dòng)效應(yīng)流場(chǎng)的演變情況.在旋進(jìn)旋渦流量計(jì)的流通管道中取不同的檢測(cè)點(diǎn),觀察各個(gè)檢測(cè)點(diǎn)信號(hào)的強(qiáng)弱,以便找到***合適的傳感器的安裝點(diǎn) .同時(shí)在旋進(jìn)旋渦流量計(jì)前面加導(dǎo)流片,并將改進(jìn)后的旋進(jìn)旋渦流量計(jì)的壓損與傳統(tǒng)旋進(jìn)旋渦流量計(jì)壓損進(jìn)行了比較.

1、旋進(jìn)旋渦流量計(jì)的工作原理：
  旋進(jìn)旋渦流量計(jì)主要由以下幾部分組成:起旋器、文丘里管、消旋器和檢測(cè)元件.其結(jié)構(gòu)原理如圖1 .旋進(jìn)旋渦流量計(jì)是根據(jù)旋渦進(jìn)動(dòng)現(xiàn)象為機(jī)理的流量計(jì).流體流入旋進(jìn)旋渦流量計(jì)后, 首先通過一組由固定螺旋形葉片組成的起旋器后被強(qiáng)制旋轉(zhuǎn),使流體形成旋渦流.旋渦中心為“渦核”是速度很高的區(qū)域,其外圍是環(huán)流 .流體流經(jīng)收縮段時(shí)旋渦加速,沿流動(dòng)方向渦核直徑逐漸縮小 ,而強(qiáng)度逐漸加強(qiáng).此時(shí)渦核與流量計(jì)的軸線相一致.當(dāng)進(jìn)入擴(kuò)大段后,旋渦急劇減速, 壓力上升, 于是就產(chǎn)生了回流.在回流作用下, 渦核就圍繞著流量計(jì)的軸線做螺旋進(jìn)動(dòng),進(jìn)動(dòng)頻率與流體的流速成正比 .因此,測(cè)得旋進(jìn)旋渦的頻率即能反映流速和體積流量的大小.旋進(jìn)旋渦的頻率范圍一般在 10 ～ 1 500 Hz ,與流體流量 Q有如下比例關(guān)系:Q = f / K

圖 1　旋進(jìn)旋渦流量計(jì)的結(jié)構(gòu)原理圖

2、數(shù)理模型和計(jì)算方法：
2 .1、流體力學(xué)控制方程和湍流模型：
  旋進(jìn)旋渦流量計(jì)的流體動(dòng)力特性可以用流體力學(xué)基本方程描述如下[ 10-12]:連續(xù)性方程與動(dòng)量方程:
  式(3)中:p — 靜壓 ;ui — 流動(dòng)速度 ;f — 質(zhì)量力;τij — 應(yīng)力張量 ,具體表達(dá)式為 

  式(4)中 :μ— 分子粘性系數(shù), 在引入湍流模型后,此項(xiàng)可用有效粘性系數(shù)代替(μeff =μ+μt ,其中 μt為湍流粘性系數(shù)).因?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)的 k-ε湍流模型用于強(qiáng)旋流或帶有彎曲壁面的流動(dòng)時(shí), 會(huì)出現(xiàn)一定失真,所以筆者選用的湍流模型是 RNG k-ε湍流模型 .在 RNG k-ε湍流模型中,通過在大尺度運(yùn)動(dòng)和修正后的粘度項(xiàng)體現(xiàn)小尺度的影響, 而使得這些小尺度運(yùn)動(dòng)有系統(tǒng)地從控制方程中去除 .

2 .2、物理模型 、初始條件及邊界條件：
  計(jì)算用物理模型是如圖 2 的直徑為50 mm 的旋進(jìn)旋渦流量計(jì).網(wǎng)格劃分采用的是非結(jié)構(gòu)化混合網(wǎng)格, 網(wǎng)格數(shù)大約為 42 萬 .計(jì)算的流體介質(zhì)是空氣 ,邊界條件為 :入口采用速度入口邊界條件,速度值固定為圓管中充分發(fā)展湍流的速度剖面,流量范圍為40 ～ 240 m3/h .出口邊界條件設(shè)定為壓力出口 ,壓力值固定為一個(gè)大氣壓.管壁及起旋器表面設(shè)為無滑移邊界條件.

圖 2 　旋進(jìn)旋渦流量計(jì)的物理模型

3、計(jì)算結(jié)果分析：
3 .1、旋渦進(jìn)動(dòng)效應(yīng)流場(chǎng)演變情況：
  圖 3 為旋渦進(jìn)動(dòng)效應(yīng)一個(gè)周期內(nèi)的壓力演變過程 ,其中右側(cè)為通過軸線的縱剖面、左側(cè)為圖 2的垂直剖面 1 .從圖 3 中可以看出 ,在旋進(jìn)旋渦流量計(jì)的加速區(qū)內(nèi) ,壓力分布幾乎不隨時(shí)間變化 ,起旋器尾部靠近管壁的壓力較大 , 靠中心軸線附近壓力較小 .這是因?yàn)榱黧w被起旋器強(qiáng)制旋轉(zhuǎn)后形成旋渦流,越靠近旋渦中心流速越高, 壓力越小.當(dāng)流體進(jìn)入不穩(wěn)定區(qū)域時(shí),流場(chǎng)壓力隨時(shí)間作周期性的變化.從圖 3 右邊的垂直剖面可以看出高速流束在該截面做接近于逆時(shí)針圓周的運(yùn)動(dòng).

圖 3 　旋渦進(jìn)動(dòng)效應(yīng)一個(gè)周期內(nèi)的壓力演變過程

3 .2、檢測(cè)點(diǎn)的位置對(duì)測(cè)量的影響：
  當(dāng)流量為160 m3/h 時(shí),取7個(gè)檢測(cè)點(diǎn)來觀察它的壓力變化情況.7 個(gè)檢測(cè)點(diǎn)分別是:點(diǎn) 1 位于垂直剖面1(即擴(kuò)張段的中部)上離壁面6 mm處 ,點(diǎn)2位于垂直剖面 2(擴(kuò)張段上游 5 mm)上離壁面 6 mm處,點(diǎn)3 位于垂直剖面5(擴(kuò)張段下游5 mm)上離壁面6 mm 處, 點(diǎn) 4 位于垂直剖面 3(擴(kuò)張段上游 10mm)上離壁面 6 mm 處 , 點(diǎn) 5 位于垂直剖面 4(擴(kuò)張段上游15 mm)上離壁面6 mm 處,點(diǎn)6 位于垂直剖面2 上離壁面10 mm 處,點(diǎn)7 位于垂直剖面 2 上與點(diǎn)1 有 180°相差的軸對(duì)稱點(diǎn).
  圖 4 中的三點(diǎn)分別位于擴(kuò)張段中部和擴(kuò)張段上游 5 mm 及下游 5 mm 處.從圖 4 中可以看出三點(diǎn)的振蕩頻率一樣 , 在擴(kuò)張段中部和上游 5 mm的壓力振蕩幅度明顯比下游 5 mm 的壓力變化大.而且在上游處檢測(cè)點(diǎn)壓力波形的相位要比下游處的要小.擴(kuò)張段中部和上游 5 mm 處的檢測(cè)點(diǎn)壓力變化幅度相差不大, 但擴(kuò)張段中部壓力的平均值要稍大一些.

圖 4 　點(diǎn) 1 、點(diǎn) 2 和點(diǎn) 3 的壓力變化
  圖5 中的三點(diǎn)分別是位于擴(kuò)張段上游5 mm 、10 mm 和 15 mm 處 .從圖 5 中可以看出三點(diǎn)的振蕩頻率一樣,越靠近擴(kuò)張段的點(diǎn)壓力振蕩幅度越大,而且在這上游的三個(gè)點(diǎn)無相位差.

圖 5 　點(diǎn) 2 、點(diǎn) 4 和點(diǎn) 5 的壓力變化
  圖 6 中的兩點(diǎn)是同一垂直剖面 2 上距離管壁不同距離的兩個(gè)檢測(cè)點(diǎn), 觀察圖 6 可以得出兩點(diǎn)的振蕩頻率一樣,壓力變化幅度相差不大,但距離管壁遠(yuǎn)處壓力的平均值要稍大一些 .

圖 6 　點(diǎn) 2 和點(diǎn) 6 的壓力變化
  圖7 中的兩點(diǎn)是同一垂直剖面 1 上180°相差的軸對(duì)稱的兩個(gè)檢測(cè)點(diǎn), 觀察圖 7 可以得出兩點(diǎn)的振蕩頻率一樣 ,壓力變化幅度一樣,但兩點(diǎn)壓力振蕩波形的相位差正好也為 180°.如果對(duì)這兩點(diǎn)的信號(hào)進(jìn)行差動(dòng)處理可以得到脈動(dòng)周期不變但強(qiáng)度增加 1 倍的脈動(dòng)信號(hào)[ 7].

圖 7 　點(diǎn) 1 和點(diǎn) 7 的壓力變化
  綜上所述, 在旋進(jìn)旋渦流量計(jì)的流通管道中,擴(kuò)張段及其上游 5 mm 處的旋渦脈動(dòng)信號(hào)***強(qiáng).如果采用相位差為 180°的兩個(gè)軸對(duì)稱點(diǎn)進(jìn)行差動(dòng)處理可以使脈動(dòng)信號(hào)增強(qiáng)一倍.

3 .3、改進(jìn)模型與傳統(tǒng)模型的流量與進(jìn)動(dòng)頻率和壓損的關(guān)系：
　旋進(jìn)旋渦流量計(jì)的缺點(diǎn)之一就是它在使用過程中的壓力損失過大, 為了達(dá)到降低壓損的目的,筆者將傳統(tǒng)的旋進(jìn)旋渦發(fā)生前面加上導(dǎo)流片,如圖8 .為了研究傳統(tǒng)模型和改進(jìn)模型的旋渦脈動(dòng)頻率與流量之間的關(guān)系及壓力損失與流量之間的關(guān)系,入口流量范圍取 40 ～ 240 m3/h , 流量每間隔40 m3/h 取一 次(40 m3/h 、80 m3/h 、 120 m3/h 、160 m3/h 、200 m3/h 和 240 m3/h), 觀察旋渦脈動(dòng)頻率的周期和進(jìn)出口壓力的情況.然后,統(tǒng)計(jì)出傳統(tǒng)模型和改進(jìn)模型的旋渦脈動(dòng)頻率與流量之間的關(guān)系及壓力損失與流量之間的關(guān)系,如表1 .值得注意的是,為了準(zhǔn)確捕捉脈動(dòng)周期,在計(jì)算過程中非定常迭代時(shí)間步大小要合理選擇(一定要比脈動(dòng)周期要小得多 ,通常小于 1/10 脈動(dòng)周期).
   圖 9 為傳統(tǒng)模型旋渦脈動(dòng)頻率和壓力損失與流量的關(guān)系圖, 從圖 9 可以看出旋渦脈動(dòng)頻率與流量之間成線性關(guān)系 .壓力損失 ΔP 與流量的平方成正比 .通過***小二乘法對(duì)表 1 的數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合,可以得到以下關(guān)系

圖 8 　改進(jìn)后的旋進(jìn)旋渦流量計(jì)的物理模型

表 1　不同入口流量下兩種模型的仿真頻率和仿真壓損
  f =3 .675 2Q 　ΔP =0 .317 9Q2(8)式(8)中 :f — 旋渦脈動(dòng)頻率;Q— 入口流量.

圖 9　傳統(tǒng)模型脈動(dòng)頻率和壓力損失與流量之間的關(guān)系
  圖 10 為改進(jìn)模型旋渦脈動(dòng)頻率和壓力損失與流量的關(guān)系圖,從圖 10 可以看出旋渦脈動(dòng)頻率與流量之間關(guān)系基本不變 ,但在相同的流量下 ,改進(jìn)模型的壓力損失明顯減少;通過***小二乘法對(duì)表 1 的數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合 ,可以得到以下關(guān)系 :f =3 .701 2 Q 　ΔP =0 .234 7Q2

圖 10　 改進(jìn)模型脈動(dòng)頻率和壓力損失與流量之間的關(guān)系

4、結(jié)語：
  經(jīng)過采用RNG k-ε湍流模型對(duì)旋進(jìn)旋渦流量計(jì)進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算 ,并進(jìn)行結(jié)果分析與處理 ,得到如下結(jié)論:
  1)通過觀察不同檢測(cè)面上各檢測(cè)點(diǎn)的壓力變化情況 ,可以分析出較佳的檢測(cè)面上適宜的檢測(cè)點(diǎn) .就當(dāng)前情況而言,在擴(kuò)張段的中部以及擴(kuò)張段上游 5 mm 處的信號(hào)***強(qiáng) .但是 ,在測(cè)量?jī)x器的安裝方面 ,擴(kuò)張段上游的安裝更加方便 .如果采用相位差為 180°的兩個(gè)軸對(duì)稱點(diǎn)進(jìn)行差動(dòng)處理則可以使脈動(dòng)信號(hào)增強(qiáng)一倍 .
  2)在旋進(jìn)旋渦流量計(jì)前加入導(dǎo)流片可以降低流量的壓力損失, 克服其壓損大的缺點(diǎn).