目前對于渦街流量計的***佳取壓位置研究主要集中在二維流場 ，但這不能更生動準確的反映出三維流場特性。采用 Ａｎｓｙｓ＋Ｗｏｒｋｂｅｎｃｈ＋ＦＬＵＥＮＴ 數值仿真軟件平臺，根據渦街流量計的物理結構尺寸建立仿真模型。并將仿真模型進行網格劃分，從而對求解域進行離散，再通過 Ｎ－Ｓ方程進行求解計算，將仿真得到的卡門渦街脫落頻率與實驗結果比較，得出兩者之間的***大誤差不超過５．８％，數據表明可以利用ＦＬＵＥＮＴ軟件對渦街流量計進行數值仿真。***后利用ＦＬＵＥＮＴ軟件，在不同流速下，通過設置多個檢測點，對各點信號強度和頻譜分布進行比較分析，得出目前***常用的三角柱旋渦發(fā)生體的***佳取壓位置位于管道中軸線，距離發(fā)生體尾部１．４ｄ（ｄ 為旋渦發(fā)生體截流面的寬度）的位置處。

1.引言

計算流體力學于1993年初次應用于二維黏性流體偏微分方程。CFD作為一門相對新興的技術，對實驗研究和理論分析方面有舉足輕重的作用。它的基本原理是用有限個離散點的變量值的集合來替換原先在時間域或空間域上連續(xù)物理量的場，這些離散點上的場變量存在一定關系，根據一定的原則建立代數方程組，便可求出方程組場變量近似值。

ＦＬＵＥＮＴ軟件運用ＣＦＤ軟件群的思想，具有許多優(yōu)化的物理模型，廣泛應用于流體力學研究中。ＦＬＵＥＮＴ以很直觀的觀察到流場的實時變化，通過仿真結果來指導物理實驗，再由實驗結果優(yōu)化傳感器結構，提升開發(fā)效率。

目前關于渦街流量計柱體繞流的數值模擬研究，主要集中在二維平面  而在三維特性的數值研究中相對較少。通過對二維渦街流場中的壓力場進行數值仿真研究，解釋了信號強度隨檢測位置變化的原因。通過非定常ＲＮＧｋ－ε模型對圓柱繞流、方柱繞流和繞立方柱流動進行了仿真研究，得出鈍體繞流的非定常流動能夠采用非定常雷諾平均法進行研究，且實驗結果優(yōu)于定常模擬方法的結果。通過對圓柱發(fā)生體流場進行數值仿真實驗，揭示了影響探頭位置的各種因素以及發(fā)生體下游尾跡區(qū)域對渦形成以及脫落的影響。通過對二維單圓柱繞流進行數值模擬研究分析，得出圓柱繞流的流動與Ｒｅ數的大小有關，

本文選取了應力式渦街流量計進行研究，它提取渦街頻率的原理是通過信號處理單元提取渦街流量計旋渦發(fā)生體上的壓電敏感元件產生的電信號，從而依據流體流量與渦街頻率的關系得出被測流量。在以往的渦街流量計設計中，一直將研究重點放在真實流場分析中，即軟硬件的設計上。由于在現場管道環(huán)境下進行測試實驗時，需要重復更換口徑、調節(jié)流量，操作起來費時費力。所以欲采用渦街流場數值分析的方法對傳感器內部流場的變化進行研究，通過仿真結果來指導物理實驗，并根據物理實驗結果進一步完善傳感器結構。。

***后通過ＦＬＵＥＮＴ軟件建立三維模型對渦街流量計流場進行仿真 再和氣體流量裝置上的實驗數據進行對比驗證 研究表明渦街流量計傳感器的研究采用ＦＬＵＥＮＴ數值仿真是有效的。并通過設置多個檢測點，在不同流速下對其進行取壓，***終得出三角柱旋渦發(fā)生體的***佳取壓位置在距離發(fā)生體尾部１．４ｄｄ（ 為旋渦發(fā)生體截流面的寬度）處的管道中軸線處。

2.渦街流量計原理

渦街流量計利用流體振動進行流量測量，基本原理是將非流線型旋渦發(fā)生體放置在和被測介質流向垂直的方向，當該發(fā)生體有流體流過時，在發(fā)生體后方兩側交替地分離釋放出兩列規(guī)則的交錯排列的旋渦，即為卡門渦街，如圖１所示。

旋渦脫落頻率f與發(fā)生體兩側平均流速V1之間存在如下關系：

F=Ｓｔｖ１/ｄ                          (1)

式中：Ｓｔ為斯特勞哈爾數；d為旋渦發(fā)生體寬度。

3.渦街流場模擬的可行性

3.1幾何模型的建立和網格劃分

本 文 提 出 利 用ＡＮＳＹＳ Ｗｏｒｋｂｅｎｃｈ－Ｇｅｏｍｅｔｒｙ和ＡＮＳＹＳＷｏｒｋｂｅｎｃｈ－Ｍｅｓｈ作為ＦＬＵＥＮＴ 的前處理，并將導出的網格文件直接導入ＦＬＵＥＮＴ 中進行計算。

圖２是在Ｇｅｏｍｅｔｒｙ中建立的三維幾何模型，管道口徑D為50mm;管道長L為1000mm;旋渦發(fā)生體截流面寬度ｄ為１４ｍｍ.

通過ＡＮＳＹＳＷｏｒｋｂｅｎｃｈ－Ｍｅｓｈ對幾何模型劃分網格,并將發(fā)生體周圍網格細劃，如圖３所示。然而在旋渦發(fā)生體壁面附近薄層中的黏性力作用下，順著壁面法線方向存在較大的速度梯度，因此在網格劃分中設置邊界層，網格劃分所采用的網格單元為ＱｕａｄＴｒｉ／ ，即掃掠網格區(qū)域中只包含四邊形和三角形單元。

3.2仿真參數的設置

3.3仿真結果與實驗結果的誤差分析

渦街流量計通過壓電晶體檢測發(fā)生體后的壓力變化，得到旋渦脫落頻率。在 ＦＬＵＥＮＴ 后處理軟件 ＣＦＤ－Ｐｏｓｔ中，以相同的原理對渦街流量計進行流場仿真。在旋渦發(fā)生體后設置一個檢測點（圖4十字形標記位置），然后記錄該點所受靜壓力的變化趨勢，從而得出旋渦脫落的頻率，***后將此結果與實驗結果相比較。

由圖５（ａ）可以看出該點所受靜壓力以一定的時間周期變化，因此可以采用傅里葉變換，得到渦街的脫落頻率，如圖５（ｂ）所示。為了與仿真結果進行比較，設置實驗條件與仿真條件基本一致。在管徑為 ５０ｍｍ，流體介質為空氣，旋渦發(fā)生體為三角柱形的壓電式渦街流量裝置上進行了實驗。比較仿真數據與實驗數據，得出***大誤差為５．８％（此誤差是由實驗中發(fā)生體尺寸不或是發(fā)生體插入位置有偏差引起），如表１所示。

4.***佳取壓位置的仿真結果

基于前文對ＦＬＵＥＮＴ 三維流場仿真的可行性研究，本節(jié)應用ＦＬＵＥＮＴ對渦街流量計檢測點的***佳取壓位置進行了研究。

在距旋渦發(fā)生體尾部，第１步：以 Ｘ 軸方向０．１Ｄ（Ｄ為管道直徑）為步長從管壁至管道軸線位置生成縱向點；第２步：以Ｙ 軸方向０．７ｄ（ｄ 為旋渦發(fā)生體截流面的寬度）為步長重復步驟一。***終生成４０個檢測點（見圖６），并觀察這些點上的旋渦信號強度。***后通過數值仿真，將記錄的每個檢測點的壓力變化的時域信號進行傅里葉變換，得到了在７ｍ／ｓ、４０ｍ／ｓ和７０ｍ／ｓ流速下不同檢測點的信號強度，如表２～４所示。

將表２的數據繪制成圖７。圖７可以直觀的反應出各個位置上的信號強度變化。由圖７可以看出，信號強度會隨著取壓位置的不同而不同。當插入深度相同（如０．１Ｄ 時），距離發(fā)生體尾部不同橫向距離的信號強度近似于正態(tài)分布，其中在１．４ｄ的時候達到了峰值，原因是旋渦脫落要經歷一個成長－強壯－衰減的過程；當距離尾部的橫向距離保持不變（如０．７ｄ時），增加插入深度，發(fā)生體尾部的信號強度逐漸增強，其中在管道中軸線位置信號強度***強。

通過對比表２～４中不同流速下的仿真實驗數據，得出結論：

１）渦街的信號強度與流速成正比，所以隨著流速的增加，旋渦脫落頻率信號強度會顯著增加。

２）壓電探頭在逐漸遠離旋渦發(fā)生體的過程中，渦街信號幅值先逐漸變大，然后又逐漸變小，并且隨著流速的增大，這種趨勢越來越明顯。

５.結 論

本文通過模擬渦街流量計三角柱繞流現象，研究其對附近流場的影響，并將仿真結果與實驗結果進行誤差分析，可以得出仿真結果與實驗結果十分相近，驗證了ＦＬＵＥＮＴ數值仿真用于渦街流量計的三維流場是可行的。在渦街流場的仿真中，通過在ＦＬＵＥＮＴ 中設置不同檢測點并將結果進行計算處理，對比分析不同流速下各個取壓位置的信號強度，找到了渦街流量計的***佳取壓位置，并且對計算的結果有了更深層次的了解。這對以后的實驗起到指導性意義。

進一步的研究可以在以下方面展開：修改旋渦發(fā)生體的形狀、尺寸；修改數值模擬方法；修改介質條件。