对具有不同形状梯形旋涡发生体的DN100涡街流量计流场进行数值仿真

2016-09-01 by:CAE仿真在线来源:互联网

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DN100涡街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,能够产生最强的涡街信号; 当尾缘夹角角度在40 ~ 70°之间时,信号峰值取压位置最靠近旋涡发生体,信号峰值取压位置在尾缘后部2 倍迎流面宽度处。

Strouhal 和Von Karman 率先研究了钝体旋涡脱落现象。依据Karman 涡街现象,涡街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 首先提出制造涡街流量计的构想,他认为当300 < Re < 2 × 105 时,Sr 在0. 2 左右。

涡街流量计具有高可靠性、低压力损失、宽量程比及结构简单等优点,被广泛应用于管道流量测量。涡街流量计中产生旋涡的部件称为旋涡发生体,涡街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。为了改进涡街流量计性能,众多科研工作者做出大量贡献。

日本在1989 年制定了《涡街流量计工业标准》[1]。在标准的“说明”部分规定了旋涡发生体的几何参数。标准涡街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 线性度最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Grzegorz L[2]对旋涡发生体几何参数和取压位置进行了优化,改进了涡街流量计频率稳定性和线性度。Peng J G等[3]对三角形旋涡发生体几何参数进行了优化,改进了涡街流量计线性度。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° 的旋涡发生体具有最好的线性度。Luo S C 等[4]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。Kahawita R 和Wang P[5]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,涡街信号最强。

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①

涡街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p1为4mm,旋涡发生体尾缘宽度为6mm,旋涡发生体尾缘夹角角度α 为40°。探头距离旋涡发生体尾缘的距离为m1 = 14mm。

根据已有仿真经验,Realizable k-ε 模型和RNG k-ε 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RNG k-ε 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Realizable k-ε 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-ε 模型的仿真结果显示平板能够产生最强的涡街信号,这与已有实流实验结论相悖。Realizable k-ε 模型加入对质点旋转的分析,考虑了粘性力对质点的影响,能够更好地模拟涡街的形成和发展。而RNG k-ε 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,从而得到涡街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Realizable k-ε 模型比RNGk-ε 模型更适合模拟涡街流场的原因。笔者选择Realizable k-ε 模型作为涡街流场仿真模型。

2 仿真研究

对具有不同尾缘夹角旋涡发生体的涡街流场做进一步仿真研究,取α = 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m1 = 14mm 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,峰值取压位置最靠近旋涡发生体,在尾缘后部2d 处能产生最强的涡街信号。

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最强的涡街信号。

以上数值仿真结果显示,在DN100 涡街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,能够产生最强的涡街信号。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DN100涡街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%,最大流速为8. 5m/s,流量范围为0. 04 ~ 800. 00m3 /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,当流体流过涡街流量计时,产生的交变信号被计算机2 采集,通过FFT 处理,最终得到涡街信号频率和幅值。

水流量实验使用的旋涡发生体形状如图8 所示。其中,图8a 是传统涡街流量计使用的旋涡发生体形状,各旋涡发生体形状标号以“_”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. 3_4_28( 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. 0mm 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涡街信号强度数据。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 处信号电压达到最大, 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,可以改变涡街信号峰值取压位置。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; 对涡街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. 1 通过验证仿真实验,说明涡街流场数值仿真的可行性。通过数值仿真研究得到涡街流场数值仿真最佳数学模型; 认为在DN100 涡街流量计中,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,能够产生最强的涡街信号,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Realizable k-ε 仿真数学模型应用于水流量涡街流场模拟的可行性。

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