ZNLUGB渦街流量計(jì)流場特性的數(shù)值仿真研究
ZNLUGB渦街流量計(jì)流場特性的數(shù)值仿真研究 引言 本文從描述旋渦運(yùn)動(dòng)的流體力學(xué)基本方程出發(fā),以CFD軟件FLUENT為平臺對ZNGB渦街流量計(jì)的流場進(jìn)行數(shù)值仿真,并將仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)比較,結(jié)果表明:數(shù)值仿真結(jié)果與實(shí)際流動(dòng)狀況具有很好的一致性. 1 仿真模型 1.1 控制方程組 流體在ZNGB渦街流量計(jì)管道中的流動(dòng)為時(shí)變渦流.綜合考慮仿真精度和計(jì)算成本,作者采用基于Reynolds Averaged Navier-Stokes(RANS)方法的Renormalitation Group(RNG)k -ε模型[9-11]. 雷諾平均Navier-Stokes(N-S)方程組為 (2) (3) 為使以上方程組封閉,引入雷諾應(yīng)力公式: (4) 式中:μ為流體動(dòng)力粘度;μt為流體湍動(dòng)粘度;δij為Kroneck符號;k為湍流動(dòng)能. RNG k -ε方程組為 (5) (6) 式中:Gk為湍流動(dòng)能生成項(xiàng);Gb為湍流動(dòng)能擴(kuò)散項(xiàng);YM為湍流動(dòng)能耗散項(xiàng);αk,αε為k,ε的逆有效普朗特?cái)?shù);Sk,Sε為自定義源項(xiàng). 有效粘度公式為 (7) 式中: 當(dāng)雷諾數(shù)較大時(shí),式(6)可化簡為 (8) 式中:Cμ=0.0845. Rε項(xiàng)計(jì)算式為 (9) 式中:η=Sk/ε. 以上各計(jì)算式中的常數(shù)取值分別為C1ε=1.42,C2ε=1.68,Cμ=0.0845,αk=αε≈1.393,Cv≈100,η0=4.38,β=0.012. 1.2 物性參數(shù) 仿真流體采用空氣,溫度為室溫(293K),壓力為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓(101325Pa),其物性參數(shù)如下:密度ρ=1.225kg/m3,動(dòng)力粘度μ=1.7894×10-5kg/(m·s). 2 實(shí)驗(yàn)裝置 實(shí)驗(yàn)采用口徑為50mm的氣體渦街流量檢測裝置,旋渦發(fā)生體截面為等邊三角形,迎流面寬度為14mm.標(biāo)準(zhǔn)裝置采用鐘罩式氣體流量裝置.旋渦頻率信號通過嵌入在旋渦發(fā)生體內(nèi)的壓電晶體元件檢測,經(jīng)信號放大后利用Tektronix TDS 430A雙通道數(shù)字示波器記錄采樣信號.ZNGB渦街流量計(jì)標(biāo)定精度為0.5級.實(shí)驗(yàn)條件與仿真定義的條件相同. ZNGB渦街流量計(jì)是基于流體振蕩原理的一種新型流量測量儀表,具有其他許多流量儀表無法同時(shí)具備的優(yōu)點(diǎn)[1,2],因而發(fā)展迅速,應(yīng)用日趨廣泛.測量原理如圖1所示,管道中垂直插入一非流線型對稱形狀的旋渦發(fā)生體(bluff body),當(dāng)流體繞過發(fā)生體時(shí),在發(fā)生體兩側(cè)會交替產(chǎn)生規(guī)則的旋渦,頻率為fo經(jīng)過推導(dǎo),流體的體積流量qv與旋渦頻率f符合以下公式[3]: qv=f/K (1) 式中:K為流量計(jì)的流量系數(shù).在一定雷諾數(shù)范圍內(nèi)K為常數(shù),所以流量qv與旋渦頻率f具有線性關(guān)系.只要測出f,就能求得體積流量qvo所以,旋渦頻率f的檢測是ZNGB渦街流量計(jì)的關(guān)鍵.目前,f常用安裝在管壁或旋渦發(fā)生體內(nèi)的傳感器來測量[4-6]. 由于旋渦發(fā)生體的阻流作用,管道中的流場變得非常復(fù)雜,難以解析地求得流場分布情況,所以至今人們對旋渦發(fā)生體后旋渦的形成和脫落的認(rèn)識仍然幾乎全部依賴于經(jīng)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)[7].這對于優(yōu)化現(xiàn)有ZNGB渦街流量計(jì)的結(jié)構(gòu)以及設(shè)計(jì)新型渦街傳感器都十分不利. 數(shù)值仿真方法求解問題的基本思想是:把原來在空間與時(shí)間坐標(biāo)中連續(xù)的物理量的場(如速度、溫度、濃度等),用一系列有限個(gè)離散點(diǎn)(稱為節(jié)點(diǎn))上的值的集合來替代,通過一定的原則建立起這些離散點(diǎn)上變量值之間關(guān)系的代數(shù)方程(稱為離散方程),求解所建立起來的代數(shù)方程以獲得所求解變量的近似值[8].數(shù)值仿真方法具有成本較低和能模擬較復(fù)雜或較理想的過程等優(yōu)點(diǎn).經(jīng)過一定考核的數(shù)值仿真軟件可以拓寬實(shí)驗(yàn)研究的范圍,減少成本昂貴的實(shí)驗(yàn)工作量.在給定的參數(shù)下用計(jì)算機(jī)對現(xiàn)象進(jìn)行一次數(shù)值仿真相當(dāng)于進(jìn)行一次數(shù)值實(shí)驗(yàn),歷也曾有過首先由數(shù)值仿真發(fā)現(xiàn)新現(xiàn)象而后由實(shí)驗(yàn)予以證實(shí)的例子.計(jì)算機(jī)出現(xiàn)后,特別是在最近20年中,數(shù)值仿真得到了飛速的發(fā)展,出現(xiàn)了FLUENT,PHOENICS和CFX等多種用于流動(dòng)數(shù)值仿真的通用軟件.其中,FLUENT軟件版本采用基于非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的有限體積法,能夠生成不連續(xù)網(wǎng)格,并支持變形網(wǎng)格和滑動(dòng)網(wǎng)格,物理模型豐富,求解速度快,因而應(yīng)用范圍廣泛. 3 結(jié)果與討論 3.1 仿真過程 數(shù)值仿真使用的CFD分析軟件FLU-ENT6.0,以及前處理網(wǎng)格生成軟件GAMBIT2.0,基本過程如圖2所示. 在仿真中,置有ZNGB渦街流量計(jì)的管道被簡化為具有圓形進(jìn)出口邊界的軸對稱三維幾何模型.圖3所示為z=0截面(z軸方向垂直紙面向外)管道和發(fā)生體的二維示意圖,發(fā)生體位于x=100mm處.為了真實(shí)地模擬實(shí)際流動(dòng)狀況,采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格.計(jì)算采用RNG k - ε雷諾平均模型.仿真流體定義為空氣.環(huán)境壓力定義為大氣壓,即101325Pa;管道進(jìn)口定義為沿管道軸向均勻速度入口,其它方向的速度為0,出口定義為壓力出口.不同流速的流動(dòng)情況通過改變?nèi)肟谒俣葀in來模擬.各求解變量收斂標(biāo)準(zhǔn)均為殘差值小于0.001.為了,使得每個(gè)周期內(nèi)取樣點(diǎn)的數(shù)目不小于10,時(shí)間步長隨入口速度的不同而相應(yīng)改變. 3.2 渦街壓力信號與取壓位置 根據(jù)ZNGB渦街流量計(jì)的基本原理,作者認(rèn)為在管壁上開孔安裝壓力傳感器,通過檢測尾流中壓力(或差壓)周期變化的頻率來檢測旋渦脫落頻率f是一種可行的、操作簡便的方法.但是,關(guān)于如何選取取壓孔位置的研究還很少見.通過分析比較管壁附近靜壓特性的數(shù)值仿真值為確定渦街壓力信號取壓位置提供了依據(jù). 圖6所示為z=0,y=-20mm直線上不同x處的靜壓值(坐標(biāo)系的定義見圖3).從圖中可以看出,各處的頻率f穩(wěn)定且相等,但是幅值變化較大.在距發(fā)生體迎流面較近處(如圖6中x=110,125mm),靜壓波動(dòng)的幅值較小;當(dāng)距發(fā)生體迎流面的距離介于管徑的1~1.5倍之間時(shí)(如圖6中x=150,175mm),靜壓波動(dòng)的幅值大且均勻穩(wěn)定;當(dāng)距發(fā)生體迎流面的距離大于管徑的2倍即x>200mm時(shí)(如圖6中x=215mm),靜壓的波動(dòng)變得非常微弱. 3.3 仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較 在入口速度為5~30m/s的范圍內(nèi)進(jìn)行一系列的仿真計(jì)算,圖4所示為渦街脫落頻率實(shí)驗(yàn)值與仿真值的比較.從圖中可以看出仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果非常吻合,其誤差小于10%,證明了數(shù)值仿真方法用于ZNGB渦街流量計(jì)流場研究的可行性和正確性. 對于不同的入口速度vin,管道內(nèi)旋渦脫落、壓力場以及速度場的分布情況相似,區(qū)別僅在于旋渦脫落頻率f及振幅不同,以下以vin=30m/s為例進(jìn)行具體分析. 圖5所示為某一時(shí)刻旋渦脫落的數(shù)值仿真結(jié)果.圖中定性的給出了流場分布,其中白色三角形為旋渦發(fā)生體,黑白兩種顏色表示旋渦的渦量方向相反.可以看出,發(fā)生體尾流中的旋渦在發(fā)生體的兩側(cè)有規(guī)律地交替形成和脫落,旋轉(zhuǎn)方向相反,并且隨著x的增加旋渦強(qiáng)度逐漸強(qiáng)弱. 根據(jù)這一研究結(jié)果,可以確定取壓的位置在發(fā)生體下游距發(fā)生體迎流面的距離等于管徑1~1.5倍的區(qū)間,在該區(qū)間內(nèi)測得的旋渦信號強(qiáng)且穩(wěn)定.在該區(qū)間之外由于信號都較微弱,給檢測帶來了困難,需要用高精度的儀表和信號處理裝置,增加了檢測的費(fèi)用. 4 結(jié)束語 由于旋渦產(chǎn)生和脫落機(jī)理的復(fù)雜性,迄今為止對ZNGB渦街流量計(jì)流場的認(rèn)識幾乎全部依賴經(jīng)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn).介紹應(yīng)用FLUENT6.0計(jì)算軟件,對DN50ZNGB渦街流量計(jì)流場進(jìn)行了數(shù)值仿真,就旋渦發(fā)生體的旋渦脫落頻率與實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行了比對.結(jié)果表明,數(shù)值計(jì)算結(jié)果與實(shí)測結(jié)果具有很好的一致性.提出了可以根據(jù)數(shù)值仿真來優(yōu)化設(shè)計(jì)ZNGB渦街流量計(jì)結(jié)構(gòu)及選取取壓位置的結(jié)論. 本文根據(jù)旋渦運(yùn)動(dòng)的流體力學(xué)基本方程,以的CFD分析軟件FLUENT為平臺,對典型的ZNGB渦街流量計(jì)流場進(jìn)行數(shù)值仿真研究.實(shí)驗(yàn)研究表明,數(shù)值仿真結(jié)果與實(shí)際流動(dòng)狀況具有很好的一致性.該方法具有成本較低和能模擬較復(fù)雜或較理想的過程等優(yōu)點(diǎn),具有很好的實(shí)用價(jià)值.根據(jù)數(shù)值仿真結(jié)果,本文提出了采用檢測旋渦發(fā)生體后壓力的交變信號來檢測渦街頻率的采樣位置.這一研究結(jié)果為采用數(shù)值仿真方法優(yōu)化現(xiàn)有ZNGB渦街流量計(jì)結(jié)構(gòu)乃至設(shè)計(jì)新型渦街傳感器提供了依據(jù).推薦產(chǎn)品.電磁流量計(jì),壓力變送器,孔板流量計(jì),V錐型流量計(jì),超聲波流量計(jì),渦街流量計(jì),渦輪流量計(jì),熱電偶.
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