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

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

1、旋進(jìn)旋渦流量計的工作原理：
  旋進(jìn)旋渦流量計主要由以下幾部分組成:起旋器、文丘里管、消旋器和檢測元件.其結(jié)構(gòu)原理如圖1 .旋進(jìn)旋渦流量計是根據(jù)旋渦進(jìn)動現(xiàn)象為機(jī)理的流量計.流體流入旋進(jìn)旋渦流量計后, 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)收縮段時旋渦加速,沿流動方向渦核直徑逐漸縮小 ,而強(qiáng)度逐漸加強(qiáng).此時渦核與流量計的軸線相一致.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的軸線做螺旋進(jìn)動,進(jìn)動頻率與流體的流速成正比 .因此,測得旋進(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)旋渦流量計的結(jié)構(gòu)原理圖

2、數(shù)理模型和計算方法：
2 .1、流體力學(xué)控制方程和湍流模型：
  旋進(jìn)旋渦流量計的流體動力特性可以用流體力學(xué)基本方程描述如下[ 10-12]:連續(xù)性方程與動量方程:
  式(3)中:p — 靜壓 ;ui — 流動速度 ;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)).因為標(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時, 會出現(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)動和修正后的粘度項體現(xiàn)小尺度的影響, 而使得這些小尺度運(yùn)動有系統(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.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)旋渦流量計的物理模型

3、計算結(jié)果分析：
3 .1、旋渦進(jìn)動效應(yīng)流場演變情況：
  圖 3 為旋渦進(jìn)動效應(yīng)一個周期內(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)旋渦流量計的加速區(qū)內(nèi) ,壓力分布幾乎不隨時間變化 ,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 .這是因為流體被起旋器強(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,流場壓力隨時間作周期性的變化.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針圓周的運(yùn)動.

圖 3 　旋渦進(jìn)動效應(yīng)一個周期內(nèi)的壓力演變過程

3 .2、檢測點的位置對測量的影響：
  當(dāng)流量為160 m3/h 時,取7個檢測點來觀察它的壓力變化情況.7 個檢測點分別是:點 1 位于垂直剖面1(即擴(kuò)張段的中部)上離壁面6 mm處 ,點2位于垂直剖面 2(擴(kuò)張段上游 5 mm)上離壁面 6 mm處,點3 位于垂直剖面5(擴(kuò)張段下游5 mm)上離壁面6 mm 處, 點 4 位于垂直剖面 3(擴(kuò)張段上游 10mm)上離壁面 6 mm 處 , 點 5 位于垂直剖面 4(擴(kuò)張段上游15 mm)上離壁面6 mm 處,點6 位于垂直剖面2 上離壁面10 mm 處,點7 位于垂直剖面 2 上與點1 有 180°相差的軸對稱點.
  圖 4 中的三點分別位于擴(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.而且在上游處檢測點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 處的檢測點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 1 、點 2 和點 3 的壓力變化
  圖5 中的三點分別是位于擴(kuò)張段上游5 mm 、10 mm 和 15 mm 處 .從圖 5 中可以看出三點的振蕩頻率一樣,越靠近擴(kuò)張段的點壓力振蕩幅度越大,而且在這上游的三個點無相位差.

圖 5 　點 2 、點 4 和點 5 的壓力變化
  圖 6 中的兩點是同一垂直剖面 2 上距離管壁不同距離的兩個檢測點, 觀察圖 6 可以得出兩點的振蕩頻率一樣,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 2 和點 6 的壓力變化
  圖7 中的兩點是同一垂直剖面 1 上180°相差的軸對稱的兩個檢測點, 觀察圖 7 可以得出兩點的振蕩頻率一樣 ,壓力變化幅度一樣,但兩點壓力振蕩波形的相位差正好也為 180°.如果對這兩點的信號進(jìn)行差動處理可以得到脈動周期不變但強(qiáng)度增加 1 倍的脈動信號[ 7].

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

3 .3、改進(jìn)模型與傳統(tǒng)模型的流量與進(jìn)動頻率和壓損的關(guān)系：
　旋進(jìn)旋渦流量計的缺點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), 觀察旋渦脈動頻率的周期和進(jìn)出口壓力的情況.然后,統(tǒng)計出傳統(tǒng)模型和改進(jìn)模型的旋渦脈動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)確捕捉脈動周期,在計算過程中非定常迭代時間步大小要合理選擇(一定要比脈動周期要小得多 ,通常小于 1/10 脈動周期).
   圖 9 為傳統(tǒng)模型旋渦脈動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 — 旋渦脈動頻率;Q— 入口流量.

圖 9　傳統(tǒng)模型脈動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湍流模型對旋進(jìn)旋渦流量計進(jìn)行數(shù)值模擬計算 ,并進(jìn)行結(jié)果分析與處理 ,得到如下結(jié)論:
  1)通過觀察不同檢測面上各檢測點的壓力變化情況 ,可以分析出較佳的檢測面上適宜的檢測點 .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***強(qiáng) .但是 ,在測量儀器的安裝方面 ,擴(kuò)張段上游的安裝更加方便 .如果采用相位差為 180°的兩個軸對稱點進(jìn)行差動處理則可以使脈動信號增強(qiáng)一倍 .
  2)在旋進(jìn)旋渦流量計前加入導(dǎo)流片可以降低流量的壓力損失, 克服其壓損大的缺點.