基于水介質的渦街流量計流場仿真
摘要:利用計算流體力學數(shù)值計算仿真方法,對渦街流量計以水為介質進行了仿真分析,得到一些流場分析結果。 由渦街流量計測量原理可知,只要在流量標準裝置上測得儀表系數(shù)K,就可以得到流量。 1仿真數(shù)學模型與邊界條件 1.1仿真數(shù)學模型 當介質為水時,由雷諾數(shù)可知,在裝置的整個流量范圍內,流量計內部的流動為湍流流動。采用K-ε湍流模型,結合三維不可壓縮黏性流體的N-S方程,建立封閉方程組。 其中湍流動能K的輸運方程和湍流耗散率ε的輸運方程分別為 其中湍流運動黏性系數(shù)ʋt與湍流動能產生項P分別為 式中:u一流體在軸向坐標x的速度;ʋ一流體在徑向坐標r下的速度。 以上4組方程使用CFD仿真軟件進行壓力-速度耦合,用有限體積法進行離散處理,壓力采用砌體力加權離散格式,動量、湍動能與湍動能耗散率均采用二階迎風離散格式。 1.2仿真物理模型 選擇DN50口徑的渦街流量計,利用StarCCM軟件建立渦街流量計幾何模型并劃分網格,渦街流量計發(fā)生體橫截面網格如圖1所示。 為了提高計算效率,渦街發(fā)生體處重點加密,其他區(qū)域適當稀疏。由圖1可知,渦街發(fā)生體所處流場網格均勻加密。通過加密畫法,靠近渦街發(fā)生體的橫截面網格較密,遠離渦街發(fā)生體而靠近管壁的網格較稀疏。 2.2仿真條件設定 目前仿真僅選擇不可壓縮的水為介質,對于不可壓縮流體水密度以實驗室測量結果為依據(jù)。模型選擇RNGk-ε雙方程湍流模型,該模型可以很好地處理高應變率以及流線彎曲程度較大的流體流動,非常適合具有旋渦脫落現(xiàn)象的渦街流場仿真。 2流場仿真分析 影響渦街流量計旋渦頻率的是發(fā)生體兩側的流速U;和發(fā)生體的結構,由于發(fā)生體結構尺寸是固定的,因此頻率只與U相關,需要觀測在相同人口流速U條件下的U變化來得到頻率的變化。而速度的變化必然會導致流體密度的變化,因此可觀測發(fā)生體兩側的密度云圖,從而判斷可壓縮性對渦街流量計流速U,的影響,通過仿真得到不可壓縮流體水的靜壓云圖(見圖2)、不可壓縮流體水的速度云圖(見圖3)。 為判斷是否為充分發(fā)展流動,特測量Y軸方向的力(見圖4、圖5) 由圖4、圖5可知,經過一段時間后流場處于穩(wěn)定狀態(tài)。對圖5中靜壓數(shù)值進行快速傅立葉變換,得到3種介質下的旋渦脫離頻率圖(見圖6)。 通過讀取圖6不可壓縮流體水的旋渦脫落頻率圖最高點的頻率,可得到水旋渦脫落頻率為340Hz。 3結束語 利用軟件實現(xiàn)了渦街流量計在不可壓縮流體水的流場仿真,根據(jù)卡門渦街的產生機理,仿真出渦街流量計在不可壓縮流體水下的頻率值,為下一步進行空氣、蒸汽計量打下了堅實的基礎。
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