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涡街流量计在蒸汽、空气及水三种介质下的仿真
发布日期:2017-5-15 14:32:52
涡街流量计在蒸汽、空气及水三种介质下的仿真
  涡街流量计在蒸汽、空气及水三种介质下的仿真实验,蒸汽作为一种重要的二次清洁能源,在电厂、石油化工、食品、机械加工等工业生产领域和人民的日常生活中占据了越来越重要的地位。为了提高蒸汽的计量水平,研究者开发了标准孔板、喷嘴以及涡街流量计等多种类型的蒸汽仪表,而在众多类型蒸汽仪表中,涡街流量计以其结构简单、测量范围宽、压损小、测量时无可动件等优点在蒸汽计量中得到快速的推广和使用。
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随着计算机技术的飞速发展,采用数值仿真的方法研究流体流场能够实时、直观地观察到流场的变化,对研究流场具有很强的指导意义。近几年来,不少学者利用计算机仿真对涡街流量计特性进行了大量研究,然而受蒸汽高温高压特性和蒸汽实流标定装置的限制,目前还缺乏对涡街流量计在蒸汽介质下的特性研究,本文研究的重点就是利用Fluent软件对涡街流量计进行蒸汽、空气和水三种介质下的仿真研究,并与实验数据进行对比分析,找到不同介质对涡街流量计特性的影响规律。
1 涡街流量计
涡街流量计(又称旋涡流量计)是根据“卡门涡街”原理研制成的流体振荡式流量测量仪表。所谓“卡门涡街”现象就是在测量管道流动的流体中插入一根(或多根)迎流面为非流线型的旋涡发生体,当雷诺数达到一定值时,从旋涡发生体下游两侧交替地分离释放出两串规则的交错排列的旋涡,这种旋涡称为卡门涡街。在一定雷诺数范围内,旋涡的分离频率与旋涡发生体的几何尺寸、管道的几何尺寸有关,旋涡的频率正比于管道流体流量,并可由各种型式的传感器检出,涡街流量计工作原理如图1所示。
U—被测介质来流的平均流速;U1—发生体两侧的平均流速;
d—发生体迎流面的宽度;D—管道直径。
图1 涡街流量计工作原理图
卡门涡街频率计算公式为:
式中:f为旋涡频率;Sr为斯特劳哈尔数;m为旋涡发生体两侧弓形面积与管道横截面面积之比,不可压缩流体中,由于流体密度ρ不变,由连续性方程可得到m=U/U1。
由此可得体积流量qv为:
所以涡街流量计的仪表系数K可表示为:
不同介质对涡街流量计性能的影响最终体现在仪表系数的差异上,所以本文使用Fluent软件建立涡街流量计的几何模型,然后对不同介质下的流场进行仿真分析,并仿真得到不同介质下的仪表系数,最终通过实验验证得到空气和水作为替代介质导致的与蒸汽实流标定得到的仪表系数的差异。
2 仿真模型与条件的设定
2.1 仿真模型
选择DN100口径的涡街流量计进行研究,利用Gambit软件建立涡街流量计几何模型并划分网格,涡街流量计发生体横截面网格如图2所示。
Gx—轴向坐标;Gy—纵坐标;Gz—横坐标。
图2 涡街流量计发生体横截面网格图
为了提高计算效率,涡街发生体处重点加密,其他区域适当的稀疏。从图2可以看出,涡街发生体所处流场网格均匀加密。通过加密画法,靠近涡街发生体的横截面网格较密,远离涡街发生体而靠近管壁的网格较稀疏。
2.2 仿真条件设定
仿真选择三种流体材质,分别为空气和蒸汽两种可压缩流体以及不可压缩的水,在Fluent中空气和蒸汽材质通过设定气体的密度选项来实现。对于不可压缩流体选择的密度为常数;空气介质选择默认密度1.225kg/m3,其密度设定为理想气体,在迭代计算的过程中,根据气体状态方程压强的变化修正流体的密度;蒸汽介质的密度根据IF-97公式,利用UDF编程设置。
仿真模型选择RNGk-ε双方程湍流模型,该模型可以很好地处理高应变率以及流线弯曲程度较大的流体流动,非常适合具有旋涡脱落现象的涡街流场仿真。
3 流场仿真分析
根据公式(1)可知,影响涡街流量计旋涡频率的是发生体两侧的流速U1和发生体的结构,由于发生体结构尺寸是固定的,因此频率只与U1相关,需要观测在相同入口流速U的条件下U1变化来得到频率的变化,而速度的变化必然会导致流体密度的变化,因此可观测发生体两侧的密度云图,来判断可压缩性对涡街流量计流速U1的影响,通过仿真得到如图3(a)所示的不可压缩流体发生体两侧的密度云图和如图3(b)所示的可压缩流体发生体两侧的密度云图。
由图3可以看出,不可压缩流体的密度在仿真过程中没有发生变化,可压缩流体的密度发生了变化,必然会导致两侧速度U1的变化。可压缩流体经过发生体后密度变小会导致U1变大。
根据图3得到的结论,对涡街流量计进行蒸汽、空气和水三种介质下的软件仿真,设置三种介质的入口流速均为50m/s,取涡街发生体迎流面侧棱中点与管壁连线,如图2中线段ab所示。取该线上的速度值,将蒸汽、空气和水三种介质下的速度曲线进行比较,结果如图4所示。
从图4中可以看出,在靠近涡街发生体的位置,可压缩流体流速明显大于不可压缩流体流速,且空气的流速要大于蒸汽介质的流速。因此空气介质受气体可压缩性的影响较大。
涡街流量计的计量性能最终反映到仪表系数上,涡街流量计两侧的旋涡频率决定了仪表系数的大小,图5为仿真得到的涡街流量计涡流流场静压云图。从图中可以看出两个明显的脱落旋涡。图中A区域静压大,B区域静压小。静压最小的位置是C处,也就是脱落旋涡的涡心位置。检测涡街发生体下游1D处的静压变化得到如图6所示的静压变化图。
对图6中静压数值进行快速傅立叶变换,得到如图7所示的三种介质下的旋涡脱落频率图。
通过读取图7三种介质旋涡脱落频率图最高点的频率,可以得到空气介质的旋涡脱落频率为1595Hz,蒸汽介质的旋涡脱落频率为1579Hz,水介质的旋涡脱落频率为1559Hz。代入公式(1)可以发现,涡街流量计在相同管道直径相同入口速度的情况下在水介质中得到的仪表系数最小、蒸汽次之、空气最大。说明空气受气体介质的可压缩性影响大,在发生体两侧的密度变化率较蒸汽要大。
4 实验验证
为验证仿真分析得到的结论,利用负压法音速喷嘴气体流量计量标准装置、蒸汽实流计量标准装置和水流量计量标准装置对该结构类型的涡街流量计进行三种介质的实验研究,各测试条件参数如表1所示。
由图8可看出,在实验过程中,空气与水的仪表系数与仿真分析基本相符,但蒸汽介质的仪表系数要小,这主要是因为蒸汽介质的高温使发生体的几何尺寸发生变化导致的仪表系数的改变。
根据经验公式(4):
式中:Kt为温度为t时的仪表系数;K20为20℃时的仪表系数;α为线膨胀系数。
由公式(4)可以知道随着温度的升高,仪表系数会减小,因此就出现了图8所示实验数据与图7仿真频率计算出的仪表系数的微小差异。
利用Fluent软件实现了涡街流量计在不同介质下的流场仿真,根据卡门涡街的产生机理,对比分析了空气、蒸汽和水三种不同介质条件下的流场,仿真结果表明随着可压缩性的增强,涡街流量计的仪表系数随之变大,因此在涡街流量计的首次或者后续检定中尽量采用与工况相同的介质进行标定。