浅谈气体与水遇到涡街流量计

　　作为重要的二次清洁能源，蒸汽在电厂，石油化工，食品，机械加工和人们日常生活等工业生产领域占有越来越重要的地位。为了提高蒸汽的测量水平，研究人员开发了各种类型的蒸汽流量计，如标准孔板，喷嘴和涡街流量计。在众多类型的蒸汽流量计中，涡街流量计结构简单，测量范围广泛。测量过程中压力损失小，无运动部件的优点迅速推广并用于蒸汽计量。

1、涡街流量计

　　涡街流量计（也称为涡街流量计）是一种基于“假面涡街”原理的流体振荡流量计。所谓的“卡门涡街”现象是在流经测量管道的流体中插入一个（或多个）具有非流线型表面的涡流发生器。当雷诺数达到一定值时，它从涡流发生器的下游侧交替。地面分离释放称为卡门涡街的两串规则交错涡流。在一定的雷诺数范围内，涡旋的分离频率与涡旋发生器的几何形状和管道的几何形状有关。涡流的频率与管道流体的流量成比例，并且可以通过各种类型的传感器来检测，并且涡流仪表的工作原理如图1所示。

涡街流量计工作原理图

卡曼涡街街道频率公式是：

　　其中：f是涡旋频率; Sr是斯特劳哈尔数; m是涡流发生体两侧的拱形区域与管道横截面积的比值;在不可压缩流体中，流体密度ρ是恒定的，从连续性方程可用m = U / U1。

　　不同介质对涡街流量计性能的影响最终体现在流量计系数的差异上。因此，利用Fluent软件建立涡街流量计的几何模型，对不同介质下的流场进行了仿真和模拟，并对不同的介质进行了仿真。在仪器系数下，空气和水作为替代介质的最终验证会导致通过实时校准蒸汽获得的仪表系统的差异。

2、仿真模型和条件设置

2.1、仿真模型

　　选择DN100口径涡街流量计进行研究。 Gambit软件用于创建涡街流量计几何模型并划分网格。涡街流量计的主体横截面网格如图2所示。

涡街流量计本体横截面网格

　　为了提高计算效率，涡街主要是加密的，其他地区适当稀疏。从图2可以看出，身体所在的涡街被统一加密。通过密码方法，涡流产生体的横截面网格更密集，并且涡旋街道附近的网格更靠近管壁。

2. 2、模拟条件设定

　　模拟选择了三种流体材料：空气和蒸汽，两种可压缩流体和不可压缩水。在Fluent中，空气和蒸汽材料通过设置气体密度选项来实现。为不可压缩流体选择的密度是常数;空气介质的默认密度为1.225 kg / m3，密度设置为理想气体。在迭代计算过程中，根据气体状态方程的压力变化校正流体的密度;蒸汽介质的密度基于IF-97公式，使用UDF编程设置。

　　仿真模型选择RNG k - ε两方程湍流模型。该模型可以很好地处理高应变率和大流线弯曲的流体流动，非常适合具有涡旋脱落现象的涡流场模拟[8]。

3、流场模拟分析

　　根据公式（1）可以看出，涡街流量计的涡旋频率受流速U1和发生体两侧的发电体结构的影响。由于车身结构尺寸固定，频率只与U1有关，需要在相同的入口流速U U1下进行观察才能得到频率的变化，而车速的变化必然会导致流体密度的变化。因此，可以观察到发生器两侧的密度云图，以判断压缩性对涡街流量计流速U1的影响。图3（a）显示了不可压缩流体发生器两侧的密度图和图3（b）所示的可压缩流体发生器两侧的密度图。

　　从图3可以看出，模拟过程中不可压缩流体的密度不变，可压缩流体的密度发生变化，这不可避免地导致两侧速度U1的变化。当可压缩流体穿过身体时，密度变小并且U1变大。

　　根据图3中得出的结论，涡旋流量计通过软件在三种介质中模拟：蒸汽，空气和水。三种介质的入口速度设定为50m / s，并使用涡街发生器。流入面的中线连接到管壁，如图2中的线ab所示。获取线上的速度值并比较蒸汽，空气和水的速度曲线。结果如图4所示。

　　从图4可以看出，在靠近涡流发生器的位置处，可压缩流体流速明显大于不可压缩流体流速，且空气流速大于蒸汽介质流速。因此，空气介质受气体压缩性影响很大。

　　涡街流量计的计量性能最终反映在仪表系数上。涡街流量计两边的涡旋频率决定了仪表系数的大小。图5显示了通过模拟获得的涡街流量计的涡街流场静压云图。从图中可以看到两个截然不同的脱落涡。在图中，区域A的静压大，区域B的静压小。静压最小的位置是C，这是涡旋涡的位置。涡流发生器主体下游1D处的静压的检测结果如图6所示为静压变化图。

　　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

　　在该点频率下，空气介质的涡旋脱落频率为1 595 Hz，蒸汽介质的涡旋脱落频率为1 579 Hz，水介质涡旋脱落频率为1 559 Hz。代替公式（1），可以发现涡街流量计具有最小的流量计系数，第二高的蒸汽流量，以及相同介质中具有相同管道直径和入口速度的最大空气。它表明空气受气体介质压缩性的影响很大，发电体两侧的密度变化率大于蒸汽的密度变化率。

4、实验验证

　　为了验证模拟分析的结论，使用三种类型的介质，使用负压声波喷嘴气体流量测量标准装置，蒸气流量测量标准装置和水流量测量标准装置来研究这种结构的涡街流量计。测试条件参数如表1所示。

　　在上述实验条件下，获得了三种标准计量装置的计量系数。实验结果如图8所示。

　　DN100涡街流量计在空气，水，

　　从图8可以看出，在实验过程中，空气和水表的系数和模拟分析基本上是一致的，但蒸汽介质的计量系数很小，主要是因为蒸汽介质的高温改变了由发电机几何形状的变化引起的仪表系数。

　　基于经验公式（4）：

　　从等式（4）可知，随着温度的升高，仪表系数减小，因此示出了图8所示的实验数据与图7中计算的仪表系数之间的微小差异。

5、结论

　　利用Fluent软件，实现了不同介质中涡街流量计的流场模拟。根据卡门涡街的生产机理，对空气，蒸汽和水条件下的流场进行了比较分析。仿真结果表明，随着可压缩性的增加，涡街流量计的流量系数变大。因此，在涡旋流量计的第一次或后续验证中，应使用与工作条件相同的介质进行校准。