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大口徑渦街流量計旋渦頻率檢測仿真研究
發布時間:2019-10-30

摘要:通常大口徑管道的流體流速較低,根據渦街流量計原理,其產生的渦街信號頻率和幅值也很低、傳統的懸臂粱式渦街探頭在大口徑管道上應用時,由于其相對管道中軸線的距離更遠,受管道振動的影響更大,無法很好地進行測量采用數值仿真軟件平臺Ansys+Workbench+Fluent對大口徑渦街流量計管道發生體處的流場特性進行了分析根據分析得出的結論結合大口徑管道發生體的機械特性,提出了位于發生體處基于差壓原理的旋渦頻率檢測方案。
  大口徑渦街流量計(指管道直徑超過300mm)主要用于工業管道中天然氣、蒸汽、氮氣、氫氣、空氣等介質的流量計量。例如:“西氣東輸”、“俄氣南下”等工程中需要用到大量的大口徑渦街流垣計進行流量計量。
  國內外對于渦街流量計的研究主要集中在中小口徑,對于大口徑渦街流量計的研究很少。本課題的主要來源是作者所在的課題組在現場調試傳統懸臂式渦街流量計時發現當管道口徑超過250mm時,提取到的渦街信號波形嚴重失真。對懸臂式渦街探進行改進,增加探頭的插入深度,又極易引起共振,帶來更大的干擾信號因此,需要研究新的旋渦頻率檢測方案。
1渦街流量計工作原理
  渦街流量計利用流體振動原理進行流量測量,在特定的流動條件下,流體一部分動能轉化為振動,其振動頻率與流速(流量)有確定的比例關系。基本原理是_2]:在與被測介質流向垂直的方向放置一非流線型旋渦發生體,當流體流過該旋渦發生體時,在發生體阻擋面后方兩側交替地分離釋放出兩列規則的交錯排列的旋渦,稱為馮·卡爾曼渦街,如圖1所示。
渦街流量計示意圖
旋渦脫落頻率f與發生體兩側的平均流速V之間存在如下關系式

  式中,S為斯特勞哈爾系數;d為發生體迎流面的寬度,單化為m。斯特勞哈爾系數在很寬的一段雷諾數范圍內可保持不變。因此測得頻率就能得到流速。
2大口徑管道渦街流場仿真
  ANSYSWorkbench仿真協同平臺是通過對產品研發流程葉1仿真環境的開發與實施,搭建一個集成多學科異構CAE技術的仿真系統,使得整個建模、仿真、分析、前后處理無縫鏈接。
  FLUENT軟件運用CFD軟件群的思想,具有許多優化的理模型。同時采用r多種求解,『法和多重『艤1絡加速收斂技術,以此來達到最佳的收斂精度FLUENT可以很舭的州測到內部流場的變化,通過仿真結果來指物理實驗、
2.1幾何模型的建與網格劃分
  利用ANSYSWorkbench—Geometry和ANSYSWork—bench—Mesh作為FLUENT的前處理模塊,對所研究的流場進行幾何建模和網格劃分。在Geometry中建立大口徑管道二維幾何模型,如圖2和圖3所示。
大口徑渦街流量計管道模型尺寸圖
  旋渦產生于發生體處,故將發生體處的網格細化,選用三角形網格,大小為6mm。’為節省計算資源將前后兩部分的網格設置為四邊形網格,大小為24mm。整個網格劃分4所示。總網格數為139194,網格質量很好。
大口徑渦街流量計網格劃分圖示
2.2FLUENT仿真參數的設
將Mesh中劃分好的網格文件導入FLUENT,進行計算設置FLUENT的仿真參數如下:
1)求解器(solution):基于壓力的二維雙精度瞬態(Transient)求解器。
2)流體:空氣,密度1.225kg/rn3,運動粘度1.7894xl0-5m2/s。
3)邊界條件(Boundarycondition):人口,流速入口(veloci—ty—inlet),根據需要設置不同的流速;出口,壓力出口(pres—sure—outlet),零壓。
4)非穩態計算時間步長(timestepsize):時間步長取決的網格大小ΔX與流速V。一般取時間步長T=ΔX/V,根據波形再作適當的調整
5)湍流模型:RNGK—?模型。
6)監測點:監測參數為渦街靜態壓力(Ve~exAverageStaticPressure),具體位置如圖5所示。差壓傳感器放置位置為將發生體的三角形邊三等分。

2.3仿真數據記錄
  將氣體流速分別設置為5m/s、10m/s、20m/s、30m/s、40m/s。運行100步之后,波形呈現周期性。空氣流量為5m/s時渦街流場的靜壓、速度參數的分布情況如圖6所示。對穩定后的波形作傅里葉變換,如圖7所示。
大口徑渦街流量計壓力波形及FFT處理后的波形圖
表1~表5依次為氣體流速為5m/S、10m/s、20m/s、30m/s、40m/s時不同取壓位置的信號記錄。


2.4數據分析
  從表1~表5中我們可以看出,當取壓位置位于發生體后時,同一流速下,壓力最大的點位于發生體后1.5d處,即P3處;當取壓位置位于發生體處時,同一流速下,壓力變化不大,只有PD3明顯小于PD2和PD1。為了兼顧到渦街信號的穩定性,應盡量將差壓傳感器安裝在離發生體迎流遠的位置,因此取PD2處。不同流速下P3和PD2處的壓力對比,如圖8所示。

由圖8中曲線可知,PD2處的壓力明顯大于P3處,且其值越為4倍關系。
3試驗結論
  大口徑渦街信號發生體的尺寸通常很大,所以其結構為鋼板拼接的中空結構。發生體的沿管道方向的長度較長,足以保證渦街信號穩定形成。且由上面仿真的結論可知PD2處的渦街信號強度為P3處的4倍左右。因此,本文提出了如圖9所示的漩渦頻率檢測裝置。

  進一步的研究還需要制作旋渦發生體實物,在實際的大口徑管道上驗證方案的可行性,測試其抗振動性、重復性等。

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