大口径涡街流量计旋涡频率检测仿真的研究

大口径涡街流量计旋涡频率检测仿真的研究，通常大口径管道的流体流速较低, 根据涡街流量计原理, 其产生的涡街信号频率和幅值也很低，传统的悬臂梁式涡街探头在大口径管道上应用时, 由于其相对管道中轴线的距离更远, 受管道振动的影响更大, 无法很好地进行测量。采用数值仿真软件平台Ansys+Workbench+Fluent对大口径管道涡街发生体处的流场特性进行了分析。根据分析得出的结论结合大口径管道发生体的机械特性, 提出了位于发生体处基于差压原理的旋涡频率检测方案。大口径 (指管道直径超过300mm) 涡街流量计主要用于工业管道中天然气、蒸汽、氮气、氢气、空气等介质的流量计量。例如:“西气东输”、“俄气南下”等工程中需要用到大量的大口径涡街流量计进行流量计量。

涡街流量计利用流体振动原理进行流量测量, 在特定的流动条件下, 流体一部分动能转化为振动, 其振动频率与流速 (流量) 有确定的比例关系。基本原理是[2]:在与被测介质流向垂直的方向放置一非流线型旋涡发生体, 当流体流过该旋涡发生体时, 在发生体阻挡面后方两侧交替地分离释放出两列规则的交错排列的旋涡, 称为冯·卡尔曼涡街, 如图1所示。

旋涡脱落频率f与发生体两侧的平均流速v之间存在如下关系式:

式中, St为斯特劳哈尔系数;d为发生体迎流面的宽度, 单位为m。斯特劳哈尔系数在很宽的一段雷诺数范围内可保持不变[3]。因此测得频率就能得到流速。

ANSYS Workbench仿真协同平台是通过对产品研发流程中仿真环境的开发与实施, 搭建一个集成多学科异构CAE技术的仿真系统, 使得整个建模、仿真、分析、前后处理无缝链接[4]。

FLUENT软件运用CFD软件群的思想, 具有许多优化的物理模型。同时采用了多种求解方法和多重网络加速收敛技术, 以此来达到佳的收敛精度。FLUENT可以很直观的观测到内部流场的变化, 通过仿真结果来指导物理实验。

利用ANSYS Workbench-Geometry和ANSYS Workbench-Mesh作为FLUENT的前处理模块, 对所研究的流场进行几何建模和网格划分。在Geometry中建立大口径管道二维几何模型, 如图2和图3所示。

旋涡产生于发生体处, 故将发生体处的网格细化, 选用三角形网格, 大小为6mm。为了节省计算资源将前后两部分的网格设置为四边形网格, 大小为24mm。整个网格划分如图4所示。总网格数为139194, 网格质量很好。

将Mesh中划分好的网格文件导入FLUENT中进行计算。设置FLUENT的仿真参数如下[5]:

1) 求解器 (solution) :基于压力的二维双精度瞬态 (Transient) 求解器。

2) 流体:空气, 密度1.225kg/m, 运动粘度1.7894×10m/s。

3) 边界条件 (Boundary condition) :入口, 流速入口 (velocity-inlet) , 根据需要设置不同的流速;出口, 压力出口 (pressure-outlet) , 零压[6]。

4) 非稳态计算时间步长 (time step size) :时间步长取决的网格大小△X与流速V。一般取时间步长, 根据波形再作适当的调整[7]。

5) 湍流模型:RNG K-ε模型[8]。

6) 监测点:监测参数为涡街静态压力 (Vertex Average Static Pressure) , 具体位置如图5所示。差压传感器放置位置为将发生体的三角形边三等分[9]。

将气体流速分别设置为5m/s、10m/s、20m/s、30m/s、40m/s。运行100步之后, 波形呈现周期性。空气流量为5m/s时涡街流场的静压、速度参数的分布情况如图6所示。对稳定后的波形作傅里叶变换, 如图7所示。

图6 涡街流场的静压分布和速度分布 下载原图

表1~表5依次为气体流速为5m/s、10m/s、20m/s、30m/s、40m/s时不同取压位置的信号记录。

从表1~表5中我们可以看出, 当取压位置位于发生体后时, 同流速下, 压力大的点位于发生体后1.5d处, 即P3处;当取压位置位于发生体处时, 同流速下, 压力变化不大, 只有PD3明显小于PD2和PD1。为了兼顾到涡街信号的稳定性, 应尽量将差压传感器安装在离发生体迎流面远的位置, 因此取PD2处。不同流速下P3和PD2处的压力对比, 如图8所示。

由图8中曲线可知, PD2处的压力明显大于P3处, 且其值约为4倍关系。

大口径涡街信号发生体的尺寸通常很大, 所以其结构为钢板拼接的中空结构。发生体的沿管道方向的长度较长, 足以保证涡街信号稳定形成。且由上面仿真的结论可知PD2处的涡街信号强度为P3处的4倍左右。因此, 本文提出了如图9所示的旋涡频率检测装置。

进一步的研究还需要制作旋涡发生体实物, 在实际的大口径管道上验证方案的可行性, 测试其抗振动性、重复性等。