YF-102上海自動(dòng)化儀表有限公司漩渦流量計的方法

　上海自動(dòng)化儀表有限公司生產(chǎn)的YF-102渦街流量計是蒸汽作為一種重要的二次清潔能源，在電廠(chǎng)、石油化工、食品、機械加工等工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域和人民的日常生活中占據了越來(lái)越重要的地位。為了提高蒸汽的計量水平，研究者開(kāi)發(fā)了標準孔板、噴嘴以及渦街流量計等多種類(lèi)型的蒸汽儀表，而在眾多類(lèi)型蒸汽儀表中，渦街流量計以其結構簡(jiǎn)單、測量范圍寬、壓損小、測量時(shí)無(wú)可動(dòng)件等優(yōu)點(diǎn)在蒸汽計量中得到快速的推廣和使用。
1 渦街流量計
　　渦街流量計 ( 又稱(chēng)旋渦流量計) 是根據 “卡門(mén)渦街”原理研制成的流體振蕩式流量測量?jì)x表。所謂 “卡門(mén)渦街”現象就是在測量管道流動(dòng)的流體中插入一根 ( 或多根) 迎流面為非流線(xiàn)型的旋渦發(fā)生體，當雷諾數達到一定值時(shí)，從旋渦發(fā)生體下游兩側交替地分離釋放出兩串規則的交錯排列的旋渦，這種旋渦稱(chēng)為卡門(mén)渦街。在一定雷諾數范圍內，旋渦的分離頻率與旋渦發(fā)生體的幾何尺寸、管道的幾何尺寸有關(guān)，旋渦的頻率正比于管道流體流量，并可由各種型式的傳感器檢出，渦街流量計工作原理如圖 1 所示。

卡門(mén)渦街頻率計算公式為:

　　式中: f 為旋渦頻率; Sr為斯特勞哈爾數; m 為旋渦發(fā)生體兩側弓形面積與管道橫截面面積之比，不可壓縮流體中，由于流體密度 ρ 不變，由連續性方程可得到 m = U/U1。

　　不同介質(zhì)對渦街流量計性能的影響最終體現在儀表系數的差異上，所以本文使用 Fluent 軟件建立渦街流量計的幾何模型，然后對不同介質(zhì)下的流場(chǎng)進(jìn)行仿真分析，并仿真得到不同介質(zhì)下的儀表系數，最終通過(guò)實(shí)驗驗證得到空氣和水作為替代介質(zhì)導致的與蒸汽實(shí)流標定得到的儀表系的差異。
2 仿真模型與條件的設定
2. 1 仿真模型
　　選擇 DN100 口徑的渦街流量計進(jìn)行研究，利用 Gambit 軟件建立渦街流量計幾何模型并劃分網(wǎng)格，渦街流量計發(fā)生體橫截面網(wǎng)格如圖 2 所示。

　　為了提高計算效率，渦街發(fā)生體處重點(diǎn)加密，其他區域適當的稀疏。從圖 2 可以看出，渦街發(fā)生體所處流場(chǎng)網(wǎng)格均勻加密。通過(guò)加密畫(huà)法，靠近渦街發(fā)生體的橫截面網(wǎng)格較密，遠離渦街發(fā)生體而靠近管壁的網(wǎng)格較稀疏。
2. 2 仿真條件設定
　　仿真選擇三種流體材質(zhì)，分別為空氣和蒸汽兩種可壓縮流體以及不可壓縮的水，在 Fluent 中空氣和蒸汽材質(zhì)通過(guò)設定氣體的密度選項來(lái)實(shí)現。對于不可壓縮流體選擇的密度為常數; 空氣介質(zhì)選擇默認密度 1. 225 kg/m3，其密度設定為理想氣體，在迭代計算的過(guò)程中，根據氣體狀態(tài)方程壓強的變化修正流體的密度; 蒸汽介質(zhì)的密度根據IF － 97 公式，利用 UDF 編程設置。
仿真模型選擇 ＲNG k － 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(xiàn)彎曲程度較大的流體流動(dòng)，非常適合具有旋渦脫落現象的渦街流場(chǎng)仿真［8］。
3 流場(chǎng)仿真分析
　　根據公式 ( 1) 可知，影響渦街流量計旋渦頻率的是發(fā)生體兩側的流速 U1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 U1相關(guān)，需要觀(guān)測在相同入口流速 U 的條件下 U1變化來(lái)得到頻率的變化，而速度的變化必然會(huì )導致流體密度的變化，因此可觀(guān)測發(fā)生體兩側的密度云圖，來(lái)判斷可壓縮性對渦街流量計流速 U1的影響，通過(guò)仿真得到如圖 3 ( a) 所示的不可壓縮流體發(fā)生體兩側的密度云圖和如圖 3 ( b) 所示的可壓縮流體發(fā)生體兩側的密度云圖。

　　由圖 3 可以看出，不可壓縮流體的密度在仿真過(guò)程中沒(méi)有發(fā)生變化，可壓縮流體的密度發(fā)生了變化，必然會(huì )導致兩側速度 U1的變化?？蓧嚎s流體經(jīng)過(guò)發(fā)生體后密度變小會(huì )導致 U1變大。
　　根據圖 3 得到的結論，對渦街流量計進(jìn)行蒸汽、空氣和水三種介質(zhì)下的軟件仿真，設置三種介質(zhì)的入口流速均為 50 m/s，取渦街發(fā)生體迎流面側棱中點(diǎn)與管壁連線(xiàn)，如圖 2 中線(xiàn)段 ab所示。取該線(xiàn)上的速度值，將蒸汽、空氣和水三種介質(zhì)下的速度曲線(xiàn)進(jìn)行比較，結果如圖 4所示。

　　從圖 4 中可以看出，在靠近渦街發(fā)生體的位置，可壓縮流體流速明顯大于不可壓縮流體流速，且空氣的流速要大于蒸汽介質(zhì)的流速。因此空氣介質(zhì)受氣體可壓縮性的影響較大。
　　渦街流量計的計量性能最終反映到儀表系數上，渦街流量計兩側的旋渦頻率決定了儀表系數的大小，圖 5 為仿真得到的渦街流量計渦流流場(chǎng)靜壓云圖。從圖中可以看出兩個(gè)明顯的脫落旋渦。圖中 A 區域靜壓大，B 區域靜壓小。靜壓最小的位置是 C 處，也就是脫落旋渦的渦心位置。檢測渦街發(fā)生體下游 1D 處的靜壓變化得到如圖 6 所示的靜壓變化圖。

　　對圖 6 中靜壓數值進(jìn)行快速傅立葉變換，得到如圖 7 所示的三種介質(zhì)下的旋渦脫落頻率圖。
通過(guò)讀取圖 7 三種介質(zhì)旋渦脫落頻率圖最高