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導熱油流量計在蒸汽、空氣及水三種介質下的仿真
導熱油流量計在蒸汽、空氣及水三種介質下的仿真實驗，蒸汽作為一種重要的二次清潔能源，在電廠、石油化工、食品、機械加工等工業生產領域和人民的日常生活中占據了越來越重要的地位。為了提高蒸汽的計量水平，研究者開發了標準孔板、噴嘴以及渦街流量計等多種類型的蒸汽儀表，而在眾多類型蒸汽儀表中，渦街流量計以其結構簡單、測量范圍寬、壓損小、測量時無可動件等優點在蒸汽計量中得到快速的推廣和使用。
隨著計算機技術的飛速發展，采用數值仿真的方法研究流體流場能夠實時、直觀地觀察到流場的變化，對研究流場具有很強的指導意義。近幾年來，不少學者利用計算機仿真對渦街流量計特性進行了大量研究，然而受蒸汽高溫高壓特性和蒸汽實流標定裝置的限制，目前還缺乏對渦街流量計在蒸汽介質下的特性研究，本文研究的重點就是利用Fluent軟件對渦街流量計進行蒸汽、空氣和水三種介質下的仿真研究，并與實驗數據進行對比分析，找到不同介質對渦街流量計特性的影響規律。
1 渦街流量計
渦街流量計（又稱旋渦流量計）是根據“卡門渦街”原理研制成的流體振蕩式流量測量儀表。所謂“卡門渦街”現象就是在測量管道流動的流體中插入一根（或多根）迎流面為非流線型的旋渦發生體，當雷諾數達到一定值時，從旋渦發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，這種旋渦稱為卡門渦街。在一定雷諾數范圍內，旋渦的分離頻率與旋渦發生體的幾何尺寸、管道的幾何尺寸有關，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。
U—被測介質來流的平均流速；U1—發生體兩側的平均流速；
d—發生體迎流面的寬度；D—管道直徑。
圖1 渦街流量計工作原理圖
卡門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。
由此可得體積流量qv為：
所以渦街流量計的儀表系數K可表示為：
不同介質對渦街流量計性能的影響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，然后對不同介質下的流場進行仿真分析，并仿真得到不同介質下的儀表系數，終通過實驗驗證得到空氣和水作為替代介質導致的與蒸汽實流標定得到的儀表系數的差異。
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行研究，利用Gambit軟件建立渦街流量計幾何模型并劃分網格，渦街流量計發生體橫截面網格如圖2所示。
Gx—軸向坐標；Gy—縱坐標；Gz—橫坐標。
圖2 渦街流量計發生體橫截面網格圖
為了提高計算效率，渦街發生體處重點加密，其他區域適當的稀疏。從圖2可以看出，渦街發生體所處流場網格均勻加密。通過加密畫法，靠近渦街發生體的橫截面網格較密，遠離渦街發生體而靠近管壁的網格較稀疏。
2.2 仿真條件設定
仿真選擇三種流體材質，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中空氣和蒸汽材質通過設定氣體的密度選項來實現。對于不可壓縮流體選擇的密度為常數；空氣介質選擇默認密度1.225kg/m3，其密度設定為理想氣體，在迭代計算的過程中，根據氣體狀態方程壓強的變化修正流體的密度；蒸汽介質的密度根據IF－97公式，利用UDF編程設置。
仿真模型選擇RNGk－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彎曲程度較大的流體流動，非常適合具有旋渦脫落現象的渦街流場仿真。
3 流場仿真分析
根據公式（1）可知，影響渦街流量計旋渦頻率的是發生體兩側的流速U1和發生體的結構，由于發生體結構尺寸是固定的，因此頻率只與U1相關，需要觀測在相同入口流速U的條件下U1變化來得到頻率的變化，而速度的變化必然會導致流體密度的變化，因此可觀測發生體兩側的密度云圖，來判斷可壓縮性對渦街流量計流速U1的影響，通過仿真得到如圖3（a）所示的不可壓縮流體發生體兩側的密度云圖和如圖3（b）所示的可壓縮流體發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程中沒有發生變化，可壓縮流體的密度發生了變化，必然會導致兩側速度U1的變化。可壓縮流體經過發生體后密度變小會導致U1變大。
根據圖3得到的結論，對渦街流量計進行蒸汽、空氣和水三種介質下的軟件仿真，設置三種介質的入口流速均為50m/s，取渦街發生體迎流面側棱中點與管壁連線，如圖2中線段ab所示。取該線上的速度值，將蒸汽、空氣和水三種介質下的速度曲線進行比較，結果如圖4所示。
從圖4中可以看出，在靠近渦街發生體的位置，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的流速。因此空氣介質受氣體可壓縮性的影響較大。
渦街流量計的計量性能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靜壓云圖。從圖中可以看出兩個明顯的脫落旋渦。圖中A區域靜壓大，B區域靜壓小。靜壓小的位置是C處，也就是脫落旋渦的渦心位置。檢測渦街發生體下游1D處的靜壓變化得到如圖6所示的靜壓變化圖。
對圖6中靜壓數值進行快速傅立葉變換，得到如圖7所示的三種介質下的旋渦脫落頻率圖。
通過讀取圖7三種介質旋渦脫落頻率圖高點的頻率，可以得到空氣介質的旋渦脫落頻率為1595Hz，蒸汽介質的旋渦脫落頻率為1579Hz，水介質的旋渦脫落頻率為1559Hz。代入公式（1）可以發現，渦街流量計在相同管道直徑相同入口速度的情況下在水介質中得到的儀表系數小、蒸汽次之、空氣大。說明空氣受氣體介質的可壓縮性影響大，在發生體兩側的密度變化率較蒸汽要大。
4 實驗驗證
為驗證仿真分析得到的結論，利用負壓法音速噴嘴氣體流量計量標準裝置、蒸汽實流計量標準裝置和水流量計量標準裝置對該結構類型的渦街流量計進行三種介質的實驗研究，各測試條件參數如表1所示。
由圖8可看出，在實驗過程中，空氣與水的儀表系數與仿真分析基本相符，但蒸汽介質的儀表系數要小，這主要是因為蒸汽介質的高溫使發生體的幾何尺寸發生變化導致的儀表系數的改變。
根據經驗公式（4）：
式中：Kt為溫度為t時的儀表系數；K20為20℃時的儀表系數；α為線膨脹系數。
由公式（4）可以知道隨著溫度的升高，儀表系數會減小，因此就出現了圖8所示實驗數據與圖7仿真頻率計算出的儀表系數的微小差異。
利用Fluent軟件實現了渦街流量計在不同介質下的流場仿真，根據卡門渦街的產生機理，對比分析了空氣、蒸汽和水三種不同介質條件下的流場，仿真結果表明隨著可壓縮性的增強，渦街流量計的儀表系數隨之變大，因此在渦街流量計的或者后續檢定中盡量采用與工況相同的介質進行標定。