V 錐流量計表面壓力分布的數值模擬研究
V 錐流量計表面壓力分布的數值模擬研究
V 錐流量計是近年發展勢頭良好、優點突出的一類新型流量測量裝置。V 錐流量計包括一個在測量管中同軸安裝的尖圓V 錐體和相應的取壓口。該測量管是預先精密加工好的, 在尖圓錐體的兩端產生差壓, 只要采用合適的檢測方法從V 錐體附近周期振動的流速、壓力中提取出頻率, 那么, 就可以得到管道內被測流體的流量值。V 錐流量計的性能在很大程度上受到V 錐體流場結構及其內部參數分布的影響。因此, 研究V 錐錐流量計內部流動特性對改善其測量性能具有十分重要的意義。由于V 錐體的阻流作用, 流體在管道內的流動是強烈的湍流運動, 通過計算機數值計算方法和圖像顯示技術, 可以得到在時間和空間上定量描述流場的數值解。目前, 湍流的模擬有雷諾平均法、大渦模擬法和渦方法等..1- 3..。在雷諾數較小時, 數值模擬的結果與實際情況符合較好, 但是在雷諾數較大時, 數值模擬的結果還不盡如人意。
網格劃分和邊界條件
在模擬過程中, V 錐流量計的計算域簡化為具有圓形進出口邊界的軸對稱二維幾何模型, 坐標原點設在V 錐體的前端尖嘴處, 如圖1 所示。圖1 給出了管道和V 錐體的二維計算域及其網格的示意圖。為了模擬實際流動狀況, 利用Gambit 軟件生成了結構化格..4- 6..。由于V 錐體附近流場變化劇烈, 因此, 對其周圍的網格進行了局部加密處理。各求解變量收斂殘差值設置為1 .. 10- 3。入口邊界設置為沿管道軸向均勻速度入口, 其他方向速度均為0。出口邊界設置為壓力出口, 壓力出口處的表壓為0。管道和V 錐體均設置固體, 壁面處無滑移。
數值模擬結果分析
圖2、圖3 給出了介質為水、入口速度為v = 2 m/ s時的V 錐流場中靜壓和動壓的分布情況。可以看出: 流體從V 椎體兩側脫離形成旋渦, 分離點在四邊形的短邊上。流體流過V 椎體后, 旋渦在向下游運動的同時, 旋渦強度也逐漸由強變弱。相應的, 靜壓和動壓也都是在旋渦發生體附近較強, 在向下游運動的過程中, 強度也逐漸減弱。顯然, 旋渦的變化使流場內各種參數都隨之發生波動, 因此, 通過檢測V 椎體尾部變化的某一參數可以獲取流體流動特征。由于動壓的檢測比較困難, 需要將測量件伸入管道內, 因此, 不適宜作為反映V 錐體特性的被測特征參數。而管壁處靜壓的測量相對來說要簡單容易得多, 取壓裝置垂直于流動方向且位于管壁上, 同時其值只需采用普通的壓力傳感器即可測得。圖2.. V 錐體流場數值模擬的靜壓場為了定量比較V 椎體流場空間中不同位置處靜壓和動壓的大小, 圖4、圖5 給出靜壓和動壓在不同位置處的變化情況。
從圖4、圖5 可以看到, 流場中靠近V 錐體靜壓和動壓有較明顯的波動, 沿流動方向在0~ 100 mm 區間內波動明顯、幅度, 即在距離V 錐體一定范圍內, 越靠近V 錐體, 靜壓和動壓幅度越大。而在垂直流動方向上V 錐體前端尖嘴處的靜壓和動壓也具有較大的幅度變化, 如圖6、圖7 所示。圖6.. V 錐體流場數值模擬的靜壓分布( 徑向) 圖7.. V 錐體流場數值模擬的動壓分布( 徑向)
結論
流體流過V 錐體后, 旋渦在向下游運動的同時, 旋渦強度逐漸由強變弱, 旋渦的變化使流場內靜壓和動壓等各種參數都隨之發生波動。V 錐流量計中靠近V 錐體的表面壓力有較明顯的波動, 在距離V 錐體一定范圍內, 越靠近V 椎體, 表面壓力幅度越大。
總之,V 錐流量計表面壓力可以較好地表征流體流動的變化過程, 通過采用合適的檢測和信號處理方法可以使人們從多個角度來提取V 錐體特性。并且, 關于V 錐流量計內部流場的定性或半定量的認識將有助于優化V 錐流量計的結構設計及改善其測量性能。
