渦街流量傳感器在流量計量中應用廣泛，但由于其原理涉及到復雜的鈍體繞流現象，因此對它的研究遠未成熟，需要在鈍體繞流發生的機理上不斷地研究來進一步提高渦街流量傳感器的性能[1-2]。

 

    目前渦街流量傳感器大多采用通過獲得流場中壓力動態變化的頻率進而獲得流體流量的原理研制而成[3-4]，但研究者發現渦街流場中的壓力分布特性會隨著旋渦的脫落過程而變化[5]，壓力檢測點設置的位置不同會影響到測量的結果。SAFFIMAN等[6]通過試驗認為旋渦的強度會因為能量的耗散而慢慢衰減；PANKANIN[7]對圓柱發生體后不同位置的渦街信號進行了研究。

 

    本文以數值計算與試驗相結合的方法對渦街流量傳感器內部壓力場的變化規律進行了研究，通過分析不同區域內壓力信號的強度以及穩定性給出了渦街流量傳感器內部檢測壓力信號的最佳區域。

 

    利用數值計算得到豐富的內部流場信息，通過對旋渦生成、脫落、衰減規律的分析，解釋了造成流場內壓力信號強度、穩定性隨檢測點位置而變化的內部機理。

 

    1數值計算

 

    在對運動流體的數值計算中，最直接也最為準確的方法是直接通過瞬時的Navier-Stokes方程對流場進行計算，但這種方法所需要的網格數量巨大，其計算量一般計算機難以承受[8]，因此這里嘗試采用了目前使用較為廣泛的雷諾平均法[9-10]對渦街流量傳感器內部流場進行計算。

 

    1.2網格剖分

 

    圖1是渦街流量傳感器的二維幾何模型，管道口徑D=50mm，旋渦發生體截流面寬度d=14mm，旋渦發生體的尺寸符合這一口徑管道下的行業標準。對幾何模型網格劃分后的效果如圖2所示，網格劃分所采用的網格單元為Quad單元，即網格區域中只包含四邊形單元。采用的網格類型為Submap，即將不規則的區域劃分成多個規則的子區域，在每個子區域中劃分網格。

 

    1.3邊界條件

 

    所采用的流體介質為空氣，密度1.225kg/m3，壓力為101.325kPa，粘度1.5×10-5m2/s。所有的壁面材料包括直管段、旋渦發生體，均為不銹鋼（1Cr18Ni9Ta）。入口速度根據需要進行調整，以便得到不同流速下渦街傳感器內部流場的狀態。出口速度由入口速度根據質量守恒條件計算而得。

 

    2計算結果與試驗結果比較

 

    渦街流量傳感器是利用檢測旋渦發生體后旋渦產生的頻率來實現流量測量的，目前工業中使用的渦街流量計多是通過壓力檢測來得到旋渦產生的頻率。為了與實際情況相符，用如下的方法進行仿真來獲取旋渦產生頻率：在靠近旋渦發生體尾部的位置設置一個壓力檢測點，如圖3所示，在數值計算過程中實時記錄檢測點上壓力的變化，計算采用非穩態的計算方法，每0.0005s步長進行一次計算。旋渦從發生體上周期脫落，會引起渦街流量傳感器內部壓力場的周期變化，如圖4所示反應的是某個時間段內壓力場的周期變化曲線。

 

    將壓力在時域上的變化利用FFT轉換成頻域上的變化即可得到旋渦脫落的頻率，如圖5所示。用相同的方法得到了入口流速分別為：5m/s、10m/s、15m/s、20m/s、25m/s、30m/s時旋渦發生的頻率。