ZNGB涡街流量计根据数值仿真来优化设计ZNGB涡街流量计结构及选取最佳取压位置             ZNGB涡街流量计是基于流体振荡原理的一种新型流量测量仪表,具有其他许多流量仪表无法同时具备的优点[1,2],因而发展迅速,应用日趋广泛.由于旋涡发生体的阻流作用,管道中的流场变得非常复杂,难以解析地求得流场分布情况,所以至今人们对旋涡发生体后旋涡的形成和脱落的认识仍然几乎全部依赖于经验和实验[7].这对于优化现有ZNGB涡街流量计的结构以及设计新型涡街传感器都十分不利.测量原理如图1所示,管道中垂直插入一非流线型对称形状的旋涡发生体（bluff body）,当流体绕过发生体时,在发生体两侧会交替产生规则的旋涡,频率为fo经过推导,流体的体积流量qv与旋涡频率f符合以下公式[3]:     qv=f/K          （1）     式中:K为流量计的流量系数.在一定雷诺数范围内K为常数,所以流量qv与旋涡频率f具有线性关系.只要测出f,就能求得体积流量qvo所以,旋涡频率f的检测是ZNGB涡街流量计的关键.目前,f常用安装在管壁或旋涡发生体内的传感器来测量[4-6].     数值仿真方法具有成本较低和能模拟较复杂或较理想的过程等优点.经过一定考核的数值仿真软件可以拓宽实验研究的范围,减少成本昂贵的实验工作量.在给定的参数下用计算机对现象进行一次数值仿真相当于进行一次数值实验,历史上也曾有过首先由数值仿真发现新现象而后由实验予以证实的例子.     数值仿真方法求解问题的基本思想是:把原来在空间与时间坐标中连续的物理量的场（如速度、温度、浓度等）,用一系列有限个离散点（称为节点）上的值的集合来替代,通过一定的原则建立起这些离散点上变量值之间关系的代数方程（称为离散方程）,求解所建立起来的代数方程以获得所求解变量的近似值[8].计算机出现后,特别是在最近20年中,数值仿真得到了飞速的发展,出现了FLUENT,PHOENICS和CFX等多种用于流动数值仿真的通用软件.其中,FLUENT软件最新版本采用基于完全非结构化网格的有限体积法,能够生成不连续网格,并支持变形网格和滑动网格,物理模型丰富,求解速度快,因而应用范围广泛.     本文从描述旋涡运动的流体力学基本方程出发,以CFD软件FLUENT为平台对ZNGB涡街流量计的流场进行数值仿真,并将仿真结果与实验数据比较,结果表明:数值仿真结果与实际流动状况具有很好的一致性.     1 仿真模型     1.1 控制方程组     流体在ZNGB涡街流量计管道中的流动为时变涡流.综合考虑仿真精度和计算成本,作者采用基于Reynolds Averaged Navier-Stokes（RANS）方法的Renormalitation Group（RNG）k -ε模型[9-11].     雷诺平均Navier-Stokes（N-S）方程组为                             （2）            （3）     为使以上方程组封闭,引入雷诺应力公式:             （4）     式中:μ为流体动力粘度;μt为流体湍动粘度;δij为Kroneck符号;k为湍流动能.     RNG k -ε方程组为             （5）               （6）     式中:Gk为湍流动能生成项;Gb为湍流动能扩散项;YM为湍流动能耗散项;αk,αε为k,ε的逆有效普朗特数;Sk,Sε为自定义源项.     有效粘度公式为            （7）     式中:     当雷诺数较大时,式（6）可化简为           （8）     式中:Cμ=0.0845.     Rε项计算式为           （9）     式中:η=Sk/ε.     以上各计算式中的常数取值分别为C1ε=1.42,C2ε=1.68,Cμ=0.0845,αk=αε≈1.393,Cv≈100,η0=4.38,β=0.012.     1.2 物性参数     仿真流体采用空气,温度为室温（293K）,压力为一个标准大气压（101325Pa）,其物性参数如下:密度ρ=1.225kg/m3,动力粘度μ=1.7894×10-5kg/（m·s）.     2 实验装置     实验采用口径为50mm的气体涡街流量检测装置,旋涡发生体截面为等边三角形,迎流面宽度为14mm.标准装置采用钟罩式气体流量装置.旋涡频率信号通过嵌入在旋涡发生体内的压电晶体元件检测,经信号放大后利用Tektronix TDS 430A双通道数字示波器记录采样信号.ZNGB涡街流量计标定精度为0.5级.实验条件与仿真定义的条件相同.     3 结果与讨论     3.1涡街压力信号与最佳取压位置 根据ZNGB涡街流量计的基本原理,作者认为在管壁上开孔安装压力传感器,通过检测尾流中压力（或差压）周期变化的频率来检测旋涡脱落频率f是一种可行的、操作简便的方法.但是,关于如何选取取压孔位置的研究还很少见.通过分析比较管壁附近静压特性的数值仿真值为确定涡街压力信号最佳取压位置提供了依据. 图6所示为z=0,y=-20mm直线上不同x处的静压值（坐标系的定义见图3）.从图中可以看出,各处的频率f稳定且相等,但是幅值变化较大.在距发生体迎流面较近处（如图6中x=110,125mm）,静压波动的幅值较小;当距发生体迎流面的距离介于管径的1~1.5倍之间时（如图6中x=150,175mm）,静压波动的幅值大且均匀稳定;当距发生体迎流面的距离大于管径的2倍即x>200mm时（如图6中x=215mm）,静压的波动变得非常微弱. 根据这一研究结果,可以确定取压的最佳位置在发生体下游距发生体迎流面的距离等于管径1~1.5倍的区间,在该区间内测得的旋涡信号强且稳定.在该区间之外由于信号都较微弱,给检测带来了困难,需要用高精度的仪表和信号处理装置,增加了检测的费用.     3.2 仿真过程 数值仿真使用世界先进的CFD分析软件FLU-ENT6.0,以及前处理网格生成软件GAMBIT2.0,基本过程如图2所示. 在仿真中,置有ZNGB涡街流量计的管道被简化为具有圆形进出口边界的轴对称三维几何模型.图3所示为z=0截面（z轴方向垂直纸面向外）管道和发生体的二维示意图,发生体位于x=100mm处.为了真实地模拟实际流动状况,采用非结构化网格.计算采用RNG k - ε雷诺平均模型.仿真流体定义为空气.环境压力定义为大气压,即101325Pa;管道进口定义为沿管道轴向均匀速度入口,其它方向的速度为0,出口定义为压力出口.不同流速的流动情况通过改变入口速度vin来模拟.各求解变量收敛标准均为残差值小于0.001.为了,使得每个周期内取样点的数目不小于10,时间步长随入口速度的不同而相应改变.     3.3 仿真与实验结果比较 在入口速度为5~30m/s的范围内进行一系列的仿真计算,图4所示为涡街脱落频率实验值与仿真值的比较.从图中可以看出仿真结果与实验结果非常吻合,其最大误差小于10%,证明了数值仿真方法用于ZNGB涡街流量计流场研究的可行性和正确性. 对于不同的入口速度vin,管道内旋涡脱落、压力场以及速度场的分布情况相似,区别仅在于旋涡脱落频率f及振幅不同,以下以vin=30m/s为例进行具体分析. 图5所示为某一时刻旋涡脱落的数值仿真结果.图中定性的给出了流场分布,其中白色三角形为旋涡发生体,黑白两种颜色表示旋涡的涡量方向相反.可以看出,发生体尾流中的旋涡在发生体的两侧有规律地交替形成和脱落,旋转方向相反,并且随着x的增加旋涡强度逐渐强弱.     4 结束语     本文根据旋涡运动的流体力学基本方程,以世界先进的CFD分析软件FLUENT为平台,对典型的ZNGB涡街流量计流场进行数值仿真研究.实验研究表明,数值仿真结果与实际流动状况具有很好的一致性.该方法具有成本较低和能模拟较复杂或较理想的过程等优点,具有很好的实用价值.根据数值仿真结果,本文提出了采用检测旋涡发生体后压力的交变信号来检测涡街频率的最佳采样位置.这一研究结果为采用数值仿真方法优化现有ZNGB涡街流量计结构乃至设计新型涡街传感器提供了依据.由于旋涡产生和脱落机理的复杂性,迄今为止对ZNGB涡街流量计流场的认识几乎全部依赖经验和实验.介绍应用FLUENT6.0计算软件,对DN50ZNGB涡街流量计流场进行了数值仿真,就旋涡发生体的旋涡脱落频率与实测数据进行了比对.结果表明,数值计算结果与实测结果具有很好的一致性.提出了可以根据数值仿真来优化设计ZNGB涡街流量计结构及选取最佳取压位置的结论.推荐产品.电磁流量计,压力变送器,新型靶式流量计,超声波流量计,涡街流量计,涡轮流量计,热电偶.