燃气单钝体绕流流场特性的数值模拟研究

1 引 言

    目前, 在城市燃气计量中应用着基于各种测量原理的多种仪表。但是, 经过分析和比较后发现: 这些燃气流量测量仪表均存在着流量下限瓶颈问题,即在仪表流量下限以下流量不能实现准确计量或根本不能计量问题, 城市燃气小流量漏计问题突出。为了解决该问题, 我们提出并设计研制了一种新型的城市燃气流量计, 能够实现对城市燃气的宽量程计量。该流量计在燃气大流量段时应用流体振荡测量原理进行测量, 即采用涡街流量计的测量原理完成大流量测量[1]。

    由于漩涡发生体的阻流作用, 燃气管道中的流场变得异常复杂, 难以解析地求得流场分布情况, 所以至今人们对漩涡发生体后漩涡的形成和脱落的认识大多依赖于经验和实验。这对于优化设计新型宽量程燃气流量计都十分不利[2,3]。

    本文从描述漩涡运动的经典流体力学基本方程出发, 以计算流体力学软件 FLUENT 为平台对宽量程燃气流量计的方柱绕流流场进行数值模拟, 并将模拟结果与实测数据比较, 结果表明数值模拟结果与管道燃气实际流动状况具有很好的一致性。

2 数值模拟模型

2.1 流体漩涡脱落现象的数值模拟方法

    单钝体绕流的漩涡脱落特性和受力情况, 除采用实验方法进行测定外, 还可用数值模拟方法进行计算分析。

    数值模拟方法主要有两类, 即经验的模型法和直接流场模拟法[4,5]

。

    经验的模型法, 这类方法不考虑具体流体结构,将流体及其中的振荡物体视作一个整体系统。然后用一组适合的模型方程对其进行描述, 其中包括采用一些已知结果的或用经验确定的系数, 以便求解后可以较好地再现系统的运动特性, 并从总体上可对现象木身的物理木质上有一个较直观的了解。目前得到广泛使用的主要是尾流振荡器模型和相关模型, 可用于求解各种具体问题。但这类方法主要依赖于实验结果, 因而有一定局限性。

    直接流场模拟法有直接求解 Navier- Stokes 方程式的各种差分方法, 有限分析解方法, 有限元方法, 有限体积法、谱方法和基于边界层方程的各种正、反解法以及粘性/无粘性干扰方法, 离散涡方法或直接求解 Navier- Stokes 方程等。其计算过程包括流动模型选择( 列出控制方程式) , 方程式的离散、离散方程式的求解等。这些方法可以给出整个流场情况的详细描述, 但计算相当复杂, 特别是流动 Re 数较高时, 更为困难。在流场计算中应用较多的为涡方法和有限差分和有限体积法。

    鉴 于 本 文 的 流 体 力 学 数 值 模 拟 使 用 的 是FLUENT 商业软件, 故将着重介绍非定常流体力学问题的有限体积法。