基于FLUENT数值仿真下的旋进旋涡流量计的研究与优化

　　1　引　言

　　目前利用流体振动原理设计的旋涡型流体振动流量计有两种,即涡街流量计和旋进旋涡流量计。涡街流量计现在已经得到了较为广泛的应用,而旋进旋涡流量计由于存在压力损失较大这一缺点导致其应用受到了限制。但旋进旋涡流量计自身的一些特点是涡街流量计所不具备的,例如测量下限较低,所需直管段短,测量精度较高。本文利用FLUENT软件对旋进旋涡流量计进行了数值仿真研究,提出了改进措施,在保证较大量程比的同时降低了旋进旋涡流量计的压力损失,从而解决了困扰旋进旋涡流量计推广的一个难题。

　　2　旋进旋涡流量计的工作原理[1,2]

　　旋进旋涡流量计的结构图如图1所示。

　　固定的旋涡发生体使轴向流动的流体在进入喉部之前附加了一个切向的速度,这样就产生了连续的旋涡系列而构成了一个旋涡流,称之为“涡势”,其中心为旋涡核,外围为环流。流体流经文丘里管的收缩段时涡流加速,此时涡核直径沿旋转方向逐渐缩小,而旋涡强度不断加强。到达扩张管段时,由于旋涡急剧减速,压力上升,旋涡中心区的压力比周围底,于是产生了回流。在回流的作用下,旋涡偏离了原来的前进方向,迫使像刚体一样旋转的涡核在扩张管段做类似陀螺的进动,旋涡流的进动是贴近扩张管段的壁面进行并形成旋进旋涡的,进动频率与流体的流速成正比,因此,测得旋进旋涡的频率即能反映流速和体积流量的大小。旋进旋涡的频率范围一般在10~1 500Hz,与流体流量Q有如下比例关系:

　　3　改进方案

　　目前影响旋进旋涡流量计推广的关键一点是因为它在使用中的压力损失(简称压损)过大,而旋涡发生体是造成这一问题的主要原因。旋涡发生体的模型如图2所示。

　　式中:ρ———流体的密度;D1、D2———文丘里管收缩段、扩张段起始位置的截面直径;α———旋涡发生体的叶片与主轴夹角。

　　由式(2)可以看出压损的大小与旋涡发生体的参数α有直接关系,将α减小可以降低压损值,因此本文提出通过改变旋涡发生体的导程,将α由原来的60°减小为45°以便达到降低压损的目的。但α减小会造成旋涡强度降低,影响压力传感器的检测效果,所以在减小α的同时本文将旋涡发生体的叶片数由传统的六片改为七片以增加旋涡的强度,使测量灵敏度有所提高。

4　数值仿真

　　4.1　FLUENT简介

　　FLUENT是一个用于模拟和分析在复杂几何区域内的流体流动与热交换问题的专用CFD软件。FLUENT提供了灵活的网格特性,用户可方便地使用结构网格和非结构网格对各种复杂区域进行网格划分。由于采用了多种求解方法和多重网格加速收敛技术,因而FLUENT能达到最佳的收敛精度。灵活的非结构网格和基于求解精度的自适应网格及成熟的物理模型,使FLUENT在层流和湍流、传热、化学反应和多相流领域取得了显著成效。近些年来,FLUENT已经应用到流量计的研究中来,利用FLU2ENT数值仿真指导流量计的设计与优化已经成为研　　究流量仪表的一种很好的方法[4]。