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旋涡型流体振动流量计流体振动特性仿真及实验研究

彭杰纲  
【摘要】: 旋涡型流体振动流量计是利用流体在特定流道条件下流动时产生的旋涡振荡,而且其振荡频率与流速成比例这种规律来测量流量的流量计。基于旋涡流体振荡原理的流量计主要有两种:涡街流量计和旋进旋涡流量计。这类的流量计兼有无运动部件,脉冲数字输出,计量不受被测流体性质影响,测量准确度较高,量程比宽,无零点漂移,压力损失小,便于安装维护等优点,是测量气体,液体,蒸汽,混合型和腐蚀性流体的理想的流量计。但是这类流量计存在的三大缺陷,至今没有得到很好解决:①小流量信噪比低,②抗干扰性能差,③传感器表面粘滞对检测灵敏度的负面影响。 本论文针对旋涡型流体振动流量计小流量信噪比低和抗干扰性能差等问题,确定以流体振动特性应用基础为主要方向。以流场仿真技术和实验流体力学的相结合的方法,系统地研究了旋涡型流体振动流量计的流体振动特性。研制出比传统单钝体涡街流量计流量下限降低约50%的新型双钝体涡街流量计;揭示出脉动流中旋进旋涡流量计流体振动特性,并在此基础上提出基于FFT相位判别的数字信号处理方法来消除流场脉动对旋进旋涡流量计的干扰的方法。有关各章内容分述如下: 论文第一章以大量的国内外文献为基础,全面综述了流量计的发展历史和现状,确定以具发展前途的流量计之一——旋涡型流体振动型流量计(涡街流量计和旋进旋涡流量计)作为研究内容。介绍了旋涡型流体振动流量计在一次仪表和二次仪表方面研究的情况,指出该类流量计研究中所面临的主要问题。提出了本博士课题的选题意义、立项依据和主要研究内容。 论文第二章介绍了涡街流量计的原理,对涡街流量计的经典流体力学理论和钝物体绕流的计算流体力学方法进行了阐述。建立了单钝体和双钝体涡街流量计的物理模型和数学模型,应用基于有限体积法的FLUENT软件对单钝体和双钝体的流动现象进行仿真研究。预测出双钝体强化卡门涡街脉动压力效应及其测量精度,并根据仿真结果对传感器的安装进行了设计。据此提出通过双钝体诱发卡门涡街增强涡街强度、提高涡街流量计的信噪比,进而降低涡街流量计的流量下限的方法。为实验研究提供了方法及方案。 论文第三章首先对整个实验装置的设计和选用、实验流量计的设计以及检测元件的选用等作了全面分析。在自行设计制造的流量计的实验装置上对双钝体涡街流量计进行了系统研究。分别对不同组合双钝体诱发卡门涡街的Strouhal数特性、涡街强度、涡街重复稳定性、压力损失特性进行了实验研究。然后通过大量实验和理论分析给出双钝体涡街流量计的设计准则:当管径为D,钝体形状为三角形,则钝体设计参数为:锐边宽度=0.26D,高度=0.34D,钝体之间的距离=1.2D(即当两钝体宽度相等且钝体距离等于单钝体两列旋涡之间的距离)。按照该参数设计出的样机,其测量精度≤1%,重复度≤0.3%,流量下限与单钝体涡街流量计相比下降约50%。实验和仿真结果对比表明:其中仿真所预测的双钝体强化卡门涡街脉动压力效应及传感器的安装准则与实验结果吻合,但仿真所预测出的 测量精度与实验结果有较大误差。 论文第四章基于流体力学可视化实验方法,设计制造了双钝体涡街流量计的 流体可视化实验系统。采用烟雾成像的可视化方法,对单、双三角柱型钝体的旋 涡脱落特性进行了实验研究。这一结果有助于对双钝体涡街旋涡脱落的直观认 识。 论文第五章介绍了旋进旋涡流量计的原理和结构,阐述该流量计的经典理 论,分析了经典理论的局限性。针对旋进旋涡流量计的理论分析所存在的问题, 论文应用FLuENT软件对该流量计进行了直接流场仿真研究,分析仿真的结果 和误差,并提出了改善仿真精度的途径。 论文第六章对旋进旋涡流量计的流体振动特性进行实验研究。首先通过改变 多种传感器的安装方式和位置,对旋进旋涡流量计的流场分布进行实验,揭示出 旋进旋涡流量计旋涡进动效应各向异性的特征,并观察到传感器与流体之间流固 祸合振动所产生的测量锁频现象,据此提出该类流量计的传感器的最佳安装方 式。随后对旋进旋涡流量计在脉动流场中的响应特性进行了实验研究,揭示出脉 动流场的脉动压力与旋涡进动效应脉动压力的线性叠加关系规律。最后根据旋涡 进动效应的脉动压力在轴对称点具有的180度相差的特性和流体脉动在轴对称 点上脉动压力相差为零的特征,提出基于FFT相位判别的旋进旋涡流量计抗流 体脉动干扰的数字信号处理方法,并通过离线仿真证明其有效性。 论文第七章概括了全文的主要研究结果和论文的创新点,并展望了今后需进 一步开展的工作。 纵观全文,本文成功地将CFD技术和实验流体力学方法应用于新型双钝体 涡街流量计的研究,并对旋进旋涡流量计的流体振动特性和抗干扰方法进行系统 研究,提出了旋进旋涡流量计抗干扰设计的新方法。


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