摘 要 涡街现象是流体力学中重要的自然现象 例如水流过桥墩 风吹过高塔 烟囱 电线等都会形成涡街 其中以塔科马海峡吊桥崩塌事件最为著名 随着科学的发展 人们已经从防止涡街带来的危害上升到利用涡街现象来制作一些仪器 其中最为重要 的突破 便是以其原理设计的涡街流量计来测量管道等一些区域的流量 近年来 涡 街流量计的发展更是取得了重大的破 本文就是以卡门涡街为理论基础 分别对圆形 绕流体 三角形绕流体和正方形绕流体所形成的涡街场进行仿真模拟 另外还对三种 绕流体制作的涡街流量计进行仿真和数据的计算分析 通过对比来找出三种涡街场区 别和那种涡街流量计可以的得到最佳的测量结果 随着计算流体力学以及计算机技术的迅猛发展 CFD 技术越来越受到设计人员的青 睐 其在模拟真实流场 优化改型设计中得到了广泛的应用 本文通过 CFD 流体动力 学技术来进行实验的仿真模拟 其中使用 Gambit 进行流场的构建和网格的划分 使用 Fluent 软件及其前置处理器对 Gambit 生成的网格进行数据的迭代计算 以及视频的录 制 最后通过实验显示的结果进行对比 以得出实验结论 关键词 关键词 卡门涡街 涡街流量计 Gambit Fluent ABSTRACT Vortex is a important natural phenomena in fluid mechanics such as the water flowing through the pier and wind blowing towers chimney wires will form a vortex of which the Tacoma Narrows suspension bridge collapse incident is most famous With the development of science people have get off the harm from the vortex phenomenon and produce some of the instruments of which is the most important breakthrough is Vortex Flowmeter which is designed by its principle to measure some areas of the pipeline and othertraffic In recent years the development of Vortex Flowmeter has made a significant break This paper is based on Karman vortex street as the theoretical respectively simulate the circular wound fluid the triangle around fluid and the squares around fluid Then simulate and calculate the data analysis of the three shapes of the vortex flowmeter to find which kind of the vortex flowmeter can get the best measurement results With the calculation of fluid dynamics as well as the rapid development of computer technology CFD technology designers more and more popular and its ture in a simulated flow field optimizing the modified design has been widely applied This article conduct the experimental simulation by CFD fluid dynamics technology use Gambit to build the flow field and divide the grid and use Fluent software and its preprocessor to iterate the data of the grid which generated by Gambit Finally the conclusion of the experiments is finded by comparing the three kinds of different experiment Keywords Karman vortex street Vortex Flowmeter Gambit Fluent 目 录 目目 录录 第一章第一章绪论绪论 1 1 11 1 涡街的基本原理涡街的基本原理 1 1 21 2 涡街的主要用途涡街的主要用途 2 1 31 3 涡街流量计的基本原理涡街流量计的基本原理 2 1 41 4 涡街流量计的分类及特性涡街流量计的分类及特性 3 1 51 5 本文研究的内容本文研究的内容 6 第二章第二章计算流体力学及计算流体力学及 CFDCFD 软件软件 7 2 12 1 计算流体动力学方法的形成和发展计算流体动力学方法的形成和发展 7 2 22 2 CFDCFD 的基本组成的基本组成 7 2 32 3 CFDCFD 计算的基本步骤计算的基本步骤 8 第三章第三章涡街的造型涡街的造型 11 3 13 1 概述概述 11 3 23 2 实例简介实例简介 11 3 33 3 涡街造型方法涡街造型方法 11 3 43 4 网格划分网格划分 16 3 53 5 边界条件类型指定边界条件类型指定 18 3 63 6 M MESHESH文件的输出文件的输出 19 第四章第四章利用利用 FLUENTFLUENT 求解器求解求解器求解 20 4 14 1 F FLUENTLUENT求解器的选择求解器的选择 20 4 24 2 网格的相关操作网格的相关操作 20 4 34 3 选择计算型选择计算型 21 4 44 4 定义流体的物理性质定义流体的物理性质 22 4 54 5 设置边界条件设置边界条件 22 4 64 6 求解方法的设置及其控制求解方法的设置及其控制 24 第五章第五章三种绕流体的数据分析三种绕流体的数据分析 28 5 15 1 圆形绕流体和圆形涡街流量计计算和后处理圆形绕流体和圆形涡街流量计计算和后处理 28 5 1 15 1 1 圆形绕流体涡街计算和后处理圆形绕流体涡街计算和后处理 28 5 1 25 1 2 圆形涡街流量计计算和后处理圆形涡街流量计计算和后处理 29 5 25 2 正方形绕流体和正方形涡街流量计计算和后处理正方形绕流体和正方形涡街流量计计算和后处理 31 5 2 15 2 1 正方形绕流体涡街计算和后处理正方形绕流体涡街计算和后处理 31 5 2 25 2 2 正方形涡街流量计计算和后处理正方形涡街流量计计算和后处理 32 5 35 3 三角形绕流体和三角形涡街流量计计算和后处理三角形绕流体和三角形涡街流量计计算和后处理 34 5 3 15 3 1 三角形绕流体涡街计算和后处理三角形绕流体涡街计算和后处理 34 5 3 25 3 2 三角形涡街流量计计算和后处理三角形涡街流量计计算和后处理 35 5 45 4 仿真分析所得出的结论仿真分析所得出的结论 37 谢谢 辞辞 39 参考文献参考文献 40 xxx 交通大学 2013 届本科生毕业设计 论文 1 第一章第一章 绪论绪论 1 11 1 涡街的基本原理涡街的基本原理 卡门涡街是流体力学中重要的现象 在自然界中常可遇到 在一定条件下的定常 来流绕过某些物体时 物体两侧会周期性地脱落出旋转方向相反 排列规则的双列线 涡 经过非线性作用后 形成卡门涡街 Karman Vortex Street 如水流过桥墩 风 吹过高塔 烟囱 电线等都会形成卡门涡街 卡门涡街有一些很重要的应用 因此有 必要了解其研究历史及有关的应用情况 涡街的每个单涡的频率 f 与绕流速度 v 成正比 对于圆柱绕流 与圆柱体直径 d 成反比 即 Sr 是斯特劳哈尔数 它主要与雷诺数有关 根据实验 当雷诺数 Re 40 时 黏性流体绕过圆柱体 发生边界层分离 在圆柱体后面产生一对不稳定 的旋转方向相反的对称漩涡 Re 超过 40 后 对称漩涡不断增长 至 Re 60 时 这对不稳定的对称漩涡 最后形成几乎稳定的非对称的 多少有些规则的 旋转方 向相反 上下交替脱落的漩涡 这种漩涡具有一定的脱落频率 称为卡门涡街 卡门涡街起因流体流经阻流体时 流体从阻流体两侧剥离 形成交替的涡流 这 种交替的涡流 使阻流体两侧流体的瞬间速度不同 流体速度不同 阻流体两侧受到 的瞬间压力也不同 因此使阻流体发生振动 振动频率与流体速度成正比 与阻流体 的正面宽度成反比 卡门涡街频率与流体速度和阻流体 旋涡发生体 宽度有如下关系 f Sr V d 其中 f 卡门涡街频率 单位 Hz V 流过旋涡发生体的流体平均速度 d 漩涡发生阻流体迎面宽度 Sr 斯特劳哈尔数 是雷诺数的函数 St f l Re 无量纲 它的数值范围 为 0 14 0 27 当雷诺数 Re 在 102 105 范围内 St 值约为 0 2 由此可知 通过测量旋涡频率就可以计算出流过旋涡发生体的流体平均速度 v 再 由式 q vA 可以求出流量 q 其中 A 为流体流过旋涡发生体的截面积 xxx 交通大学 2013 届本科生毕业设计 论文 2 图 1 1 三角形发生体卡门涡街 卡门涡街形成与雷诺数 Re 有关 对于在流体中的圆柱体 当雷诺数 47 Re47 圆柱体后的液体 出现卡门涡街 当雷诺数在 50 至 85 之间 圆柱体后的液体压力 呈等振幅波动 当雷诺数 185 时 圆柱体后的液体压力 呈非均匀振幅波动 1 21 2 涡街的主要用途涡街的主要用途 卡门涡街主要用于涡街流量计的研究与设计 并在工业中有着广泛的应用 在 实际中 将漩涡发生体垂直插入到流体中时 流体绕过发声体时会形成卡门涡街 在测量管道的流体中设置非线性的旋涡发生体 当雷诺数达到一定值时 从漩涡发 生体下游两侧交替地分离释放出两串规则的交错排列的漩涡 在一定雷诺数范围内 漩涡的分离频率与漩涡发生体的几何尺寸 管道的几何尺寸有关 漩涡的频率正比 于流量 并可由各种形式的传感器检出 1 31 3 涡街流量计的基本原理涡街流量计的基本原理 涡街流量计通过嵌入到流体中的漩涡发生体产生的交替漩涡的频率 来测量流速 测量原理为卡曼我姐原理 水流中的障碍物的后面会形成交替的漩涡 交替漩涡的频 率与流速成正比 涡街会对漩涡发生体下游的压电传感器产生一个微小的压力 通过 压电传感器的两个压电晶体 来拾取压力的变化 xxx 交通大学 2013 届本科生毕业设计 论文 3 图 1 2 涡街流量计 1 旋涡发生体 2 压电传感器 流量计使用下面的公式计算流速 Q A V A d St f 这里 Q 流量 m3 h f 漩涡频率 Hz d 旋涡发生体的宽度 m St 斯特劳哈尔系数 A 横截面积 m2 V 流速 m s 1 41 4 涡街流量计的分类及特性涡街流量计的分类及特性 流量测量方法和仪表的种类繁多 分类方法也很多 至今为止 可供工业用的流量 仪表种类达 60 种之多 这 60 多种流量仪表 按测量原理分有力学原理 热学原理 声学原理 电学原理 光学原理 原子物理学原理等 而目前最流行 最广泛的分类 法 即分为 容积式流量计 差压式流量计 浮子流量计 涡轮流量计 电磁流量计 流体振荡流量计中的涡街流量计 质量流量计和插入式流量计 1 差压式流