作為重要的二次清潔能源，蒸汽在電廠，石油化工，食品，機械加工和人們日常生活等工業生產領域占有越來越重要的地位。為了提高蒸汽的測量水平，研究人員開發了各種類型的蒸汽流量計，如標準孔板，噴嘴和渦街流量計。在眾多類型的蒸汽流量計中，渦街流量計結構簡單，測量范圍廣泛。測量過程中壓力損失小，無運動部件的優點迅速推廣并用于蒸汽計量。

1、渦街流量計

　　渦街流量計（也稱為渦街流量計）是一種基于“假面渦街”原理的流體振蕩流量計。所謂的“卡門渦街”現象是在流經測量管道的流體中插入一個（或多個）具有非流線型表面的渦流發生器。當雷諾數達到一定值時，它從渦流發生器的下游側交替。地面分離釋放稱為卡門渦街的兩串規則交錯渦流。在一定的雷諾數范圍內，渦旋的分離頻率與渦旋發生器的幾何形狀和管道的幾何形狀有關。渦流的頻率與管道流體的流量成比例，并且可以通過各種類型的傳感器來檢測，并且渦流儀表的工作原理如圖1所示。

渦街流量計工作原理圖

卡曼渦街街道頻率公式是：

　　其中：f是渦旋頻率; Sr是斯特勞哈爾數; m是渦流發生體兩側的拱形區域與管道橫截面積的比值;在不可壓縮流體中，流體密度ρ是恒定的，從連續性方程可用m = U / U1。

　　不同介質對渦街流量計性能的影響最終體現在流量計系數的差異上。因此，利用Fluent軟件建立渦街流量計的幾何模型，對不同介質下的流場進行了仿真和模擬，并對不同的介質進行了仿真。在儀器系數下，空氣和水作為替代介質的最終驗證會導致通過實時校準蒸汽獲得的儀表系統的差異。

2、仿真模型和條件設置

2.1、仿真模型

　　選擇DN100口徑渦街流量計進行研究。 Gambit軟件用于創建渦街流量計幾何模型并劃分網格。渦街流量計的主體橫截面網格如圖2所示。

渦街流量計本體橫截面網格

　　為了提高計算效率，渦街主要是加密的，其他地區適當稀疏。從圖2可以看出，身體所在的渦街被統一加密。通過密碼方法，渦流產生體的橫截面網格更密集，并且渦旋街道附近的網格更靠近管壁。

2. 2、模擬條件設定

　　模擬選擇了三種流體材料：空氣和蒸汽，兩種可壓縮流體和不可壓縮水。在Fluent中，空氣和蒸汽材料通過設置氣體密度選項來實現。為不可壓縮流體選擇的密度是常數;空氣介質的默認密度為1.225 kg / m3，密度設置為理想氣體。在迭代計算過程中，根據氣體狀態方程的壓力變化校正流體的密度;蒸汽介質的密度基于IF-97公式，使用UDF編程設置。

　　仿真模型選擇RNG k - ε兩方程湍流模型。該模型可以很好地處理高應變率和大流線彎曲的流體流動，非常適合具有渦旋脫落現象的渦流場模擬[8]。

3、流場模擬分析

　　根據公式（1）可以看出，渦街流量計的渦旋頻率受流速U1和發生體兩側的發電體結構的影響。由于車身結構尺寸固定，頻率只與U1有關，需要在相同的入口流速U U1下進行觀察才能得到頻率的變化，而車速的變化必然會導致流體密度的變化。因此，可以觀察到發生器兩側的密度云圖，以判斷壓縮性對渦街流量計流速U1的影響。圖3（a）顯示了不可壓縮流體發生器兩側的密度圖和圖3（b）所示的可壓縮流體發生器兩側的密度圖。

　　從圖3可以看出，模擬過程中不可壓縮流體的密度不變，可壓縮流體的密度發生變化，這不可避免地導致兩側速度U1的變化。當可壓縮流體穿過身體時，密度變小并且U1變大。

　　根據圖3中得出的結論，渦旋流量計通過軟件在三種介質中模擬：蒸汽，空氣和水。三種介質的入口速度設定為50m / s，并使用渦街發生器。流入面的中線連接到管壁，如圖2中的線ab所示。獲取線上的速度值并比較蒸汽，空氣和水的速度曲線。結果如圖4所示。

　　從圖4可以看出，在靠近渦流發生器的位置處，可壓縮流體流速明顯大于不可壓縮流體流速，且空氣流速大于蒸汽介質流速。因此，空氣介質受氣體壓縮性影響很大。

　　渦街流量計的計量性能最終反映在儀表系數上。渦街流量計兩邊的渦旋頻率決定了儀表系數的大小。圖5顯示了通過模擬獲得的渦街流量計的渦街流場靜壓云圖。從圖中可以看到兩個截然不同的脫落渦。在圖中，區域A的靜壓大，區域B的靜壓小。靜壓最小的位置是C，這是渦旋渦的位置。渦流發生器主體下游1D處的靜壓的檢測結果如圖6所示為靜壓變化圖。

　　對圖 6 中靜壓數值進行快速傅立葉變換，得到如圖 7 所示的三種介質下的旋渦脫落頻率圖。

　　通過讀取圖 7 三種介質旋渦脫落頻率圖最高

　　在該點頻率下，空氣介質的渦旋脫落頻率為1 595 Hz，蒸汽介質的渦旋脫落頻率為1 579 Hz，水介質渦旋脫落頻率為1 559 Hz。代替公式（1），可以發現渦街流量計具有最小的流量計系數，第二高的蒸汽流量，以及相同介質中具有相同管道直徑和入口速度的最大空氣。它表明空氣受氣體介質壓縮性的影響很大，發電體兩側的密度變化率大于蒸汽的密度變化率。

4、實驗驗證

　　為了驗證模擬分析的結論，使用三種類型的介質，使用負壓聲波噴嘴氣體流量測量標準裝置，蒸氣流量測量標準裝置和水流量測量標準裝置來研究這種結構的渦街流量計。測試條件參數如表1所示。

　　在上述實驗條件下，獲得了三種標準計量裝置的計量系數。實驗結果如圖8所示。

　　DN100渦街流量計在空氣，水，

　　從圖8可以看出，在實驗過程中，空氣和水表的系數和模擬分析基本上是一致的，但蒸汽介質的計量系數很小，主要是因為蒸汽介質的高溫改變了由發電機幾何形狀的變化引起的儀表系數。

　　基于經驗公式（4）：

　　從等式（4）可知，隨著溫度的升高，儀表系數減小，因此示出了圖8所示的實驗數據與圖7中計算的儀表系數之間的微小差異。

5、結論

　　利用Fluent軟件，實現了不同介質中渦街流量計的流場模擬。根據卡門渦街的生產機理，對空氣，蒸汽和水條件下的流場進行了比較分析。仿真結果表明，隨著可壓縮性的增加，渦街流量計的流量系數變大。因此，在渦旋流量計的第一次或后續驗證中，應使用與工作條件相同的介質進行校準。