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大连交通大学2013届本科生毕业设计(论文）
容积式流量计,又称定排量流量计,简称PD流量计,在流量仪表中是精度最高的一类。它利用机械测量元件把流体连续不断地分割成单个已知的体积部分,根据测量室逐次重复地充满和排放该体积部分流体的次数来测量流体体积总量。
容积式流量计按其测量元件分类,可分为椭圆齿轮流量计、刮板流量计、双转子流量计、旋转活塞流量计、往复活塞流量计、圆盘流量计、液封转筒式流量计、湿式气量计及膜式气量计等。
优点:
(1)计量精度高;
(2)安装管道条件对计量精度没有影响; (3)可用于高粘度液体的测量; (4)范围度宽;
(5)直读式仪表无需外部能源可直接获得累计,总量,清晰明了,操作简便。 缺点:
(1)结果复杂,体积庞大;
(2)被测介质种类、口径、介质工作状态局限性较大; (3)不适用于高、低温场合;
(4)大部分仪表只适用于洁净单相流体; (5)产生噪声及振动。 应用概况:
容积式流量计与差压式流量计、浮子流量计并列为三类使用量最大的流量计,常应用于昂贵介质(油品、天然气等)的总量测量。
工业发达国家近年PD流量计(不包括家用煤气表和家用水表)的销售金额占流量仪表的13%~23%;我国约占20%,1990年产量(不包括家用煤气表)估计为34万台,其中椭圆齿轮式和腰轮式分别约占70%和20%。 4．涡轮流量计
涡轮流量计,是速度式流量计中的主要种类,它采用多叶片的转子(涡轮)感受流体平均流速,从而且推导出流量或总量的仪表。
一般它由传感器和显示仪两部分组成,也可做成整体式。
涡轮流量计和容积式流量计、科里奥利质量流量计称为流量计中三类重复性、精度最佳的产品,作为十大类型流量计之一,其产品已发展为多品种、多系列批量生产的规模。
优点:
(1)高精度,在所有流量计中,属于最精确的流量计; (2)重复性好;
(3)元零点漂移,抗干扰能力好;
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(4)范围度宽; (5)结构紧凑。
1.5本文研究的内容
1.本文主要以卡门涡街现象为研究对象，分别对圆柱绕流体，正方绕流体和正三角绕流体三者对涡街现象的结果进行分析，并且选定三者所处的流场大小相同，中心在流场的位置也相同，而且三者的横截面积即二维流场中的阻力面相同。
2.本实验通过GAMBIT软件进行三个流场机器内部区域的绘制，并对所建模型进行网格单元划分。
3.通过FLUENT进行边界条件的选定，流场属性的设定，对不同绕流体所产生的涡街现象进行仿真模拟。
4.分析仿真的结果，对三个场的相同点所产生的压力，速度等进行对比，分析不同绕流体产生不相同的现象，并简单研究其原因。
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第二章 计算流体力学及CFD软件
2.1计算流体动力学方法的形成和发展
计算流体力学(Computational Fluid Dynamics，简称CFD)是当代迅速发展的一门
学科，是利用高速计算机求解流体流动的偏微分方程组，目的是为了更好的从定性上和定量上了解流体流动的物理现象，改进设计的一门学科。目前在航空航天、造船、气象、海洋、水利、液压和石油化工等工程领域都有广泛的应用。
CFD是一种令人鼓舞的模拟流体流动的方法，它大大缩短了设计的时间，节省了设计费用。它相对于理论方法来说，具有假设限制少、应用范围广的特点，其方法也容易应用。相对于实验来说，计算流体力学很少有马赫数和物体尺寸的限制，并且具有较高的经济价值。数值仿真优于实验的地方还在于：计算机仿真的诊断“探测”并不干扰流动且不使所研究的现象变得不可捉摸。
CFD已经代替了许多环境发动机的试验项目，而试验的目的也逐渐从验证设计参数的合理性，改变为对CFD数值模拟的正确性及最终设计的校核。CFD不仅可以为固体环境发动机提供快速而经济的设计依据，并且可以观测到一些试验中无法观测到的物理现象，还可以为新型发动机的设计提供理论依据。
CFD技术艰深的理论背景与流体力学问题的复杂多变阻碍了它向工业界推广。一般工程技术人员很难较深入地了解这门学科，由专家编制的程序用起来也不容易，因为总有不同条件、参数要根据具体问题以及运算过程随时做出修改调整，若不熟悉广法和程序，往往会束手无策，此外，前、后处理也显得十分棘手。CFD研究成果与实际应用的结合成为极大难题，这一切曾使人们对CFD的工程应用前景产生疑虑。在此情况下，通用软件包应运而生，使CFD计算变得方便、简单。
2.2 CFD的基本组成
CFD软件一般包括三个主要部分：前处理器（建模，网格生成等），解算器（具体的数值运算）和后处理器（运算结果的具体演示）。常见的CFD软件有：FLUENT，PHOENICS，CFX，STAR-CD，FIDAP等。以FLUENT公司开发的大型CFD软件FLUENT为例，它可计算从不可压缩（低亚音速）到轻度可压缩（跨音速）直达高度可压缩（超音速）流体的复杂流动问题。FLUENT本身所带的物理模型可以准确地预测层流、过渡流和湍流多种方式的传热和传质，化学反应，多相流和其它复杂现象。它可以灵活地产生非结构网格，以适应复杂结构，并且能根据初步计算结果调速网格。前处理软件Gambit提供了多方位的几何输入接口。计算采用有限容积法。通过图形后处理软件，可以得到二维和三维图象，包括速度矢量图、等值线图（流线图、等压线图）、等值面图（等温面和等马赫面图）、流动轨迹图，并具有积分功能，可以求得力和流量等。
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目前各类CFD软件在其各自的领域内各显其能。但它们在网格划分、初始、边界条件的处理、微分方程的离散方法等都遵循一定的技术原则，在此仅对一般性规则作扼要论述。
2.3 CFD计算的基本步骤
1．模型的建立
数学模型的建立是进行模拟的第一步。首先应该确立研究对象的物理模型。对所研究的问题作一定模型化假设。建立模型时一般应考虑以下几方面因素：从物理模型的性质上看，是无粘流动还是粘性流动，是可压流动还是不可压流动；从物理模型的运动状态上看，是定常的还是非定常流动，有旋还是无旋流动，层流还是紊流，亚声速还是超声速流动等。
例如，当物理过程中流体的物性变化不大时，可作常物性的假定：物理量的场在某一方向上变化相对于其他两个方向很小时可以作二维假定等，然后根据该物理模型确定数学模型。数学模型的选择非常重要，如果所采用的数学模型不适合，即使数值方法再完美，结果也不会符合物理实际，更谈不上工程应用价值。
2．流体流动的定解条件
大多数情况下，流体的任何流动都满足连续方程和运动微分方程组，有时还包括能量方程。方程中包含的未知量比方程个数多，因此还要添加方程才能使之封闭，这些方程视流动情况来定，一般是组份方程，状态方程，密度方程，k-ε方程等。
有了封闭的方程组，为了得到确定的解，还必须给出相应的定解条件。定解条件分为两类：起始条件和边界条件。对于非稳态流动要结定起始条件。即在起始时刻t=0所给定的流场中每一点的流动参数。除此之外，任意瞬时运动流体所占空间的边界上必须满足边界条件。工程应用中常见的边界条件有壁面上的，不同流体交界面上的，无穷远处的及管流进口处的边界条件等。
3．湍流的模拟
湍流是一种高度复杂的非稳态三维流动。在湍流中流体的各种物理参数，如速度、压力、温度等都随时间与空间发生随机的变化。从物理结构上说，可以把湍流看成是由各种不同尺度的涡旋叠合而成的流动，这些涡旋的大小及旋转轴的方向分布是随机的。由于流体内不同尺度涡旋的随机运动造成了湍流的一个重要特点——物理量的脉动。一般认为，无论湍流运动多么复杂，非稳态的N-S方程对于湍流的瞬时运动仍然是适用的。关于湍流运动与换热的数值计算，是目前计算流体动力学与计算传热学中困难最多，因而研究最活跃的领域之一。
湍流模型理论或简称湍流模型，就是以雷诺平均运动方程与脉动运动方程为基础，依造理论与经验的结合，引进一系列模型假设，而建立起的一组描写湍流平均量的封闭方程组。湍流运动物理上近乎无穷多尺度漩涡流动和数学上的强烈非线性，使得理论实验和数值模拟都很难解决湍流问题。
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