Mathematical modelling of vortex generation process in the flowing part of the vortex flowmeter and selection of an optimal turbulence model

Abstract

The article is devoted to mathematical modelling of processes, occurring in the flowing part of the vortex flowmeter, by the finite element method. The urgency of the current study is due to the lack of research in this area. The analysis of research literature devoted to the study of non-stationary vortex shedding processes and other hydrogasdynamies effects occurring in the flowing part of the vortex flowmeter and similar devices has been performed. A brief description of the vortex generation process behind the bluff body placed in a circular cross-section pipe as well as the basic criteria for functional products are presented. Various mathematical models for describing turbulent flows in pipes with an object or obstruction were investigated. The available software packages suitable for modelling unsteady turbulent flows were analyzed. The ANSYS software package, in particular CFX module for fluid and gas, as well as various approaches to mathematical modelling were used to simulate the flowing part of the vortex flowmeter. The article provides a brief description of the basic computational domain settings, mesh formation and initial and boundary conditions setting. To verify the numerical calculations, physical experiments on fluid and gas test benches were performed. For this purpose the samples corresponding to the numerical model have been manufactured and tested. The research findings led us to conclude that in terms of accuracy and calculation time the optimal approach to numerical simulation of vortex generation processes (Karman vortex street) in the vortex flowmeter is the use of the Reynolds-averaged Navier - Stokes equations (or RANS equations) closed by means of a two - equation model of turbulence, known as the к — e model, which is confirmed by comparison with the experimental data. Статья посвящена математическому моделированию процессов, происходящих в проточной части вихревого расходомера при помощи конечно-элементных методов. Актуальность обусловлена недостатком информации по этому направлению на данный момент. Проведен анализ современных источников информации по исследованию процессов нестационарного вихреобразования и других гидрогазодинамических эффектов в проточной части вихревого расходомера и подобных устройствах. Приведено краткое описание процесса вихреобразования за телом обтекания, расположенном в трубопроводе круглого сечения. Приведены основные критерии работоспособности изделия. Рассмотрены различные математические модели для описания турбулентных течений в трубах с препятствием, проанализированы программные пакеты, на базе которых возможно моделирование нестационарных турбулентных течений. Проточная часть была смоделирована в программном комплексе ANSYS в модуле CFX для жидкости и газа, с применением различных подходов к математическому моделированию. В статье приводится краткое описание по основным настройкам расчетной области, по построению сетки и заданию начальных и граничных условий. Для верификации численных расчетов проводились физические эксперименты на проливочных установках и на газовом стенде. Для этого были изготовлены и протестированы образцы, соответствующие численным моделям. По результатам исследований было установлено, что наиболее оптимальным подходом, с точки зрения точности и времени расчета, при численном моделировании процессов вихреобразования (дорожки Кармана) в вихревом расходомере является использование осредненной по Рейнольдсу системы уравнений Навье - Стокса, которая замыкается при помощи моделей турбулентности k—е, что подтверждается сравнением с экспериментом.