摘要(yao):針對渦街(jie)式流速傳(chuán)感器中電(diàn)信号微弱(ruò)并且提🔞取(qu)特征♌渦街(jie)信号困難(nan)，基于壓電(diàn)方程和湍(tuān)流N-S方程，建(jian)立了流-固(gù)㊙️-電耦合仿(pang)㊙️真計算模(mo)型,構建了(le)流速測量(liàng)的新方法(fǎ)㊙️。通過理論(lun)分析和風(feng)洞實驗，獲(huò)得了圓柱(zhù)繞流體直(zhí)徑(D)、空氣流(liú)速(v)與🏃壓電(dian)傳感⭐距離(lí)()以及♻️功率(lü)(P)之間的影(ying)響規律。仿(pang)真計算和(hé)實驗結果(guǒ)表明:通過(guò)提取頻✉️域(yu)曲線中渦(wo)激頻率下(xia)的功率作(zuo)爲渦💋街的(de)傳感強度(du),有助于感(gan)知微弱的(de)空氣流速(su)信号,同時(shi)解決噪聲(shēng)等電🤟路上(shàng)的幹擾影(yǐng)響。其次,D增(zēng)加，最優傳(chuan)感距離(Losr)增(zēng)加;D不變時(shi)，功率(Posr)随流(liú)速增大而(er)提高,且Losr不(bú)變;通過分(fen)析得出了(le)采集信号(hào)在Losr下最優(you)的本質原(yuan)因一在該(gāi)處，渦街成(cheng)⛹🏻‍♀️熟且脫落(luò)穩定、升力(li)系數🏃🏻(CL)穩定(dìng)☀️。最後,該壓(yā)電裝置測(cè)量的最低(di)流速爲0.3m/s.
　　渦(wō)激振動(VIV)是(shì)一種典型(xíng)的流緻振(zhen)動(FIV)。結構的(de)非流線型(xíng)會導🔞緻其(qí)在流體的(de)作用力下(xià)産生周期(qī)性旋渦脫(tuō)落🌍,使結構(gòu)受到與流(liú)向垂直的(de)周期性氣(qì)動力,進而(er)激發結構(gòu)的⚽橫向振(zhèn)動川由于(yu)流體🏃‍♀️流速(su)與旋渦脫(tuō)落頻率有(you)對應關系(xì)，因此常🧡制(zhì)作成多種(zhong)空氣流🚩速(su)傳感器,例(li)如,基于上(shang)述🌐渦街振(zhen)動原理研(yán)制的渦街(jie)流量計 ，工(gōng)業級的渦(wō)街流量計(jì)主要易受(shòu)環境噪聲(shēng)的幹擾,導(dao)👈緻其對☁️低(dī)速不敏感(gǎn)。同時,空氣(qì)流速傳感(gǎn)器廣泛應(yīng)用于畜🌏禽(qin)舍環境控(kong)制,風能采(cǎi)集,流量檢(jiǎn)測,氣象🤞監(jian)控,等領域(yu)[2-4]。例如,在畜(chu)禽環境監(jiān)測領🐆域,通(tong)風時流速(sù)太快引🚩起(qǐ)畜禽強烈(liè)的應激反(fǎn)應或因局(ju)部溫度驟(zhou)降導緻畜(chù)禽強感冒(mào)，或㊙️造成畜(chu)禽的生産(chan)性能、免疫(yì)能力、生長(zhǎng)速㊙️度等下(xià)降'因此,對(duì)畜禽舍通(tōng)風🐇裝置的(de)流速檢測(ce)尤其重要(yao)。傳.統FIV傳感(gǎn)器多采用(yòng)機械轉動(dong)結構,其結(jié)構複雜,對(duì)加工精度(du)和機械穩(wěn)定性都有(you)較高的要(yao)求7。而近.年(nián)來利用壓(ya)電材料作(zuò)傳❄️感元件(jian)研制的FIV傳(chuan)感器，其不(bú)需要轉動(dong)部件,且叮(dīng)與微機電(diàn)系統(MEMS)集成(cheng),因此易于(yú)微型化。
　　目(mù)前,VIV傳感器(qi)主要采用(yòng)兩種壓電(diàn)材料作爲(wèi)傳感元件(jiàn):锆🔴钛酸鉛(qiān)✍️壓電陶瓷(cí)(PZT)和聚偏二(er)氟乙烯(PVDF)。PVDF薄(bao)膜由于❗其(qi)高柔性的(de)特點,适用(yòng)于交變載(zai)荷的感知(zhi)121。然而,壓電(dian)式流🈚渦激(jī)振動(PVIV)流速(su)傳感器還(hai)有許♋多不(bú)完善的地(di)方。特别是(shì)檢測低流(liu)場流速時(shi)(流速低于(yú)2m/s),渦街壓電(diàn)信号微弱(ruo),同時測量(liàng)現📧場的噪(zao)聲十👅擾相(xiang)對較強👣,造(zao)成渦街特(te)征信号提(tí)取的困難(nán)。比如測量(liang)過程中，壓(ya)電元件自(zi)身受流場(chǎng)擾動産生(shēng)的信号、風(fēng)洞系統産(chǎn)生的噪聲(shēng)信号等,會(hui)把渦街特(tè)征信🤟号淹(yān)沒。針對這(zhe)一問題,許(xu)多學者對(dui)PVIV流速傳感(gan)器展開了(le)全面的研(yan)究,如繞流(liú)體的形狀(zhuàng)和排布、電(dian)路檢測方(fāng)式以及⛷️信(xìn)号提取方(fang)法17-19,提高了(le)空氣流速(su)測量精度(dù)和範圍。
　　PVIV流(liú)速傳感器(qì)的結構采(cǎi)用圓形或(huo)梯形旋渦(wo)繞流體和(hé)✍️PZT或PVDF薄膜爲(wèi)⚽傳感元件(jiàn)組成。研究(jiu)發現,改變(biàn)繞流體直(zhí)徑會導🈲緻(zhi)繞流與🏃‍♂️傳(chuán)感器元件(jiàn)之間的距(ju)離不同。這(zhè)表明,漩渦(wo)測量位置(zhi)和繞流♋體(ti)直徑将影(yǐng)響PVIV檢測精(jing)度。針對上(shàng)述問題🔴,提(tí)出了一種(zhong)基于PVIV流速(sù)傳感裝置(zhi)。該裝置由(you)圓柱繞流(liu)體和PVDF壓電(diàn)懸臂梁組(zǔ)成。利用數(shu)值模拟方(fang)法研究渦(wō)街流場特(te)性,分析傳(chuan)感器結構(gou)參數對渦(wō)街響應信(xìn)号檢測的(de)影響規律(lǜ)。采用通過(guo)提取頻域(yu)曲線中🏒渦(wō)激頻率下(xia)的功率作(zuò)爲渦街💃🏻的(de)傳感強度(du),增強了感(gǎn)知微弱⛹🏻‍♀️的(de)流速響應(ying)信号,月能(neng)夠解決噪(zào)聲等電路(lu)上的幹擾(rao)影響,擴大(dà)了對低🎯流(liu)速的檢測(cè)能力。爲高(gao)靈敏.快響(xiang)應的空氣(qi)流速傳🈲感(gan)器件的設(shè)計及測量(liàng)提供新的(de)🍉探測方法(fa)。
1壓電渦激(ji)振動流速(su)傳感裝置(zhì)
1.1傳感結構(gou)
　　本文PVIV流速(su)傳感裝置(zhi)的結構如(rú)圖1所示。該(gāi)結構由圓(yuan)柱繞流體(ti)和PVDF壓電懸(xuán)臂梁構成(cheng),其.中懸臂(bi)梁由表面(miàn)塗有銀電(diàn)極層❄️的PVDF薄(báo)膜組成;同(tóng)時,靠近圓(yuan)柱繞流體(ti)一側的PVDF壓(ya)電懸臂梁(liang)端部固支(zhi)。圓柱繞流(liú)體直徑D=7mm,圓(yuán)柱體中心(xin)距PVDF壓電懸(xuán)⚽臂梁固支(zhī)端距離爲(wèi)L,人射流速(sù)爲v,其方向(xiang)垂直于圓(yuan)柱體表面(mian)。仿真計算(suan)時,D值的範(fan)圍爲30mm~70mm,u值範(fàn)圍爲🏃‍♀️0.3m/s~2.5m/s,L值的(de)範圍爲50mm~170mm。爲(wèi)了簡化計(ji)算和控制(zhì)多餘變量(liàng)👣,PVDF壓電懸臂(bi)梁高度h設(shè)定爲30mm。當外(wài)界來流作(zuò)用時,PVDF壓電(dian)懸臂梁結(jie)構産生振(zhen)蕩,根據壓(yā)電效應,壓(yā)😘電層的變(biàn)形使其衣(yi)面聚集電(dian)荷,形成響(xiǎng)應電壓。
 
1.2流(liu)-固-電耦合(hé)模型
　　由于(yú)氣流經圓(yuan)柱體産生(shēng)渦旋後,後(hòu)方的氣流(liu)流動基⛱️本(běn)處于湍流(liú)狀态,流場(chang)的分布複(fu)雜,因此,結(jié)合計算流(liu)體力💃學(CFD)以(yi)及壓✍️電效(xiao)應進行數(shu)值模拟,分(fen)析繞流體(tǐ)直徑、與壓(ya)電傳感距(jù)離對低空(kōng)氣流速檢(jiǎn)測的影響(xiang)規律❄️。
1.2.1理論(lun)模型
　　壓電(diàn)傳感結構(gòu)感知流體(ti)流動是--個(gè)多物理場(chǎng)耦合的複(fu)雜過程,主(zhǔ)要包括流(liu)場、力場.和(hé)電場的綜(zōng)合作用。流(liú)場産生的(de)壓強轉化(hua)爲壓力作(zuo)用在懸臂(bi)梁表🈲面産(chan)生結構變(biàn)形并引起(qi)其壓電層(céng)變🐕形,根據(jù)壓電效應(ying)産生電荷(he),計算模型(xing)中通過機(ji)電耦合方(fang)式将産生(shēng)的電荷♍全(quan)部聚集在(zai)懸臂梁表(biǎo)面,最終轉(zhuǎn)化爲瞬态(tai)電壓。變形(xing)🔴體形狀的(de)改變将改(gai)變流場,其(qi)中的🈚流固(gu)耦合面可(kě)由振動和(hé)😘流場控制(zhi)方程水描(miáo)述,當流場(chang)流速小于(yú)0.3馬赫，流場(chang)被認爲是(shi)不可壓縮(suo)，這種不可(kě)壓縮的牛(niú)頓流體💚介(jiè)質可✔️由連(lian)續性方程(cheng)(1)和N-S(Navier-Stokes)方程(2)描(miáo)述，方程如(rú)下所示:
 
 
1.2.2仿(pang)真計算
　　将(jiang)上述PVIV流速(su)傳感器簡(jian)化爲一個(gè)二維物理(li)模型,如🌈圖(tú)2所示,其🤩中(zhōng)🔆.D爲圓柱型(xing)渦流發生(shēng)休直徑,計(ji)算域爲🔞25Dx5D的(de)矩形,壓電(diàn)懸臂梁位(wei)于圓柱的(de)中軸線上(shang).左端固支(zhī)。模型中,範(fan)圍在0.3m/s~2.5m/s,D範圍(wei)在30mm~70mm,即雷諾(nuo)數在500~9800之間(jiān)。選取空氣(qì)域材料參(can)數,采用SIMPLE求(qiú)解器,進行(hang)瞬态分🈲析(xi),計算材🔅料(liao)參數如表(biǎo)☂️1所示。采用(yong)二🌈角形非(fēi)結構🥰化的(de)網格劃💜分(fèn),在圓柱和(he)PVDF壓電梁的(de)核心區域(yu)網格分布(bù)較密集。
 
2風(fēng)洞試驗
　　試(shi)驗在低速(sù)風洞進行(hang),測試平台(tai)如圖3所示(shì)。采集的壓(ya)電信号通(tōng)❌過電荷放(fàng)大器與NI數(shu)據采集卡(kǎ)相連,運🈲用(yòng)LabVIEW對信号進(jìn)行ADC數模轉(zhuan)換、濾波,頻(pin)譜分析(FFT變(biàn)換);通過激(ji)光位❄️移傳(chuán)感器采集(ji)渦激振🔱動(dòng)時壓電梁(liáng)末端的🐉y向(xiàng)位移。最終(zhōng)在計算機(ji)中顯示🌈PVDF壓(ya)電梁振動(dòng)的時域✍️曲(qu)線和頻譜(pu)💰曲線。重點(dian)探尋壓電(dian)傳感距離(lí)在不同❄️圓(yuan)柱繞流體(tǐ)直徑尺寸(cun)和流速變(biàn)化的條件(jiàn)下對流場(chǎng)感知特性(xìng)的影響規(gui)律。試驗條(tiáo)件如表2所(suo)示。實驗中(zhōng),由50nmmn到170mm,間隔(gé)10mm依次測量(liàng)不同距離(li)下的❤️渦街(jiē)響應信号(hào)。
 
 
3計算與測(cè)試結果分(fèn)析
　　通過卡(ka)門渦街理(li)論,獲得了(le)渦街産生(sheng)的流速條(tiáo)件和圓🤟柱(zhù)♌繞流體直(zhí)徑範圍
 
　　式(shì)中:μ爲空氣(qì)動力學粘(zhan)度,St爲斯特(te)勞哈爾數(shu),ƒ爲渦街脫(tuō)落👉頻率。當(dāng)雷諾數在(zai)的範圍内(nei)，渦流會以(yǐ)一個相對(duì)穩定的♻️頻(pin)率周期性(xìng)脫🔴落,根據(jù)流速條件(jian)和圓柱百(bǎi)徑範圍,可(ke)得出在該(gai)條件下的(de)雷諾數範(fan)圍爲500~9800,滿足(zú)産生渦街(jie)脫落的條(tiáo)件。
　　圖4爲流(liu)速爲2m/s,圓柱(zhù)直徑爲30mm下(xia),産生渦街(jie)脫落的特(tè)性🚶。由圖叮(ding)知,渦街的(de)交替脫落(luo)需要經曆(li)一個生長(zhǎng)、成熟.衰退(tui)的📞過程。PVDF壓(ya)電懸臂✍️梁(liáng)因此生信(xin)号的傳感(gan)強度與傳(chuan)感距離有(yǒu)關,由此驗(yàn)證了木文(wén)利用渦街(jiē)傳感的合(he)理性。
 
　　圖5展(zhǎn)示了升/阻(zǔ)力系數與(yu)傳感距離(lí)和雷諾數(shù)的關系🐉，文(wén)中🔴PVDF壓電懸(xuan)臂梁左端(duan)固支,自由(yóu)端在渦流(liu)中受到旋(xuán)渦激振力(lì)😘的作用而(ér)産生y方向(xiàng)的周期性(xìng)振蕩🈲。圖5(a)爲(wèi)Re=838,L=50mm時的流場(chang)升/阻力曲(qǔ)線,由圖可(ke)知，在計算(suàn)時間🏃🏻約3s~5s流(liu)場基本穩(wen)定。圖5(b)升力(lì)系數與雷(lei)諾數Re,1.之間(jian)的仿⛱️真關(guān)系。可知随(sui)Re增大,流場(chǎng)🙇🏻湍流強度(dù)增強,此時(shí)壓電懸臂(bi)梁表面所(suǒ)受的壓力(li)增加，升力(li)增大,在L=50mm時(shi),幅值達1.1。值(zhí)得關🌈注的(de)是，在相同(tong)🈲雷諾數下(xia),随傳感距(ju)離的增大(da),升力系數(shu)随之🐪下降(jiang),升力場呈(cheng)現衰減的(de)現象。其中(zhōng),在L=50mm,即👌樂電(dian)懸臂梁與(yu)圓柱繞流(liu)體之間距(jù)離最近時(shí),其升力系(xì)數最高,反(fǎn)映流場波(bō)動最劇烈(liè),其原因是(shi)懸臂梁🌏的(de)位置在渦(wō)街🈲生長區(qū)，因此壓電(diàn)懸臂✌️梁靠(kào)近圓柱體(ti)區城出現(xiàn)🏃渦旋回流(liú),造成的壓(ya)力對壓電(dian)懸臂梁的(de)受力和振(zhèn)動産生增(zeng)強🔴的作用(yòng)。此外,1.=50mm~70mm範圍(wéi)内,升力系(xi)數曲線整(zheng)體下降不(bú)明顯;L=70mm-110mm範圍(wei)内,升力系(xì)數曲線出(chu)現交叉的(de)現象,說明(ming)該‼️區域流(liu)場波動變(biàn)化相似,此(ci)時PVDF壓電懸(xuan)臂梁的位(wei)置往🏃🏻往是(shì)滿街成熟(shu)區,适于形(xíng)成穩定的(de)滿街✔️;L=110mm~130mm範圍(wei)内,共升力(lì)系數曲線(xiàn)整體下降(jiàng)明顯,場流(liu)動性大幅(fú)下降,此時(shi)雷諾數爲(wei)600,其升刀系(xi)數下降至(zhi)0.3,此時懸臂(bi)梁的位置(zhì)往往是渦(wo)街衰退區(qu)。
 
　　圖6展示了(le)在流速爲(wei)2m/s,圓柱直徑(jìng)爲30mm條件下(xia),傳感器件(jian)位㊙️移響應(ying)特💜性。由圖(tú)可知,流場(chang)作用3s後,懸(xuán)臂梁産生(sheng)的y方向振(zhèn)蕩逐漸穩(wěn)定,該結果(guo)驗證了圖(tu)5(a)中流場升(shēng)/阻力與時(shí)間的關系(xì)。受渦街作(zuò)♋用,懸臂梁(liáng)自由端部(bù)産生的y向(xiang)位移最大(da);對比圖5中(zhong)計算位移(yi)🎯曲線和通(tong)⚽過激光位(wèi)移傳感器(qì)測得的實(shí)驗位移曲(qu)線發現,實(shi)🈲際測量的(de)振蕩曲線(xian)的幅值略(luè)小于計算(suan)幅值,同時(shí)前者的震(zhèn)蕩頻率(13.8Hz)略(lue)小于🍓後者(zhe)産生的震(zhèn)蕩頻率(14.0Hz),原(yuan)因在于計(jì)算設置的(de)阻尼比與(yu)實際值有(yǒu)誤差，然而(er)由于誤差(cha)較小，實際(jì)測量的震(zhen)蕩曲線與(yu)計算的到(dào)的大緻--緻(zhi),因此證實(shi)本文中流(liu)固耦合計(jì)算的正确(què)率。
 
　　圖7給出(chū)了圓柱繞(rao)流體直徑(jing)爲30mm時,人射(she)流速與PVDF懸(xuan)臂梁感🔱知(zhi)渦街頻率(lü)之間的關(guān)系。主要對(dui)比卡門渦(wō)街理論💛值(zhí),仿真計算(suan)值與實驗(yan)值。如圖可(ke)知,計算值(zhí)相比理論(lun)值,其與實(shí)驗值🏃🏻更爲(wei)接近,其更(gèng)加正确的(de)反映實際(jì)情況下的(de)渦激振動(dòng)時産生的(de)渦街現象(xiang),進--步說明(ming)本文仿真(zhēn)計算的⚽合(he)理。其中,流(liú)速爲1m/s時的(de)實驗與計(ji)算時域曲(qǔ)線(圖7(b)和7(c))可(kě)知,仿真計(ji)算下的PVDF壓(ya)電懸臂梁(liang)産生的電(diàn)👄壓響應信(xìn)号穩定,在(zai)渦街穩定(dìng)後其電壓(yā)幅值随時(shi)間⛹🏻‍♀️幾乎恒(héng)定.這說明(ming)此時懸臂(bi)梁在y方向(xiang)的振蕩幅(fu)值穩定;而(ér)對比圖7(b)可(ke)知,實際💁條(tiáo)件下采集(ji)的電壓時(shi)域曲線在(zai)幅值大小(xiao)上随時間(jiān)波動較爲(wei)明顯,即周(zhou)期内的Ux-Ug值(zhi)往往不穩(wen)定,在該曲(qu)線🔴上會疊(die)加包括電(dian)路幹擾,工(gōng)頻🍓十擾,以(yi)及流場對(duì)壓電梁産(chan)生的x方向(xiàng)的振動影(yǐng)響。在此情(qing)況下,若根(gēn)據前人叫(jiào)采用提取(qǔ)電壓的Ux-Ug值(zhí),0-Ug值或U....的方(fang)法來表征(zheng)🎯壓電梁感(gan)知渦街的(de)特性往往(wǎng)并🚶‍♀️不正确(que)🈲,而通過提(ti)取功率的(de)方法㊙️更爲(wei)正确,因此(cǐ)本文采用(yòng)通過提取(qǔ)頻域曲線(xian)中渦激頻(pin)率下的功(gōng)率表征渦(wo)街的傳感(gǎn)強🌈度。此外(wai),由圖7可知(zhi),仿💰真中，PVDF壓(ya)電懸臂梁(liang)可檢測的(de)流速爲0.3m/s,此(ci)時👄該懸臂(bi)梁産生的(de)振動約爲(wei)2.0Hz,該💞值與理(li)論值及實(shi)驗值接近(jin)，進一步說(shuo)明了本文(wén)仿真計🌈算(suan)的💋合理。

 
　　圖(tú)8爲傳感強(qiang)度(功率P)在(zài)不同傳感(gan)距離下的(de)分布曲線(xiàn)。給出了D=30mm,人(rén)射流速依(yi)次爲0.5m/s,1.0m/s,2.0m/s時的(de)實驗及計(jì)算結果。同(tóng)時🏃‍♀️根據式(shì)(8),P值由對應(yīng)時城曲線(xiàn)通過傅裏(lǐ)葉變換(FFT)轉(zhuǎn)換而✏️來。
 
　　圖(tu)8(a)可知,同一(yī)繞流體直(zhi)徑下,流速(sù)越大,其P随(sui)傳感位🔞置(zhi)的變化規(gui)律基本一(yī)緻,即均在(zài)L爲90mm附近最(zui)大.反映出(chu)在相同區(qu)域PVDF壓電梁(liáng)測量的信(xìn)号強度達(da)到最大:同(tong)時反映,傳(chuan)感距離(L.)與(yǔ)人射流㊙️速(su)大小無關(guan),分析原因(yin).根據卡門(men)渦街理論(lun).認爲這是(shi)由于渦街(jie)交替脫落(luò)時旋渦方(fāng)向對壓電(diàn)梁産生的(de)影響，即旋(xuan)渦y方向的(de)速度引起(qi)☂️振蕩作用(yòng)(參考圖9周(zhou)期内的y方(fang)向流場速(sù)度可知),與(yǔ)x方向,即人(ren)射流速方(fāng)向無關。值(zhi)得注意的(de)是,由圖8(b)~圖(tú)8(d)發現,在相(xiàng)同直徑下(xia),随流速☔增(zēng)大,流場☎️對(dui)壓電梁産(chǎn)生的激頻(pin)成分更爲(wei)複雜,這與(yu)圖5(b)相符,即(jí)随Re增大,流(liu)場湍🏃‍♂️流強(qiang)度增強,反(fan)映流場波(bo)動更加劇(ju)烈。但是對(dui)于産生渦(wo)街的頻率(lǜ)穩定且與(yǔ)理論(式(10))一(yī)緻,進一步(bù)說明了本(běn)文采用💚功(gōng)率來表征(zheng)傳感強💰度(du)的合理性(xìng)。此外,觀測(cè)圖8(a)可知,L超(chāo)過110mm時,P值均(jun)下降,分析(xī)原因,根據(jù)渦街理論(lun),由于黏性(xìng)的耗散.此(ci)時旋渦逐(zhú)漸衰退,所(suo)以的傳感(gǎn)位置應在(zài)渦街🔴的成(chéng)熟區附近(jin)。
 
　　圖10爲傳感(gǎn)強度(P)在不(bu)同傳感距(jù)離下的分(fèn)布曲線,展(zhan)🤞示了低流(liu)速情況下(xia)，即ʋ=1m/s,繞流體(ti)直徑依次(cì)爲30mm,40mm,50mm時的實(shi)驗及計算(suan)結果。由圖(tú)10(a)可知,P随傳(chuán)感距離L的(de)分布規律(lü)有所不同(tong)。當D越大..，越(yue)大,即旋渦(wō)🔞越遠離繞(rào)流體。例如(ru)🔞當D=30mm時(.=90mm;當D=40mm時(shi)🈲,L=110mm;當D=50mm時,Lm=130mm。值得(dé)注意的是(shì),由圖10(b)~圖10(d)發(fā)現,在相同(tong)👄ʋ下,随D值增(zēng)大.流場對(dui)壓電梁産(chǎn)生的激頻(pin)成分更少(shao)👅,分析原因(yin),可能是由(you)于随着D值(zhí)增.大,在CCT兩(liang)側産生的(de)交替旋渦(wo)相互之間(jiān)的作用減(jiǎn)小，使得流(liu)場的波動(dòng)✉️減小所導(dao)緻的。
 
　　圖11展(zhǎn)示了當r=0.5m/s,D=30mm時(shi),--個振動周(zhōu)期下渦街(jie)壓強雲紋(wen)圖以及懸(xuan)臂梁的變(bian)形情況。可(ke)以直接看(kàn)出,懸臂梁(liáng)在渦街中(zhong)受到👣周期(qī)🌈下的漩渦(wō)激振力而(er)産生振蕩(dang)現象⭕。其中(zhong)懸臂梁兩(liang)側的壓✨強(qiáng)差是導緻(zhi)懸臂梁的(de)偏轉的直(zhi)接原因,而(ér)壓強🏃差是(shì)由于🔞渦街(jiē)通過懸臂(bì)梁産生的(de)。與此同時(shí),壓強差産(chan)生了流場(chǎng)的升力.使(shǐ)得懸臂梁(liang)得到了向(xiang)上及向下(xia)運動的加(jiā)速度。不僅(jin)如此📧,懸臂(bì)梁自由端(duān)振幅随時(shi)❌間的增長(zhang)最快,達到(dào)最大振幅(fú)時,振動速(sù)度最小。此(cǐ)外,一個振(zhen)動周期内(nei),懸臂梁産(chǎn)生了兩次(cì)振動方向(xiang)的改變,使(shǐ)得懸臂梁(liáng)周圍流場(chǎng)也發生了(le)周期性的(de)改變，PVDF樂電(diàn)懸臂梁與(yu)流場的相(xiang)互作用形(xing)成了較爲(wei)⛹🏻‍♀️穩定的振(zhen)動規律,振(zhen)動周期保(bao)持不變。
　　圖(tu)12爲傳感距(ju)離與流速(sù)及繞流體(ti)直徑之間(jiān)的計算及(ji)實驗關🤟系(xi)⚽。由圖12(a)可知(zhi)随D值增大(dà)逐漸增加(jia)，且近似🆚線(xiàn)性💋關系💋。同(tong)時,測量曲(qu)線與計算(suàn)曲線--緻。分(fèn)析原因，根(gen)據圖4及式(shi)(10),最住傳感(gan)距離應該(gai)在旋渦的(de)成熟區🔞,D增(zeng)大時,其⭕兩(liang)側剪切❄️層(ceng)之間距🍓離(lí)變大,其相(xiàng)互作用變(bian)慢,使漩渦(wō)的脫落頻(pín)率減小，使(shi)得旋渦産(chǎn)生位置💘距(ju)繞流體越(yuè)🙇🏻遠,即最住(zhu)檢測位置(zhi)越遠離圓(yuan)柱繞流🐇體(tǐ)。由圖12(a)進一(yī)-步可知,與(yǔ)ʋ無關,這與(yu)圖8(a)的分布(bu)曲線一緻(zhì)。
 
　　圖13爲傳感(gǎn)距離下的(de)P值(P..)與o,D之間(jiān)的計算及(ji)實驗關系(xi)。由圖13(a)可知(zhī),P.随。增大而(ér)遞增,同時(shí)随D增大而(er)遞增;同時(shi)，測量👌曲線(xian)與計算曲(qu)線保持-緻(zhì)。分析原内(nei).根據式(9),由(you)⭐Re與txD成正比(bǐ)關系,Re增加(jiā)，導🌈緻其升(sheng)力系數🔞增(zēng)大,即反映(yìng)流場波動(dong)越劇烈,此(ci)時結構表(biao)面所受壓(ya)力增加,導(dǎo)緻PVDF壓電梁(liang)的🏃🏻‍♂️振蕩幅(fú)值變大,産(chǎn)生的壓電(dian)功率越高(gao)😍。其中圖13(b)顯(xiǎn)示,當🎯v=2.5m/s,D=70mm.,P..約爲(wei)10x10*mW;當0=0.5m/s,D=30mm,P.約爲8x102mW。可(kě)推測,若流(liu)速和直徑(jìng)同時分别(bié)小于0.5m/s和30mm,産(chǎn)生的P..，将小(xiao)于8x10*mW。然😘而如(ru)果用時域(yù)電壓的Ua-U。值(zhi)、0-U2值或U的方(fāng)✏️法來表征(zheng)壓電梁💞感(gan)知渦街的(de)特性往往(wǎng)會被噪聲(shēng)幹擾,難以(yi)🏃‍♂️提取特征(zhēng)量。這也進(jin)一步證明(míng)了木文采(cǎi)用提取功(gōng)率來表征(zheng)渦街在傳(chuan)感距離上(shàng)傳感強度(dù)的合理🛀🏻性(xìng)。
 
4結論
　　設計(jì)和研究了(le)一種基于(yú)渦激振動(dong)的壓電傳(chuán)感裝置。通(tong)過響♈應✍️信(xin)号分析了(le)傳感距離(lí)和功率與(yu)繞流📱體直(zhí)徑和流速(su)的變化規(gui)律。建立了(le)流-固-電耦(ou)合數值模(mó)型,構建了(le)🌈流速測量(liàng)的新方法(fa)。采用通過(guò)提取頻域(yù)曲線中渦(wō)激頻率下(xià)的功率作(zuò)爲渦街的(de)傳感強度(dù)。實驗和仿(pang)真結果表(biao)明:增大繞(rao)流🐇體直徑(jìng)可以使傳(chuán)感距離和(he)功率線性(xing)增加;然而(er),在傳感距(ju)離不變的(de)情況下,增(zeng)大🏃🏻流速可(ke)以提高功(gong)率。通過流(liu)場分析得(dé)出了采集(jí)信号在Lm下(xia)最優的木(mù)質原内爲(wei):在該處,渦(wo)街成熟且(qiě)脫落穩定(dìng),升力系數(shu)穩定。此外(wài),風洞🙇🏻實驗(yàn)驗證該基(jī)于渦激振(zhèn)❄️動的柔性(xing)壓電懸臂(bì)梁流速感(gǎn)知特性。結(jie)果表明:該(gai)傳感器件(jian)能有效地(di)測量低至(zhì)0.3m/s流速;當ʋ=2.5m/s,D=70mm,P...約(yue)爲10x10*mW;當ʋ=0.5m/s,D=30mm,P.約爲(wei)8x102mW。該提取🌈渦(wo)街信号的(de)方法和規(gui)律可以解(jie)決傳統的(de)渦街信💔号(hào)微⛱️弱以及(ji)低流速難(nán)測:量的問(wèn)題,擴大了(le)該類流速(su)傳感器的(de)應用範圍(wei),快響應的(de)流速🏃🏻傳感(gan)器件的設(she)計及測量(liàng)提供了新(xin)的探測方(fāng)法。

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