摘要:F雙鈍(dun)體旋渦脫離的(de)流體動力學特(tè)性以及利用雙(shuang)鈍🆚體增強流體(tǐ)振動的最佳組(zu)合結構。給出了(le)多種鈍體⛱️組合(he)☎️結構的斯特勞(lao)哈爾數的試驗(yan)結果，表明雙鈍(dun)體結構具有常(chang)定的斯特勞哈(hā)爾數。用50mm口徑渦(wō)街流量計
進行(hang)的試驗證明，雙(shuang)鈍體組合在一(yi)定的條件下能(neng)獲得😄理🌍想的旋(xuán)渦重疊，從而增(zēng)強流體的振動(dong)。在鈍體的軸對(duì)🥵稱點上，還觀察(chá)到強度和頻率(lǜ)相同，相位相差(cha)180°的流體振動點(diǎn)，利🏃♀️用優化🧑🏽🤝🧑🏻的雙(shuang)鈍體結構和差(chà)動傳感技術，研(yan)制出小流量靈(líng)👅敏度和抗幹擾(rǎo)性能很好的新(xīn)型🌈旋渦流量計(ji)。
0前言
斯特勞哈(hā)爾和馮·卡門對(dui)鈍體繞流所做(zuò)的開拓性研究(jiū)揭示了旋渦脫(tuō)離的基本特征(zheng)和規律，即:當流(liú)體流經鈍體時(shi)，尾流中将✌️形成(chéng)旋渦流型，旋渦(wo)從鈍體兩側交(jiao)替地脫離，并在(zài)---個較寬的雷諾(nuò)數範圍内，有常(cháng)定的⭐量綱一的(de)脫落頻率，即斯(si)特勞📱哈爾爲常(chang)💚數。這表明旋㊙️渦(wo)脫落的頻率與(yu)平均流速成正(zheng)比。
Roshkol21的研究給出(chū)了更爲明确的(de)結果，即在雷諾(nuo)數處于💁300<Re<2X105的範❗圍(wei)内時🛀，斯特勞哈(ha)爾數保持在0.2左(zuo)右，他還首次提(tí)出了利用斯特(te)勞哈爾數的常(cháng)定範圍來制造(zao)流量計的設想(xiang)。20世紀70年代初，商(shang)品化的渦街流(liú)量計在日本出(chū)現。近30年的工業(ye)應用證明了渦(wō)街流量計在😄穩(wěn)定流體計量中(zhong)的可靠性和精(jing)确性，它的主要(yao)優點還包括精(jing)度高、線性度好(hao)、介🌈質适應性寬(kuan)和性能可靠(無(wú)運動部件)3]。然而(er)，渦街流量計💛存(cun)在的流量下限(xian)高和抗幹擾性(xìng)能差等問題，使(shi)它喪失了許多(duō)潛在的應用領(ling)域，如:量大面廣(guang)的天然氣商業(ye)計量以及流速(sù)和壓力不穩定(ding)的測量系統。
爲(wei)了将渦街流量(liang)計應用于不穩(wěn)定流體的計量(liang)，本文利用鈍體(tǐ)組合強化旋渦(wo)脫落誘發流體(tǐ)振動的理論研(yan)究基礎上，設計(jì)出雙鈍體渦街(jiē)流量計
試驗樣(yang)機:通過試驗獲(huo)得了雙鈍體的(de)最優組合結構(gou)及❓參💛數;分析了(le)鈍體組合對斯(sī)特勞哈爾數的(de)影響;同時在👌後(hou)鈍體的軸對🏃稱(chēng)點上，還觀察到(dào)強度和頻率相(xiàng)同，相位相差180°的(de)流體振動點，這(zhe)些研究結果爲(wèi)研制具有良好(hǎo)抗幹擾性能和(he)小流量‼️靈敏度(du)的👣雙鈍體差動(dòng)式渦街流量❓計(ji)提供了依據。
1雙(shuang)鈍體渦街流量(liàng)計的原理
雙鈍(dùn)體渦街流量計(ji)的基本設計思(sī)路是利用前鈍(dùn)體和後鈍體引(yin)發的旋渦脫離(lí)現象，通過試驗(yàn)獲得使旋渦在(zai)後鈍體周圍實(shí)現同相位疊加(jiā)的最佳鈍體組(zu)合，使流體振動(dong)得到加強，降低(dī)計量的下限，同(tóng)時利用鈍體兩(liǎng)側的💁流體振動(dong)具有180°相位差的(de)特點，用差動式(shi)傳感器抑制共(gong)模幹擾信号的(de)方法，提高流量(liàng)計的抗幹擾性(xìng)能，圖1所示爲雙(shuang)鈍體渦街✂️流量(liang)計的原理。
2試驗(yàn)裝置
圖2所示爲(wei)試驗裝置及測(ce)試系統原理。
試(shì)驗裝置爲氣體(tǐ)流量試驗系統(tong)，它由5個部分組(zǔ)成。I一♻️流場波動(dong)模拟裝置，用于(yu)實驗室條件下(xia)模拟流🧡場波動(dong);II一試驗表體;II一(yi)标準流量校正(zheng)裝置，本試驗台(tai)采用臨界流文(wén)丘利噴嘴流量(liang)計作爲校準其(qí)他儀表的基🈲準(zhun);IV一負壓産生裝(zhuāng)置，本試驗台通(tōng)過真空泵産生(sheng)負壓，使試驗台(tái)的入口和出口(kou)之間産生一個(gè)壓差，這樣🌈就形(xing)成一個小型風(fēng)洞。真空泵電🛀動(dong)機額定功率✉️爲(wèi)11kW,額定轉速爲1450r/min;V一(yi)計算機❌測試系(xì)統，主要由電荷(hé)放大器、DAC-TRON公司Photo便(bian)攜式動态信号(hao)分析儀(該分析(xī)儀的主✨要特性(xing)和性能指标:4個(ge)輸入通道，一個(ge)輸♈出通道;120MHzTMS320VC33DSP，21kHz處理(li)率;32位浮點DSP;ICP傳⚽感(gan)器供電;USB接口，支(zhi)持熱插✏️拔;質量(liàng)小于200g，抗振動外(wai)殼)及計算機所(suǒ)組成。
試驗台的(de)臨界流文丘利(li)噴嘴測定裝置(zhì)由5個标準的不(bú)同噴嘴流:量計(ji)組成，通過不同(tóng)的組合方式可(ke)得到5.5--220.5m³/h之間⛹🏻♀️的流(liu)量。試驗的管道(dào)内徑50mm。
3試驗結果(guǒ)
試驗分爲兩個(ge)部分，1一雙鈍體(ti)組合渦街振動(dòng)頻率🐆試驗;2一雙(shuang)鈍體組合方式(shi)對渦街強度的(de)影響。試驗傳感(gǎn)器如圖1所示對(dui)🈲稱于後鈍體安(an)裝。試驗表體直(zhí)徑爲50mm。
典型的渦(wō)街脈動信号如(ru)圖3所示。從信号(hao)的時域信号可(kě)以看出。對稱于(yú)後鈍體兩側渦(wō)街的脈動是反(fǎn)相的，并有明顯(xiǎn)的周期性👈，其功(gong)率譜的頻率分(fen)布很廣并有一(yī)個明顯的峰值(zhí)，該峰👉值處頻率(lü)和時域信号的(de)主波動是頻率(lü)是相同的。定義(yì)功率譜中該峰(feng)值處的頻率爲(wèi)渦街的主🔴頻。下(xia)面所讨💛論的渦(wo)街頻率指的就(jiù)是渦街的主頻(pín)。
3.1雙鈍體組合渦(wo)街振動頻率試(shì)驗研究
對于單(dan)鈍體渦街，在臨(lin)界雷諾數之上(shang)斯特勞哈爾數(shu)是恒定的🔞，這是(shì)單鈍體渦街流(liú)量計的測量基(ji)礎。雙鈍體渦街(jiē)是否存❄️在同👌樣(yang)的規律是雙鈍(dùn)體渦街流量計(jì)的關鍵。本部分(fèn)的試驗研究是(shì)爲尋找當旋渦(wō)發生體是兩個(ge)三角形時渦街(jie)的斯特勞哈爾(ěr)數是否發生變(bian)🈲化。本部分的另(lìng)一個目的是研(yan)究鈍體的平行(hang)組合對渦街斯(sī)特勞哈爾數的(de)影響。
試驗所用(yòng)雙鈍體組合圖(tú)1所示，圖中的前(qián)後.鈍體的互相(xiang)🍉平行的，鈍體的(de)組合方式是指(zhi)兩個鈍體之間(jiān)的距離不同情(qing)🌈況的組合😄。
試驗(yan)的設計是對相(xiang)同的鈍體組合(he)在不同的流量(liang)情況下進🎯行試(shi)驗。以得到不同(tóng)組合下不同流(liu)量的測量數據(jù)👣。試驗🧑🏾🤝🧑🏼的采👈用數(shu)🧑🏾🤝🧑🏼據如表所示。
流(liu)量的選取不少(shǎo)于5個點，并通過(guo)流量不完全相(xiang)同的選取來達(dá)到覆蓋較多流(liu)量範圍的目的(de)。圖4a爲試驗所💔得(de)的各組雙鈍體(ti)和單鈍體斯特(tè)勞哈爾數;圖4b是(shi)流量和渦街🌏頻(pín)率的關系曲線(xian):圖4c爲各組雙鈍(dun)體和單鈍體斯(sī)特勞哈🌏爾數标(biao)準偏差曲線。
從(cóng)圖4a和圖4b中可以(yǐ)得出如下結論(lun)。
雙鈍體的斯特(tè)勞哈爾數比單(dān)鈍體斯特勞哈(hā)爾數大，不同組(zu)合雙鈍體的斯(sī)特勞哈爾數是(shì)不相同.的☁️。不同(tong)的雙鈍體組合(he)🈲的斯特勞哈爾(ěr)數的波動不相(xiang)
同的，其斯特勞(láo)哈爾數的标準(zhǔn)偏差如圖4c所示(shì)。從圖4c中可以🚩知(zhī)道，雙鈍體的斯(si)特勞哈爾數波(bō)動是比較大的(de)，在L=50~46mm之間偏♻️差與(yu)單鈍體偏差相(xiàng)當。
由4b圖，該曲線(xiàn)的線性度與斯(si)特勞哈爾數标(biao)準偏差相對應(ying)，當L=50~46mm時雙鈍體流(liú)量--頻率曲線的(de)線性度較好。
綜(zong)上所述，對于雙(shuang)鈍體渦街流量(liàng)計從測量的線(xiàn)性範圍⛱️角度考(kǎo)🥵慮應選擇L=50~46mm之間(jian)的組合方式。
3.2雙(shuang)鈍體組合方式(shi)對渦街強度的(de)影響
上面得出(chū)雙鈍體流量計(ji)最佳線性範圍(wéi)條件。流量計的(de)另-一個重要的(de)問題是渦街強(qiang)度，其直接影響(xiǎng)測:量信号的信(xin)噪比。其對降低(dī)量程下限有重(zhòng)要的意義。
爲研(yan)究雙鈍體組合(he)對渦街強度的(de)影響。設計了如(rú)下試驗。試驗裝(zhuāng)置如圖1所示;通(tong)過改變距離L對(dui)鈍體進行組合(hé)并對該組鈍體(ti)🌈在不同流量下(xià)進行試驗。試驗(yan)所使用的✂️流量(liàng)是🍓220.5m3/h,178.3m'/h,111.7m3/h,66.6m3/h等4組。使用的(de)鈍體組合有L=60mm,55mm，54mm，51mm，49mm,47mm,45mm,43mm,41mm,39mm,37mm,35mm，33mm,32mm，29mm等(deng)🈲15個組合。
進行強(qiang)度比較之前，需(xu)要對渦街的信(xin)号特點進行分(fèn)析⁉️并定出可以(yǐ)度量強度的量(liang)。如圖3渦街信号(hào)是周期性的✔️但(dan)其💛波動的幅值(zhí)不等，故渦街的(de)強度需要從統(tǒng)計.上進👣行比較(jiao)。試驗中🈲制定的(de)渦街強度的統(tong)計量爲.
這裏`y表(biao)示的是脈動壓(ya)力信号平均的(de)波動幅值，通過(guò)換算👄可得到渦(wō)街的平均脈動(dong)強度。以後的所(suo)有㊙️有關強度比(bi)較都是以`y爲的(de)度量。
圖5a是試驗(yan)得到渦街的程(chéng)度在不同組合(hé)在不同流量下(xia)的比💃較曲線，圖(tu)上的P0是通過`y換(huan)算而.來的，可以(yǐ)認爲是渦街的(de)平均脈動強度(du)。
圖5b是不同流量(liàng)下的渦街平均(jun)脈動強度最大(da)的放大倍數✌️，這(zhe)時定義
從不同(tóng)組合在不同流(liú)量渦街強度比(bi)較曲線可以💜得(dé)到以下結論:
雙(shuang)鈍體對渦街的(de)強度有加強的(de)作用。在不同的(de)流量下雙鈍體(tǐ)♻️對渦街的加強(qiang)程度是不一樣(yang)的如圖6a所示。從(cong)qv---β可⭐以知🔴道在⭕不(bu)同💛流量下渦街(jiē)平均強度最大(da)的放🈲大倍數🈚是(shì)不相♈同的，β在qv=130m3/h時(shi)達到最大。
P0随L非(fei)線性變化，在L=45~54mm之(zhī)間P0梯度很小，即(ji)在該區域内L的(de)變化對渦街強(qiáng)度的影響不顯(xian)著。
渦街的強度(du)有一個峰值區(qu)域。當偏離這個(gè)區域後渦🌈街的(de)強度發生明顯(xian)的衰減。該峰值(zhí)區域與較小P0梯(tī)度區域重合🐕。
相(xiang)同流量下，雙鈍(dun)體渦街強度始(shi)終比單鈍體渦(wō)街大。在流量不(bú)變情況下，當雙(shuāng)鈍體渦街強度(du)接近單鈍體渦(wo)街😄強度時，微小(xiao)的L變化會導緻(zhi)雙鈍體卡門渦(wo)街現象的消失(shī)，即存在一個😄産(chan)生雙鈍體卡門(men)渦街的臨界距(jù)離Le，且Le與🔞流量有(yǒu)關，在Le處雙鈍體(tǐ)渦街強♌度和單(dan)鈍體渦街強度(du)相等。當L<Le該流量(liang)下雙鈍體卡]渦(wō)街現象将消失(shī)。但Le是否與尺度(dù)相關需要進🤞一(yi)-步💁的研究。同樣(yàng)随L不斷增長是(shì)否也存在一個(ge)臨界距離☔也需(xu)要進一步研究(jiu)。
4結論
通過上述(shù)的試驗研究，可(kě)以得出以下的(de)結論:用雙鈍體(ti)誘發卡門渦街(jie)可以增強渦街(jiē)的脈動平均強(qiáng)度，有利于提高(gao)測量的信噪比(bǐ)，降低渦街流量(liàng)計的測量下限(xiàn)。最大強度鈍體(tǐ)的組合L=45~-54mm。
通過适(shi)當的選擇鈍體(ti)的組合，雙鈍體(tǐ)渦街流量計的(de)😘精度💁和單鈍體(ti)渦街流量計是(shi)相當的。最佳線(xian)性度鈍體組合(hé)爲L=46~50mm。
綜上述，通過(guo)兩個三角型鈍(dùn)體組合可以得(de)到與單鈍體渦(wō)街流量計測量(liang)精度相當但信(xìn)号信噪比高、測(ce)量下限較低的(de)雙鈍體渦街流(liu)量計。雙鈍體的(de)最🤞佳組合方法(fǎ)是L=45~50mm之間。
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