摘要:F雙鈍(dun)體旋渦脫離(lí)的流體動力(li)學特性以及(jí)利用雙鈍體(tǐ)增強流體振(zhèn)動的最佳組(zǔ)合結構。給出(chu)了多種鈍體(ti)組合結構的(de)斯特勞哈爾(ěr)數的試驗結(jie)果，表明雙鈍(dun)體結構具有(yǒu)常定的斯特(te)勞哈爾數。用(yong)50mm口徑渦街流(liu)量計 進行的(de)試驗證明，雙(shuāng)鈍體組合在(zài)一定的條件(jian)下能獲得☎️理(li)想的旋渦重(zhòng)疊，從而增強(qiáng)流體的振動(dong)。在鈍體的軸(zhou)對稱點上，還(hai)觀察🔞到強度(du)和頻率相同(tóng)，相位相差180°的(de)流體振動點(diǎn)，利用優化的(de)雙鈍體結構(gòu)和差動傳感(gan)技術，研制出(chu)小流量靈敏(min)度和抗幹擾(rǎo)性能很好的(de)新型旋渦流(liu)量計🌂。
0前言
　　斯(si)特勞哈爾和(hé)馮·卡門對鈍(dun)體繞流所做(zuo)的開拓性研(yan)究揭示了旋(xuán)渦脫離的基(ji)本特征和規(gui)律，即:當流體(tǐ)流經鈍體時(shi)㊙️，尾流🍓中将形(xíng)成旋渦流型(xíng)，旋渦從鈍體(tǐ)兩側交替地(di)脫離，并在---個(gè)較🔅寬的雷諾(nuò)數範圍内，有(yǒu)常定的量綱(gāng)一的⚽脫落頻(pin)率，即斯特勞(láo)哈爾爲常👉數(shù)。這表明旋渦(wō)脫落的頻率(lǜ)與平均流速(sù)成正比。
Roshkol21的研(yán)究給出了更(gèng)爲明确的結(jié)果，即在雷諾(nuo)數處于300<Re<2X105的🔞範(fan)圍🈚内🥵時，斯特(tè)勞哈爾數保(bao)持在0.2左右，他(ta)還首次提出(chū)了利用斯特(tè)勞哈爾數的(de)常定範圍來(lái)制造流量計(jì)的設想。20世紀(ji)70年代初，商品(pǐn)化的渦街流(liu)量計在☎️日本(ben)出現。近30年的(de)工🌐業應用證(zhèng)🈚明了渦街流(liú)量計在☂️穩定(dìng)流體計量中(zhōng)的可靠性和(he)精确性，它的(de)主要優點還(hai)包括精度🔴高(gao)、線性度好、介(jiè)質适應性寬(kuān)和性能可靠(kào)(無運動部件(jiàn))3]。然而，渦街流(liu)量計存在的(de)流量下限🔅高(gao)和抗幹擾性(xing)能差等問題(tí)，使它喪💋失💘了(le)許多潛在的(de)應用領域，如(ru):量大面廣的(de)天然氣商業(ye)計量以及流(liú)速和壓力不(bu)穩定的😘測量(liàng)系統。
爲了将(jiang)渦街流量計(ji)應用于不穩(wěn)定流體的計(jì)量，本文利用(yòng)鈍體組合強(qiang)化旋渦脫落(luo)誘發流體振(zhèn)動的理論研(yán)究基礎上，設(she)🔱計出雙鈍體(ti)渦街流量計(jì) 試驗樣機:通(tong)過試驗獲得(de)了雙鈍體的(de)最優組合結(jie)🍉構及參💘數;分(fèn)析了鈍體組(zu)合對斯特勞(lao)哈爾數的影(yǐng)響;同時在後(hou)鈍體的軸對(dui)稱點上，還觀(guan)察到強度和(he)頻率相同，相(xiang)位相差180°的流(liú)體振動點，這(zhè)些研究結果(guo)爲研制具有(you)良好抗幹擾(rǎo)性能和小流(liú)量靈敏度的(de)雙鈍體差動(dong)🆚式渦街流量(liang)計提供了依(yī)據。
1雙鈍體渦(wō)街流量計的(de)原理
雙鈍體(tǐ)渦街流量計(ji)的基本設計(ji)思路是利用(yong)前鈍體和後(hou)鈍體引發的(de)旋渦脫離現(xiàn)象，通過試驗(yan)獲得♈使旋渦(wo)在🐪後鈍🐅體周(zhou)圍實現同相(xiàng)位疊加的最(zui)佳鈍體組合(hé)，使流體❓振動(dong)得到加強，降(jiàng)低計量的下(xià)限，同時利用(yòng)鈍體兩側的(de)流體振動具(ju)有180°相位差的(de)特點，用差動(dong)式傳感器抑(yì)制共模幹擾(rao)信号的方法(fa)，提高流量計(ji)的抗幹擾性(xing)能，圖1所示爲(wèi)雙鈍體渦街(jiē)流量計的原(yuan)理。
 
2試驗裝置(zhi)
圖2所示爲試(shì)驗裝置及測(ce)試系統原理(li)。
 
試驗裝置爲(wèi)氣體流量試(shì)驗系統，它由(you)5個部分組成(chéng)。I一流場波動(dong)模拟裝置，用(yòng)于實驗室條(tiao)件下模拟流(liú)場波動;II一㊙️試(shi)驗表體⚽;II一标(biāo)準流量校正(zheng)裝置，本試驗(yàn)台采用臨界(jie)流文丘利噴(pēn)嘴流量計作(zuò)爲校準其他(ta)儀表的基準(zhun);IV一負壓産生(shēng)裝置，本試驗(yàn)台😄通過真空(kōng)🔴泵産生負壓(yā)，使試驗台的(de)入口和出口(kǒu)之間産生一(yī)個壓差，這樣(yàng)就形成一個(gè)小型風洞。真(zhēn)空泵電動機(jī)額定功率爲(wèi)11kW,額定轉速爲(wei)1450r/min;V一計算機測(cè)試系統，主要(yao)由電荷放大(da)器、DAC-TRON公司🔞Photo便攜(xie)式動态信号(hào)分析儀(該分(fen)析儀的主要(yào)特性和性能(neng)指标:4個輸入(rù)通道，一個輸(shū)出通道;120MHzTMS320VC33DSP，21kHz處理(li)率;32位浮點DSP;ICP傳(chuan)感器供電;USB接(jiē)口，支持熱插(chā)🈲拔;質量小于(yu)200g，抗振動外殼(ke)🔞)及計算機所(suo)組成。
試驗台(tai)的臨界流文(wén)丘利噴嘴測(ce)定裝置由5個(ge)标準的不同(tong)⭐噴嘴流:量計(ji)組成，通過不(bu)同的組合方(fāng)式可得到5.5--220.5m³/h之(zhī)間的流量。試(shi)驗的管道内(nèi)徑50mm。
3試驗結果(guo)
試驗分爲兩(liǎng)個部分，1一雙(shuāng)鈍體組合渦(wo)街振動頻率(lǜ)試驗;2一雙🌈鈍(dùn)體組合方式(shì)對渦街強度(du)的影響。試驗(yan)傳感器如👨‍❤️‍👨圖(tú)1所示對稱于(yú)後鈍體安裝(zhuāng)。試驗表體直(zhí)💞徑爲50mm。
 
典型的(de)渦街脈動信(xin)号如圖3所示(shì)。從信号的時(shí)域信号㊙️可以(yi)看出。對稱于(yu)後鈍體兩側(ce)渦街的脈動(dong)是反相的，并(bing)有明顯的周(zhou)期性，其功率(lǜ)譜的頻率分(fen)布很廣并有(you)♋一個明顯的(de)峰值，該峰值(zhi)處頻⁉️率和時(shí)域信号的主(zhu)波動是頻率(lü)💯是相同的🔴。定(dìng)義功率🐉譜中(zhōng)該峰值處的(de)頻率爲渦街(jiē)的主頻。下面(mian)所讨論的渦(wo)街頻📱率指的(de)就是渦街的(de)主頻。
3.1雙鈍體(tǐ)組合渦街振(zhèn)動頻率試驗(yàn)研究
對于單(dan)鈍體渦街，在(zai)臨界雷諾數(shù)之上斯特勞(lao)哈爾數是🐇恒(héng)定的，這是單(dan)鈍體渦街流(liú)量計的測量(liàng)基礎。雙鈍體(ti)渦街是否存(cun)🥰在同樣的規(guī)律是雙鈍體(tǐ)渦街流量計(ji)的關鍵。本部(bù)分🤟的試驗研(yan)究是爲尋找(zhǎo)當旋渦發生(shēng)體是兩個三(san)🏃‍♀️角形時渦街(jie)的斯特勞哈(hā)爾數🤞是否發(fā)生變化。本部(bu)分的另一個(ge)目的是研究(jiu)鈍體🈲的平行(háng)組合對渦街(jie)斯特勞哈爾(ěr)數的影響。
試(shì)驗所用雙鈍(dun)體組合圖1所(suǒ)示，圖中的前(qián)後.鈍體的❗互(hù)相❤️平行的，鈍(dun)體的組合方(fāng)式是指兩個(gè)鈍體之間❓的(de)距離不🏃同情(qíng)況的組合🐪。
試(shì)驗的設計是(shì)對相同的鈍(dùn)體組合在不(bu)同的流量情(qing)況下進行試(shi)驗。以得到不(bú)同組合下不(bú)同流量的測(ce)量數據。試驗(yan)的采用數據(ju)如表所示。
流(liu)量的選取不(bú)少于5個點，并(bìng)通過流量不(bu)完全相同的(de)選取🧑🏽‍🤝‍🧑🏻來☎️達到(dao)覆蓋較多流(liu)量範圍的目(mù)的。圖4a爲試驗(yàn)所得的各組(zǔ)‼️雙鈍體和單(dān)鈍體斯特勞(láo)哈爾數;圖4b是(shì)流量和渦街(jie)頻率的關系(xi)曲線:圖4c爲各(gè)組雙鈍體和(hé)單鈍體斯特(te)勞哈爾數标(biāo)準偏差曲線(xiàn)。
從圖4a和圖4b中(zhōng)可以得出如(rú)下結論。
雙鈍(dun)體的斯特勞(lao)哈爾數比單(dān)鈍體斯特勞(láo)哈爾數大，不(bú)同組🔞合雙鈍(dùn)體的斯特勞(lao)哈爾數是不(bu)相同.的。不同(tóng)的雙🛀🏻鈍體組(zǔ)合♈的斯特勞(láo)哈爾數的波(bo)動不相
同的(de)，其斯特勞哈(ha)爾數的标準(zhǔn)偏差如圖4c所(suǒ)示。從圖4c中可(ke)⛹🏻‍♀️以知♈道💔，雙鈍(dun)體的斯特勞(lao)哈爾數波動(dòng)是比較大的(de)，在L=50~46mm之間偏差(cha)與單鈍體偏(pian)差相當。
由4b圖(tú)，該曲線的線(xian)性度與斯特(te)勞哈爾數标(biao)準偏差相對(dui)應，當L=50~46mm時雙鈍(dun)體流量--頻率(lü)曲線的線性(xing)度較好。
綜上(shang)所述，對于雙(shuāng)鈍體渦街流(liu)量計從測量(liàng)的線性範🤞圍(wei)角度考慮應(yīng)選擇L=50~46mm之間的(de)組合方式。
 
3.2雙(shuang)鈍體組合方(fāng)式對渦街強(qiang)度的影響
上(shàng)面得出雙鈍(dun)體流量計最(zui)佳線性範圍(wei)條件。流量計(ji)🤞的另-一個重(zhong)要的問題是(shì)渦街強度，其(qi)直接影響測(cè):量信号㊙️的信(xin)噪比🌈。其對🔴降(jiang)低量程下限(xian)有重要的意(yì)義。
爲研究雙(shuāng)鈍體組合對(dui)渦街強度的(de)影響。設計了(le)如下試驗。試(shi)驗🐆裝置如圖(tu)1所示;通過改(gǎi)變距離L對鈍(dùn)體進行組合(he)并對該組鈍(dun)體在不同流(liu)量下進行試(shi)驗。試驗所📐使(shi)用的流量是(shi)220.5m3/h,178.3m'/h,111.7m3/h,66.6m3/h等4組。使用的(de)鈍體組合有(yǒu)L=60mm,55mm，54mm，51mm，49mm,47mm,45mm,43mm,41mm,39mm,37mm,35mm，33mm,32mm，29mm等15個組合。
進(jìn)行強度比較(jiao)之前，需要對(dui)渦街的信号(hào)特點進行分(fen)析🈲并定🙇‍♀️出可(ke)以度量強度(dù)的量。如圖3渦(wō)街信号是周(zhōu)期😘性的但其(qí)波動的幅✍️值(zhi)不等，故渦街(jiē)的強度需要(yao)從統計.上進(jìn)行比較。試驗(yàn)中制定的渦(wō)街強度的統(tong)計量爲.
 
這裏(li)`y表示的是脈(mo)動壓力信号(hào)平均的波動(dong)幅值，通過換(huàn)算可得🧑🏾‍🤝‍🧑🏼到渦(wō)街的平均脈(mò)動強度。以後(hou)的所有有關(guan)強度比較都(dōu)是✌️以`y爲㊙️的度(du)量。
圖5a是試驗(yàn)得到渦街的(de)程度在不同(tong)組合在不同(tong)流量下🌈的比(bi)較曲線，圖上(shang)的P0是通過`y換(huan)算而.來的，可(ke)以認爲是渦(wo)街的平均脈(mo)動📧強度。
圖5b是(shì)不同流量下(xia)的渦街平均(jun1)脈動強度最(zuì)大的放大倍(bèi)數，這時定義(yì)
 
從不同組合(hé)在不同流量(liàng)渦街強度比(bi)較曲線可以(yi)得到👈以下結(jié)論:
雙鈍體對(dui)渦街的強度(du)有加強的作(zuo)用。在不同的(de)流量下雙💋鈍(dùn)體對渦街的(de)加強程度是(shì)不一樣的如(ru)圖6a所示。從qv---β可(ke)以知道在‼️不(bú)同流量下渦(wō)街平均強度(dù)最大的放大(da)倍數是不相(xiang)✊同的，β在qv=130m3/h時達(dá)到🥵最大。
P0随L非(fei)線性變化，在(zài)L=45~54mm之間P0梯度很(hen)小，即在該區(qū)域内L的變🎯化(huà)對渦街🛀🏻強度(du)的影響不顯(xian)著。
渦街的強(qiáng)度有一個峰(feng)值區域。當偏(piān)離這個區域(yù)後渦街的強(qiáng)度發生明顯(xian)的衰減。該峰(feng)值區域與較(jiào)小P0梯度區域(yu)重合。
相同流(liú)量下，雙鈍體(ti)渦街強度始(shi)終比單鈍體(tǐ)渦街大。在💔流(liu)🐅量不變情況(kuàng)下，當雙鈍體(tǐ)渦街強度接(jie)近單🏃🏻‍♂️鈍體渦(wo)街強度時，微(wēi)小的L變化會(huì)導緻雙鈍體(tǐ)卡門渦街現(xian)象的消失，即(ji)存📐在一個産(chǎn)生雙鈍體卡(kǎ)門渦街的臨(lín)界距離Le，且Le與(yu)流量有關💁，在(zai)Le處雙鈍體渦(wō)街強💚度和單(dān)鈍體渦街強(qiáng)度相等。當L<Le該(gāi)流量🐉下雙鈍(dun)體卡]渦街現(xian)象将消失。但(dan)Le是否與尺度(du)相關需要進(jìn)一-步的研究(jiu)。同樣随L不✂️斷(duan)增長是否也(yě)存💞在一個臨(lin)界距離也需(xū)要進一步研(yan)✂️究。
 
4結論
通過(guo)上述的試驗(yan)研究，可以得(dé)出以下的結(jie)論:用雙❤️鈍體(tǐ)誘☀️發卡💃門渦(wo)街可以增強(qiáng)渦街的脈動(dòng)平均強度，有(yǒu)利于提高測(cè)量的信噪比(bǐ)，降低渦街流(liú)量計的測量(liang)下限。最大強(qiáng)度鈍體的組(zu)🤟合L=45~-54mm。
通過适當(dang)的選擇鈍體(ti)的組合，雙鈍(dun)體渦街流量(liang)計的精🐪度💋和(he)單鈍體渦街(jie)流量計是相(xiàng)當的。最佳線(xiàn)性🏒度鈍✊體組(zu)合爲☔L=46~50mm。
綜上述(shù)，通過兩個三(sān)角型鈍體組(zǔ)合可以得到(dào)與單鈍體渦(wō)街流📐量計測(cè)量精度相當(dang)但信号信噪(zào)比高、測量下(xia)限較低📱的雙(shuāng)鈍體渦街流(liú)量計。雙鈍體(ti)的最佳組合(hé)方法是L=45~50mm之間(jiān)。

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