摘要:針(zhēn)對渦街(jiē)式流速(su)傳感器(qì)中電信(xin)号微弱(ruo)并且🐇提(tí)取特征(zhēng)渦街信(xìn)号困難(nan)，基于壓(yā)電方程(cheng)和湍流(liu)N-S方程，建(jian)立了✔️流(liú)-固-電耦(ǒu)合仿真(zhēn)計算模(mo)型,構建(jiàn)了流速(sù)🐉測量的(de)新方法(fa)。通過理(li)論分析(xī)㊙️和風洞(dòng)實驗，獲(huo)得了圓(yuán)柱繞流(liu)體直徑(jìng)(D)、空🔅氣流(liú)速(v)與壓(ya)電傳感(gǎn)距離()以(yi)及🔞功率(lü)(P)之間的(de)影響規(guī)律。仿真(zhen)計算和(hé)實驗結(jié)果表明(ming)‼️:通過提(ti)取頻域(yu)曲線中(zhōng)渦激頻(pín)🆚率下的(de)功率作(zuò)爲渦街(jiē)的傳感(gan)強度,有(yǒu)助于感(gǎn)知微弱(ruò)的空氣(qi)流速信(xìn)号,同時(shí)解決噪(zao)聲等電(diàn)路上的(de)幹擾影(ying)響。其次(ci),D增加，最(zuì)優傳感(gan)距離(Losr)增(zēng)加;D不變(bian)⛱️時，功率(lü)(Posr)随流速(sù)增大而(er)提高㊙️,且(qie)Losr不變;通(tōng)過分析(xi)得出了(le)采集信(xin)号在Losr下(xia)最優的(de)本🔆質原(yuán)因一在(zài)該處，渦(wo)街成熟(shu)且脫落(luò)穩定、升(shēng)力系數(shù)🧑🏾‍🤝‍🧑🏼(CL)穩定🔴。最(zui)後,該壓(ya)電裝置(zhi)測量的(de)最低流(liú)速爲0.3m/s.
　　渦(wo)激振動(dong)(VIV)是一種(zhǒng)典型的(de)流緻振(zhèn)動(FIV)。結構(gou)的非流(liu)線型會(huì)導緻其(qí)在流體(tǐ)的作用(yong)力下産(chǎn)生周期(qī)性旋渦(wo)脫落,使(shǐ)結構受(shòu)到與流(liu)向🌍垂直(zhi)的周期(qī)性氣動(dòng)力,進而(ér)激發🏃‍♂️結(jié)構的橫(heng)向振動(dong)川由于(yú)流體流(liu)速與旋(xuan)渦脫落(luò)頻率有(yǒu)對應關(guan)系，因此(cǐ)常制作(zuo)成多種(zhong)空氣流(liú)速傳感(gǎn)器,例如(ru),基于上(shàng)述渦街(jiē)振動原(yuan)理研制(zhì)的渦街(jiē)流量計(ji) ，工業級(jí)的渦街(jie)流量計(ji)主要易(yi)受環境(jìng)噪聲的(de)幹擾,導(dao)緻其對(dui)🏃🏻‍♂️低🈲速不(bu)敏感。同(tong)時,空氣(qì)流速傳(chuán)感器廣(guang)泛應用(yong)于畜🐪禽(qín)舍環境(jing)控制,風(feng)能采集(ji),流量檢(jiǎn)測,氣象(xiàng)❌監控,等(deng)領域[2-4]。例(li)如,在畜(chù)禽環境(jing)✨監測領(ling)🤟域,通風(fēng)時流速(sù)太快引(yin)起畜禽(qín)強烈的(de)應激反(fan)應或因(yin)局部溫(wēn)度驟降(jiang)導緻畜(chu)💃禽強感(gan)冒，或造(zao)成畜禽(qin)的生産(chan)性能、免(mian)疫能力(lì)、生長🌈速(su)度等下(xia)降'因此(cǐ),對畜禽(qín)舍通風(feng)裝置的(de)流速檢(jiǎn)測尤其(qí)重要。傳(chuan).統FIV傳感(gǎn)器多采(cǎi)用機械(xie)轉動結(jié)構,其結(jie)構複雜(zá),對加工(gong)精度和(he)機械穩(wen)定性都(dou)有較高(gāo)的要求(qiu)7。而近.年(nián)來利用(yòng)壓電材(cái)料作傳(chuan)感元件(jian)研制的(de)FIV傳感器(qi)，其不需(xū)😍要轉動(dong)部件,且(qie)叮與微(wei)機電系(xi)統(MEMS)集成(chéng),因此易(yì)于微型(xíng)化。
　　目前(qian),VIV傳感器(qi)主要采(cai)用兩種(zhong)壓電材(cai)料作爲(wèi)傳感元(yuan)件:锆钛(tai)酸鉛壓(yā)電陶瓷(cí)(PZT)和聚偏(piān)二氟乙(yi)烯(PVDF)。PVDF薄膜(mó)由于其(qi)高柔性(xìng)的特點(diǎn),适🔴用于(yú)交變載(zǎi)荷的感(gǎn)知121。然而(ér),壓電式(shì)流渦激(jī)振動(PVIV)流(liu)速傳感(gǎn)器還有(you)許多不(bu)完善的(de)地方。特(tè)别是檢(jian)測低流(liú)場流速(sù)時(流速(su)低㊙️于2m/s),渦(wō)街壓電(diàn)信号微(wēi)弱,同時(shi)測量現(xian)場的噪(zào)聲十擾(rao)相對較(jiao)強,造成(cheng)渦街特(te)征信号(hao)提取的(de)困難。比(bǐ)如測量(liàng)過程中(zhōng)，壓電元(yuán)件自身(shen)受流場(chǎng)擾動産(chǎn)生的信(xìn)号、風洞(dong)系統産(chǎn)生的噪(zao)聲信号(hào)等,會把(ba)渦街特(tè)征信🧑🏽‍🤝‍🧑🏻号(hao)淹沒。針(zhēn)對這一(yī)問題,許(xǔ)多學者(zhe)對💁PVIV流速(su)傳感器(qì)展開了(le)全面的(de)㊙️研究,如(rú)繞流體(ti)的形狀(zhuang)和排布(bu)、電路檢(jiǎn)測方式(shi)以及信(xìn)号提取(qu)方法17-19,提(ti)高了空(kōng)氣流速(su)測量精(jīng)度和範(fan)圍✔️。
　　PVIV流速(sù)傳感器(qì)的結構(gòu)采用圓(yuán)形或梯(tī)形旋渦(wo)繞流體(ti)和PZT或PVDF薄(bao)👉膜爲傳(chuán)感元件(jiàn)組成。研(yán)究發現(xiàn),改變繞(rao)流體直(zhi)徑🏃‍♂️會導(dǎo)緻繞流(liú)與傳感(gan)器元件(jian)之間的(de)距離不(bu)同。這表(biao)明,漩渦(wō)測量位(wèi)置和繞(rào)流體直(zhí)徑🐪将影(ying)響PVIV檢測(cè)精度。針(zhēn)對上述(shù)問題,提(ti)出了一(yi)💚種基于(yú)PVIV流速傳(chuan)感裝置(zhì)。該裝置(zhì)由☁️圓柱(zhu)繞流體(tǐ)和PVDF壓電(diàn)懸臂梁(liang)組成。利(lì)用數值(zhi)模拟方(fang)法研究(jiū)渦街流(liu)場🏃🏻特性(xing),分析傳(chuan)感器結(jie)構參數(shù)對🍉渦街(jiē)響🤞應信(xìn)号檢測(ce)的影響(xiǎng)規律。采(cǎi)用通過(guò)提取頻(pín)域曲線(xiàn)中渦激(jī)頻率下(xià)的功🤞率(lǜ)作爲渦(wo)街的傳(chuan)感強🤩度(du),增強了(le)感知微(wēi)弱的流(liu)速響應(ying)信号,月(yuè)💋能夠解(jie)決噪聲(shēng)等🔅電路(lu)上的幹(gàn)擾影響(xiang),擴大了(le)對低流(liu)速的檢(jiǎn)測✌️能力(lì)。爲高靈(ling)🈲敏❄️.快響(xiǎng)應的空(kong)氣流速(sù)傳感器(qi)件的設(shè)計及測(cè)量提供(gòng)新🏃🏻‍♂️的探(tan)測方法(fǎ)。
1壓電渦(wō)激振動(dòng)流速傳(chuan)感裝置(zhì)
1.1傳感結(jié)構
　　本文(wén)PVIV流速傳(chuán)感裝置(zhì)的結構(gou)如圖1所(suo)示。該結(jie)構由圓(yuán)柱繞流(liu)體和PVDF壓(yā)電懸臂(bi)梁構成(cheng),其.中懸(xuán)臂梁由(you)表面🈚塗(tú)有銀電(dian)極層的(de)PVDF薄⭕膜組(zu)💛成;同時(shí),靠近圓(yuan)柱繞流(liú)體一側(ce)的📞PVDF壓電(dian)懸💁臂梁(liang)端部固(gù)支。圓柱(zhu)繞流體(tǐ)直徑D=7mm,圓(yuan)柱體中(zhong)心㊙️距PVDF壓(ya)電懸臂(bi)梁固支(zhi)🐪端距離(li)爲L,人射(shè)流速🔆爲(wei)v,其方向(xiang)垂直于(yú)圓柱體(tǐ)表面。仿(pang)真計算(suàn)時,D值的(de)範⁉️圍爲(wèi)30mm~70mm,u值範圍(wéi)🏃‍♂️爲0.3m/s~2.5m/s,L值的(de)範圍爲(wèi)50mm~170mm。爲了簡(jiǎn)化計算(suan)和控制(zhi)多餘變(biàn)量,PVDF壓電(diàn)懸臂梁(liáng)高度h設(she)定爲30mm。當(dāng)外界來(lái)流作用(yòng)時,PVDF壓電(diàn)懸臂梁(liang)結💜構産(chǎn)生振蕩(dang),根據壓(yā)電效應(ying),壓電層(céng)的變形(xíng)使其衣(yi)面聚集(ji)電荷,形(xíng)成響應(yīng)電壓。
 
1.2流(liu)-固-電耦(ou)合模型(xíng)
　　由于氣(qì)流經圓(yuan)柱體産(chan)生渦旋(xuán)後,後方(fang)的氣流(liú)流動基(ji)本處于(yú)湍流狀(zhuang)态,流場(chǎng)的分布(bu)複雜,因(yin)此,結合(hé)計算流(liu)🧑🏾‍🤝‍🧑🏼體力學(xué)(CFD)以及壓(yā)電效👈應(yīng)進行數(shù)值模拟(ni),分析繞(rao)流體直(zhí)徑、與壓(yā)電傳感(gan)🏒距離對(dui)低空氣(qì)流速檢(jiǎn)測的影(ying)響規律(lü)。
1.2.1理論模(mó)型
　　壓電(diàn)傳感結(jie)構感知(zhī)流體流(liú)動是--個(gè)多物理(li)場耦合(he)的🍉複雜(zá)過🈲程,主(zhu)要包括(kuò)流場、力(lì)場.和電(dian)場的綜(zong)合作用(yong)。流場産(chǎn)生的壓(ya)強轉化(huà)爲壓力(li)作用在(zai)懸臂梁(liáng)表面産(chan)生結構(gou)變形并(bìng)引起其(qi)壓電層(céng)變形,根(gēn)據壓電(dian)效應産(chǎn)生電荷(hé),計算模(mo)型中通(tong)過機電(diàn)耦合方(fāng)式将産(chǎn)生的電(dian)荷全部(bu)聚集在(zài)懸臂梁(liang)表面🚶,最(zui)終轉化(hua)爲瞬态(tài)電壓。變(biàn)形體形(xing)狀的改(gǎi)變将改(gai)變流場(chǎng),其中的(de)🐆流固耦(ou)合面可(kě)由👌振動(dong)和💘流場(chang)控制方(fāng)程水描(miao)述,當流(liú)場流速(su)小于0.3馬(mǎ)赫，流場(chǎng)被認爲(wèi)是不可(kě)壓縮，這(zhe)種不可(kě)壓縮的(de)牛頓流(liu)體介質(zhi)可由連(lián)續性方(fang)程(1)和N-S(Navier-Stokes)方(fang)🤩程(2)描述(shu)，方程如(rú)下☁️所示(shì):
 
 
1.2.2仿真計(jì)算
　　将上(shang)述PVIV流速(sù)傳感器(qì)簡化爲(wèi)一個二(èr)維物理(lǐ)模型,如(ru)圖2所🐉示(shi)🏃‍♀️,其中.D爲(wei)圓柱型(xíng)渦流發(fā)生休直(zhí)徑,計算(suan)域爲25Dx5D的(de)矩形,壓(yā)電懸臂(bì)梁位于(yu)圓柱的(de)中軸線(xian)上.左端(duan)固支。模(mo)型中,範(fàn)圍在0.3m/s~2.5m/s,D範(fàn)圍在30mm~70mm,即(ji)雷諾數(shù)在500~9800之間(jian)。選取空(kong)🐕氣域材(cai)料參數(shu),采用✂️SIMPLE求(qiú)解器,進(jìn)行瞬态(tài)分析,計(ji)算材🥵料(liao)參數如(ru)表1所示(shì)。采用二(er)角形非(fei)結構化(huà)的網格(gé)劃分,在(zai)圓柱和(he)PVDF壓電梁(liáng)的核心(xīn)區✔️域網(wang)格分布(bu)較密集(ji)。
 
2風洞試(shi)驗
　　試驗(yan)在低速(sù)風洞進(jìn)行,測試(shi)平台如(ru)圖3所示(shi)。采集的(de)壓👨‍❤️‍👨電信(xin)号通過(guo)電荷放(fang)大器與(yǔ)NI數據采(cǎi)集卡相(xiàng)連,運⭐用(yòng)LabVIEW對信号(hào)進行🈲ADC數(shu)模轉換(huan)、濾波,頻(pín)譜分析(xī)(FFT變換);通(tong)過🥰激光(guāng)位移傳(chuan)感✔️器采(cai)集渦激(ji)振動時(shí)壓電梁(liáng)末端的(de)y向位移(yí)。最終在(zai)計算機(ji)中顯示(shi)PVDF壓電梁(liáng)振動的(de)時域曲(qǔ)線和頻(pín)譜曲線(xiàn)。重點探(tan)尋壓電(diàn)傳感距(jù)離在不(bú)同📱圓柱(zhu)繞流體(tǐ)直徑尺(chi)寸和流(liú)速🌏變化(huà)的條件(jiàn)下對流(liú)場感知(zhi)特性的(de)影🌂響規(gui)律。試驗(yan)條件㊙️如(ru)表2所示(shi)。實驗中(zhong),由50nmmn到170mm,間(jiān)隔10mm依次(ci)測量不(bu)同距離(li)下的渦(wō)街響應(ying)信号。
 
 
3計(jì)算與測(cè)試結果(guǒ)分析
　　通(tōng)過卡門(mén)渦街理(li)論,獲得(de)了渦街(jiē)産生的(de)流速條(tiáo)件和圓(yuan)柱繞流(liú)✍️體直徑(jing)範圍
 
　　式(shì)中:μ爲空(kōng)氣動力(lì)學粘度(du),St爲斯特(te)勞哈爾(er)數,ƒ爲渦(wo)街脫落(luò)頻率。當(dang)💃🏻雷諾數(shu)在的範(fan)圍内，渦(wo)流會以(yǐ)一個相(xiàng)對穩定(dìng)的⭕頻率(lü)✨周期性(xìng)脫落,根(gen)據流速(sù)條件和(hé)圓柱㊙️百(bǎi)徑範圍(wéi),可得出(chū)在該🧑🏾‍🤝‍🧑🏼條(tiáo)件下的(de)雷諾數(shu)範圍爲(wei)500~9800,滿足産(chan)生渦街(jie)脫落的(de)🌈條件。
　　圖(tu)4爲流速(su)爲2m/s,圓柱(zhù)直徑爲(wei)30mm下,産生(sheng)渦街脫(tuo)落的特(tè)性。由圖(tú)🚩叮知,渦(wō)🙇🏻街的交(jiao)替脫落(luò)需要經(jing)曆一個(ge)生長、成(chéng)熟.衰退(tuì)的過程(cheng)。PVDF壓電懸(xuán)臂梁因(yīn)此生信(xin)号的傳(chuán)感強度(du)與傳感(gan)距離🤩有(yǒu)關,由此(cǐ)驗證了(le)木文利(lì)用渦街(jie)傳感的(de)合理性(xing)。
 
　　圖5展示(shì)了升/阻(zu)力系數(shù)與傳感(gǎn)距離和(he)雷諾數(shù)的關系(xì)🎯，文中😄PVDF壓(yā)電懸臂(bi)梁左端(duān)固支,自(zì)由端在(zài)渦流中(zhong)受到旋(xuán)渦激振(zhèn)力🧡的作(zuo)用而‼️産(chǎn)生y方向(xiang)的周期(qi)性振蕩(dàng)。圖5(a)爲Re=838,L=50mm時(shi)的流場(chang)升/阻力(li)曲線,由(yóu)圖可知(zhī)，在計算(suan)時間約(yue)3s~5s流場基(jī)本穩定(ding)。圖🏃5(b)升力(lì)系數與(yǔ)雷諾數(shù)Re,1.之間的(de)仿㊙️真關(guan)系。可知(zhī)随Re增大(da),流場湍(tuān)流強度(du)增強,此(cǐ)時壓電(diàn)🌈懸臂梁(liáng)表面🧑🏾‍🤝‍🧑🏼所(suo)受的壓(ya)力增加(jiā)，升力增(zeng)大,在L=50mm時(shi),幅值達(dá)1.1。值得關(guān)注的是(shì)，在相同(tong)雷諾數(shù)下,随傳(chuan)感距離(li)的增🌍大(dà),升力系(xi)數随之(zhī)下降,升(sheng)力場呈(cheng)現👅衰減(jiǎn)的現象(xiàng)♋。其中,在(zai)L=50mm,即樂電(dian)懸臂梁(liang)與圓柱(zhu)繞流體(ti)之間距(jù)離最🧑🏾‍🤝‍🧑🏼近(jìn)時,其升(shēng)力系數(shù)最高,反(fǎn)映流場(chang)波動最(zui)劇烈,其(qi)原因是(shì)懸臂梁(liang)的位置(zhi)在渦街(jie)生長區(qu)，因此壓(ya)電懸臂(bi)梁靠近(jin)圓柱體(ti)區城出(chu)現渦旋(xuán)📞回流,造(zào)成的壓(ya)力對壓(yā)電懸臂(bi)🔞梁的受(shòu)力和振(zhèn)動産生(sheng)增強的(de)作用。此(cǐ)外☎️,1.=50mm~70mm範圍(wei)内,升力(li)系數曲(qu)線整體(ti)下降不(bú)明顯;L=70mm-110mm範(fàn)圍内,升(sheng)✏️力系數(shu)曲線出(chu)現交叉(cha)的現象(xiàng)🥰,說明該(gai)區域流(liu)場波動(dòng)變化相(xiàng)似,此時(shi)PVDF壓電懸(xuán)💜臂梁的(de)位置往(wang)往是滿(mǎn)街成熟(shu)區,适于(yú)形成穩(wěn)定的滿(mǎn)街;L=110mm~130mm範圍(wei)内,共升(shēng)💯力系數(shu)曲線整(zhěng)體下降(jiang)明顯,場(chang)流動性(xing)大幅下(xià)降,此時(shi)雷諾數(shu)爲600,其升(sheng)刀系數(shu)下降至(zhì)0.3,此🛀時懸(xuan)臂梁的(de)位置往(wang)往是渦(wo)街衰退(tui)區。
 
　　圖6展(zhan)示了在(zài)流速爲(wei)2m/s,圓柱直(zhí)徑爲30mm條(tiao)件下,傳(chuan)感器件(jiàn)位🌈移🔞響(xiang)應特性(xìng)。由圖可(kě)知,流場(chang)作用3s後(hou),懸臂梁(liáng)産生✔️的(de)y方🌂向振(zhen)蕩逐漸(jian)穩定,該(gai)結果驗(yàn)證了圖(tu)5(a)中流場(chǎng)升/阻力(li)與☎️時間(jian)的㊙️關系(xì)。受渦街(jie)作用,懸(xuán)臂梁自(zi)由端部(bù)産生的(de)y向位移(yí)最大;對(duì)比圖5中(zhōng)計算位(wei)移🏃🏻曲線(xian)和通🌈過(guo)激光位(wei)移傳感(gǎn)器測得(de)👣的實驗(yàn)位移曲(qu)線發現(xiàn),實際測(ce)量的振(zhèn)蕩㊙️曲線(xian)的幅值(zhi)略小于(yú)計算幅(fú)值,同時(shi)㊙️前者的(de)震蕩頻(pín)率(13.8Hz)略小(xiǎo)于⭐後者(zhě)産生的(de)震蕩頻(pín)率(14.0Hz),原因(yin)在于計(jì)算設置(zhì)的阻尼(ní)比與實(shí)際值有(you)誤差，然(rán)而由于(yú)誤差較(jiao)小，實際(ji)測量的(de)震蕩曲(qǔ)線與計(ji)算的到(dao)的大緻(zhi)--緻,因此(cǐ)證🌈實本(běn)文中流(liu)固耦合(hé)計算的(de)正确率(lü)。
 
　　圖7給出(chū)了圓柱(zhù)繞流體(tǐ)直徑爲(wei)30mm時,人射(shè)流速與(yu)PVDF懸臂🛀🏻梁(liang)感知渦(wō)街頻率(lü)之間的(de)關系。主(zhu)要對比(bǐ)卡門渦(wo)街理論(lun)值,仿真(zhēn)計算值(zhí)與實🔞驗(yan)值。如圖(tu)可知,計(ji)算值相(xiàng)比理論(lun)值,其與(yu)實驗值(zhi)更爲接(jie)近,其更(gèng)加正确(que)的反映(ying)實際情(qíng)🈚況下的(de)渦激振(zhèn)動時産(chǎn)生的渦(wō)街現象(xiàng),進--步說(shuō)明本文(wén)仿真計(jì)算的合(hé)理。其中(zhong),流💋速爲(wei)1m/s時的實(shi)驗與計(ji)算時域(yu)曲線(圖(tú)7(b)和7(c))可知(zhi),仿真計(ji)算下的(de)PVDF壓電懸(xuan)臂梁産(chan)💚生的電(diàn)壓響應(ying)信号穩(wěn)定,在渦(wo)街穩定(ding)後其電(diàn)壓幅值(zhí)随時間(jian)幾乎恒(héng)定.這說(shuō)明此時(shi)懸臂梁(liang)☀️在y方向(xiang)的振蕩(dang)幅值穩(wen)定;而對(duì)🛀🏻比圖7(b)可(ke)知,實際(ji)條件☀️下(xià)采集的(de)電壓時(shí)域曲線(xian)在幅值(zhi)大小上(shàng)随時間(jian)波動較(jiao)爲明顯(xian),即周期(qi)内的Ux-Ug值(zhi)往往不(bu)穩定,在(zài)該曲線(xian)上會疊(die)加包括(kuò)電路幹(gan)擾,工頻(pin)十擾,以(yǐ)及流場(chang)對壓電(dian)梁産生(sheng)的x方向(xiang)的振動(dong)影響。在(zài)此情況(kuang)下,若根(gen)據前人(ren)叫采用(yong)提🌈取電(dian)壓的Ux-Ug值(zhi),0-Ug值或U....的(de)🤩方法來(lai)表征壓(yā)電梁感(gan)知渦街(jiē)的特✂️性(xìng)往往并(bing)不正确(què)⛱️,而通過(guo)提取功(gōng)率的方(fāng)法更爲(wei)正确,因(yīn)🔴此本文(wén)采用通(tōng)過提取(qu)頻域曲(qǔ)線中渦(wō)激頻率(lü)下的功(gong)率表征(zhēng)渦街的(de)💃傳感強(qiáng)度。此外(wai),由圖7可(kě)知,仿真(zhēn)中，PVDF壓電(diàn)懸臂✨梁(liang)可檢測(cè)❗的流速(su)爲0.3m/s,此時(shi)該懸臂(bi)梁産生(shēng)的振動(dong)約爲2.0Hz,該(gāi)值與理(lǐ)論值及(jí)實驗值(zhí)接近，進(jìn)一步說(shuo)明了本(běn)文仿真(zhen)計算的(de)🈚合理。

 
　　圖(tú)8爲傳感(gǎn)強度(功(gōng)率P)在不(bú)同傳感(gǎn)距離下(xia)的分布(bu)曲線。給(gei)出了D=30mm,人(ren)射流速(sù)依次爲(wei)0.5m/s,1.0m/s,2.0m/s時的實(shi)驗及計(jì)算結果(guǒ)。同時根(gēn)據式(8),P值(zhí)由對應(ying)時城曲(qǔ)線通過(guò)傅裏葉(ye)變換(FFT)轉(zhuǎn)換而來(lái)。
 
　　圖8(a)可知(zhī),同一繞(rao)流體直(zhi)徑下,流(liu)速越大(da),其P随傳(chuán)感位置(zhì)的變化(hua)規律基(jī)本一緻(zhì),即均在(zài)L爲90mm附近(jìn)最大.反(fǎn)映出在(zai)相同區(qū)域PVDF壓電(diàn)🌈梁測量(liang)的信号(hào)強度達(dá)到最大(da)🥰:同時反(fǎn)映,傳感(gǎn)距離(L.)與(yǔ)人射流(liu)速大小(xiǎo)無關,分(fen)析原☂️因(yin).根據卡(ka)💋門渦街(jiē)理論.認(rèn)爲這是(shi)由于渦(wo)街交替(ti)脫落時(shi)旋渦方(fāng)向對壓(ya)電梁産(chǎn)生的影(ying)響，即旋(xuan)渦y方向(xiàng)的速度(du)引起振(zhèn)蕩作用(yong)(參考圖(tú)9周期内(nèi)的y方向(xiang)流場速(su)度可知(zhī)🧑🏾‍🤝‍🧑🏼),與x方向(xiang)🔞,即人射(shè)流速方(fāng)向無關(guan)。值得注(zhu)意的是(shi),由圖8(b)~圖(tu)8(d)發現,在(zài)相同直(zhi)徑下,随(suí)流👌速增(zeng)大,流場(chang)對壓電(dian)梁産生(sheng)的激頻(pin)成分更(geng)爲複雜(zá),這與圖(tú)5(b)相符,即(jí)随Re增大(da),流場湍(tuān)流強度(du)增強,反(fǎn)映流場(chǎng)波動更(gèng)加♊劇烈(lie)。但是對(dui)于産生(shēng)渦街的(de)頻率穩(wen)定且與(yǔ)理論(式(shi)🏃‍♀️(10))一緻,進(jìn)一步說(shuo)明了本(ben)文采用(yong)功率來(lai)表征傳(chuan)感強度(du)的合理(lǐ)👌性。此外(wai),觀測圖(tu)8(a)可知,L超(chāo)過110mm時🌏,P值(zhí)均下降(jiàng),分析原(yuán)因,根據(jù)渦街理(lǐ)論,由于(yu)黏性的(de)耗散.此(ci)時旋渦(wo)♻️逐漸衰(shuāi)退,所以(yi)的傳感(gǎn)位置應(yīng)🔴在渦街(jiē)的成熟(shú)區附近(jin)。
 
　　圖10爲傳(chuán)感強度(dù)(P)在不同(tong)傳感距(jù)離下的(de)分布曲(qǔ)線,展示(shi)了低流(liú)速🌈情況(kuàng)下，即ʋ=1m/s,繞(rào)流體直(zhí)徑依次(ci)爲30mm,40mm,50mm時的(de)實驗及(jí)計算結(jie)果。由圖(tú)10(a)可知,P随(suí)傳感距(ju)離L的分(fèn)布規律(lü)有所不(bu)同。當D越(yuè)大..，越大(da),即旋渦(wo)越遠離(li)繞流體(tǐ)。例如💃🏻當(dāng)D=30mm時(.=90mm;當D=40mm時(shí),L=110mm;當D=50mm時,Lm=130mm。值(zhi)得注意(yì)的是,由(you)圖10(b)~圖10(d)發(fa)🙇‍♀️現,在相(xiang)同ʋ下,随(sui)D值增大(da).流場對(duì)壓電梁(liang)産生的(de)激頻成(chéng)分更少(shǎo),分析原(yuán)因,可能(neng)是由于(yú)随着D值(zhí)‼️增.大,在(zài)CCT兩側産(chǎn)生的交(jiao)替旋渦(wo)相互之(zhī)間的作(zuo)用減小(xiao)，使得流(liú)場的波(bo)動減小(xiao)所導緻(zhì)的。
 
　　圖11展(zhǎn)示了當(dang)r=0.5m/s,D=30mm時,--個振(zhen)動周期(qī)下渦街(jiē)壓強雲(yún)紋圖以(yi)及懸臂(bi)梁的變(bian)形情況(kuàng)。可以直(zhi)接看出(chu),懸臂梁(liáng)在渦街(jiē)中受到(dào)周期下(xia)的漩渦(wō)激振力(lì)而産生(shēng)振蕩現(xiàn)象。其中(zhōng)懸🌈臂梁(liang)兩側的(de)壓強差(chà)是導緻(zhi)懸臂梁(liáng)的偏轉(zhuǎn)💃🏻的直接(jie)原因,而(ér)壓強差(cha)是由于(yu)🔆渦街通(tong)過懸臂(bì)梁産🌍生(shēng)的。與此(cǐ)同時,壓(yā)強差産(chan)生了流(liú)場的升(shēng)力.使得(de)懸臂梁(liang)得到了(le)向上及(jí)向下運(yùn)動的加(jia)速度。不(bú)僅如此(ci)‼️,懸臂梁(liang)自👅由端(duan)振幅随(sui)時🐇間的(de)增長最(zuì)快,達到(dào)最大振(zhen)幅時,振(zhen)動速度(du)最🥰小。此(ci)外,一個(gè)振動周(zhou)‼️期内,懸(xuan)臂梁産(chǎn)生了兩(liang)次振動(dong)方向的(de)改變,使(shi)得懸臂(bì)梁周圍(wei)流場也(ye)發生了(le)周期性(xing)的改變(biàn)，PVDF樂電懸(xuan)臂梁與(yu)流場的(de)相互作(zuo)用形成(chéng)了較爲(wei)穩定的(de)振動規(gui)律,振動(dong)周期保(bao)持不變(biàn)。
　　圖12爲傳(chuan)感距離(lí)與流速(sù)及繞流(liu)體直徑(jìng)之間的(de)計算😘及(ji)實📱驗關(guān)系。由圖(tu)12(a)可知随(sui)D值增大(da)逐漸增(zēng)加，且近(jìn)似線性(xìng)關系♻️。同(tóng)時,測量(liang)曲線與(yu)計算曲(qu)線--緻。分(fen)析原因(yin)，根據圖(tu)😘4及式(10),最(zui)住傳感(gan)距離應(ying)該在旋(xuán)渦的成(chéng)熟區㊙️,D增(zeng)大時,其(qi)📧兩側剪(jiǎn)切層之(zhī)間距🌏離(li)變大,其(qí)相互作(zuo)用🈚變慢(man),使漩渦(wo)❌的脫落(luò)頻率減(jian)小，使得(dé)旋渦産(chǎn)生位置(zhi)🔞距繞流(liú)體越遠(yuǎn),即最住(zhu)檢測位(wèi)置越遠(yuan)離圓柱(zhù)🆚繞流體(tǐ)。由圖12(a)進(jin)一-步可(ke)知,與ʋ無(wú)關,這與(yu)圖👣8(a)的分(fèn)布曲線(xiàn)一緻。
 
　　圖(tú)13爲傳感(gǎn)距離下(xià)的P值(P..)與(yu)o,D之間的(de)計算及(jí)實驗關(guan)系。由圖(tu)13(a)可知,P.随(sui)。增大而(ér)遞增,同(tóng)時随D增(zēng)大而遞(di)增;同時(shi)，測量曲(qu)線與計(ji)算曲線(xiàn)保持-緻(zhì)。分析原(yuán)内.根據(ju)式(9),由Re與(yǔ)txD成正比(bǐ)關系,Re增(zēng)加，導緻(zhi)其升力(lì)系數🔞增(zēng)大,即反(fan)映✊流場(chǎng)波動越(yuè)劇烈,此(ci)時結構(gou)表面所(suǒ)受壓力(lì)增加,導(dao)☁️緻PVDF壓電(dian)梁的🔴振(zhen)蕩幅值(zhi)變大,産(chǎn)生的壓(yā)電功率(lǜ)越高✨。其(qi)中圖13(b)顯(xian)示,當v=2.5m/s,D=70mm.,P..約(yue)爲10x10*mW;當0=0.5m/s,D=30mm,P.約(yue)爲8x102mW。可推(tuī)測,若流(liú)速和直(zhi)徑同時(shi)分别☀️小(xiǎo)于0.5m/s和30mm,産(chǎn)生的P..，将(jiang)小于8x10*mW。然(ran)而如果(guo)用時域(yu)電壓的(de)Ua-U。值、0-U2值或(huo)U的方🌈法(fǎ)來表征(zhēng)壓電梁(liáng)感知渦(wo)街的特(tè)性往往(wǎng)會被噪(zào)聲幹擾(rǎo),難以提(tí)取特征(zhēng)量。這也(yě)進☎️一步(bu)證明了(le)木文采(cǎi)用提取(qu)功率來(lai)表征渦(wō)街在傳(chuán)感距離(lí)上傳感(gǎn)強度的(de)合理性(xìng)。
 
4結論
　　設(she)計和研(yan)究了一(yī)種基于(yu)渦激振(zhèn)動的壓(ya)電傳感(gǎn)裝置。通(tong)過響應(yīng)信号分(fèn)析了傳(chuán)感距離(li)和功率(lü)與繞流(liú)體直徑(jìng)和流速(sù)的變化(hua)規律。建(jian)立了流(liú)-固-電耦(ou)合數值(zhí)模型♻️,構(gou)建了流(liu)速測🔆量(liàng)的新方(fāng)法。采👈用(yong)通過提(ti)取頻域(yù)曲線中(zhong)渦激頻(pín)率下的(de)功率作(zuò)爲渦街(jiē)的傳感(gǎn)強度。實(shí)驗和仿(páng)真結果(guǒ)表明:增(zeng)大繞流(liú)體直徑(jing)可以使(shi)傳感距(ju)離和功(gong)率線性(xìng)增加;然(rán)而,在傳(chuán)感距離(lí)不變的(de)情況下(xia),增大✊流(liú)速可以(yi)提高功(gong)率。通過(guò)流場分(fèn)析得出(chu)了采集(ji)信号在(zài)Lm下最優(you)的木質(zhi)原🐉内爲(wei):在該處(chù),渦街成(chéng)熟且脫(tuo)落穩定(dìng),升力系(xì)數穩定(dìng)。此外,風(feng)洞實驗(yàn)驗證該(gāi)基于渦(wō)激振動(dong)的柔性(xìng)壓電懸(xuan)臂梁流(liú)速感知(zhi)特性⭐。結(jié)果表明(míng):該☔傳感(gǎn)器件能(neng)有效地(dì)測量低(di)至0.3m/s流速(su);當ʋ=2.5m/s,D=70mm,P...約爲(wèi)10x10*mW;當ʋ=0.5m/s,D=30mm,P.約爲(wei)8x102mW。該提取(qǔ)渦街信(xin)号的方(fang)法和規(gui)律可以(yǐ)解決傳(chuan)統的渦(wō)街信号(hao)微弱以(yi)及低流(liu)速難測(cè):量的問(wèn)題,擴大(da)了該類(lèi)流速✌️傳(chuan)感器的(de)應用📱範(fàn)圍,快響(xiǎng)應的流(liú)速傳感(gan)器件的(de)設計及(ji)測量提(ti)供了新(xīn)🌈的探測(cè)👨‍❤️‍👨方法。

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