摘要:F雙鈍體(ti)旋渦脫離的流體(ti)動力學特性以及(ji)利用雙💁鈍體增強(qiáng)流體振動的最佳(jia)組合結構。給出了(le)多種鈍體組合結(jié)構的斯特勞哈爾(ěr)數的試驗結果，表(biao)明雙鈍體結構具(jù)有常定的🔴斯特勞(láo)🔆哈爾數。用50mm口徑渦(wo)街流量計 進行的(de)試驗證明，雙鈍體(ti)組合在一定的條(tiáo)件下能獲得理想(xiang)的旋渦重疊，從而(ér)增強流體的振動(dòng)。在鈍體的軸對🐆稱(chēng)點上，還觀察到強(qiang)度和頻率相同，相(xiàng)位相差180°的流體振(zhen)動點，利用優化🌈的(de)雙鈍👄體結構和差(chà)動傳感技術，研制(zhi)出小流量靈敏度(dù)和抗幹擾性能很(hěn)好的新型🌈旋渦流(liu)量計。
0前言
　　斯特勞(láo)哈爾和馮·卡門對(duì)鈍體繞流所做的(de)開拓性研究揭示(shì)了旋渦脫離的基(ji)本特征和規律，即(ji):當流體流☔經鈍體(ti)時，尾流中将❤️形成(cheng)旋渦流型，旋渦從(cong)鈍體兩側交替地(di)脫離，并🔴在---個較🔴寬(kuān)的雷♍諾數範圍内(nèi)❌，有常定的量綱一(yī)的脫落頻率，即斯(si)特勞哈爾爲常數(shù)。這表明旋渦脫落(luo)的頻率與平均流(liú)速成正比。
Roshkol21的研究(jiu)給出了更爲明确(que)的結果，即在雷諾(nuo)數處于👨‍❤️‍👨300<Re<2X105的🎯範圍内(nei)時💁，斯特勞哈爾數(shù)保持在0.2左右，他還(hái)首次提出了利用(yòng)斯🥰特勞哈爾數的(de)常定範圍來制造(zao)流💁量計的設想。20世(shì)紀70年代初，商品化(hua)的渦街流量計在(zai)日本出現。近30年的(de)工❌業應用證明了(le)渦街流量計在👉穩(wěn)定流體計量中的(de)可靠📱性和精确性(xing)，它的主要優點還(hai)包括精度高、線性(xing)度好、介質适應性(xing)寬和性能可靠(無(wú)運動部件)3]。然而，渦(wo)街流量計存在的(de)流量下限高和抗(kàng)幹擾性能😍差等問(wèn)題，使它喪失了許(xǔ)多潛在的應用領(ling)域，如:量大面廣的(de)天然氣商業計量(liàng)以及流速和壓力(lì)不穩定的測量系(xi)統。
爲了将渦街流(liú)量計應用于不穩(wěn)定流體的計量，本(ben)文利用鈍體組合(he)強化旋渦脫落誘(yòu)發流體振動的理(li)論研究基礎上，設(she)計出雙鈍體渦街(jiē)流量計 試驗樣機(ji):通過試驗獲得了(le)雙鈍體的最優組(zǔ)合結構及參數;分(fen)析了鈍體組合對(dui)斯特勞哈爾數的(de)影響;同時在🔅後鈍(dùn)體的🌐軸對稱點上(shang)，還觀察到強度和(hé)頻率相同，相位🧑🏾‍🤝‍🧑🏼相(xiàng)差180°的流體振動點(diǎn)，這些研究結果爲(wei)研制具🔞有良好抗(kang)幹擾性能和小流(liu)量靈敏度的雙鈍(dùn)體差動☀️式渦街流(liu)量計提供了依✊據(ju)。
1雙鈍體渦街流量(liang)計的原理
雙鈍體(ti)渦街流量計的基(jī)本設計思路是利(lì)用前鈍體🤟和後鈍(dun)🐅體引發的旋渦脫(tuō)離現象，通過試驗(yàn)獲得使旋渦在後(hòu)鈍體周🌈圍實現同(tóng)相位疊加的最佳(jiā)鈍體組合🌏，使流體(tǐ)👣振動得到加強，降(jiàng)低計量的下限，同(tong)時利用鈍體兩側(cè)的📱流體振動具有(yǒu)180°相位差的特點，用(yong)差動式傳感器抑(yi)制共模幹擾信号(hào)的方法，提高⭐流量(liang)計的抗幹擾性能(néng)，圖1所示爲雙鈍體(tǐ)渦街流量計的原(yuan)理。
 
2試驗裝置
圖2所(suǒ)示爲試驗裝置及(jí)測試系統原理。
 
試(shì)驗裝置爲氣體流(liú)量試驗系統，它由(you)5個部分組成。I一流(liú)場波動模拟裝置(zhì)，用于實驗室條件(jian)下模拟流場波動(dong);II一試驗👅表體;II一标(biao)準流量校正裝置(zhi)，本試驗台采用臨(lin)界流文丘利噴嘴(zuǐ)流♍量計作爲校準(zhun)其他儀表的基準(zhǔn);IV一負壓産生裝置(zhì)，本試驗台通過真(zhen)空泵産生負壓，使(shi)試驗台的入口和(hé)出口之間産生一(yi)個壓差，這樣就形(xing)成一個小型風洞(dong)。真空泵電🐕動機額(e)定功率爲11kW,額定轉(zhuan)速爲1450r/min;V一計算機測(cè)試系統，主要由電(dian)荷放大器、DAC-TRON公司Photo便(biàn)攜式動态信号分(fen)析儀(該分♈析儀的(de)主要特性和性能(néng)指标:4個輸入通道(dao)，一個輸出通道;120MHzTMS320VC33DSP，21kHz處(chù)理率;32位浮點DSP;ICP傳感(gan)器供電;USB接口，支持(chi)熱插拔;質量小于(yú)200g，抗振動外殼)及計(ji)算機所組成。
試驗(yan)台的臨界流文丘(qiu)利噴嘴測定裝置(zhì)由5個标準的不同(tóng)噴嘴流:量計組成(cheng)，通過不同的組合(hé)方式可得到5.5--220.5m³/h之間(jiān)的流量。試👣驗的管(guan)道内徑50mm。
3試驗結果(guo)
試驗分爲兩個部(bu)分，1一雙鈍體組合(he)渦街振動頻率🔴試(shi)驗;2一雙鈍體組合(hé)方式對渦街強度(dù)的影響。試驗傳感(gan)器如圖1所💚示對稱(cheng)于後鈍體安裝。試(shi)驗表體直徑爲50mm。
 
典(diǎn)型的渦街脈動信(xìn)号如圖3所示。從信(xin)号的時域信号‼️可(kě)以看出。對稱于後(hou)鈍體兩側渦街的(de)脈動是反相的，并(bìng)有明顯的周期性(xìng)，其功率譜的頻率(lǜ)分布很廣并有🔱一(yī)個明顯的峰值，該(gai)峰☔值處頻率和時(shí)域信号的主波🔴動(dòng)是頻率是相同的(de)。定義功率譜中該(gai)峰㊙️值處的頻率爲(wèi)渦街的主頻。下面(mian)所讨論的渦街頻(pin)⭐率指的就是渦街(jiē)的主頻。
3.1雙鈍體組(zǔ)合渦街振動頻率(lü)試驗研究
對于單(dan)鈍體渦街，在臨界(jiè)雷諾數之上斯特(te)勞哈爾數✨是恒定(dìng)的，這是單鈍體渦(wo)街流量計的測量(liàng)基礎。雙鈍體渦街(jie)是否存在同樣的(de)規律是雙鈍體渦(wo)街流量計的關鍵(jian)。本部分的試驗研(yán)究是🈲爲尋找當旋(xuán)渦發生體是兩個(ge)三👌角形時渦街的(de)斯特🥰勞哈爾數是(shi)否發生變化。本部(bu)分的另一個目的(de)是研究鈍體的平(ping)行組合👉對🌈渦街斯(sī)特勞哈爾數的影(yǐng)響。
試驗所用雙鈍(dun)體組合圖1所示，圖(tú)中的前後.鈍體的(de)互相平行的，鈍體(ti)的組合方式是指(zhǐ)兩個鈍體之間的(de)距離不同情況的(de)組合。
試驗的設計(jì)是對相同的鈍體(ti)組合在不同的流(liú)量情況下進📧行試(shi)驗。以得到不同組(zu)合下不同流量的(de)測量數據。試驗的(de)采用數據如表所(suǒ)示。
流量的選取不(bu)少于5個點，并通過(guò)流量不完全相同(tóng)的選取來🐆達到覆(fu)蓋較多流量範圍(wéi)的目的。圖4a爲試驗(yàn)所得的各組雙鈍(dùn)體和單鈍體斯特(te)勞哈爾數;圖4b是流(liú)量和渦街頻率的(de)🛀關系曲線:圖4c爲各(ge)組雙鈍體和單鈍(dùn)體斯特勞哈爾數(shù)标準偏差曲線。
從(cóng)圖4a和圖4b中可以得(dé)出如下結論。
雙鈍(dùn)體的斯特勞哈爾(ěr)數比單鈍體斯特(te)勞哈爾數大，不同(tong)組合雙鈍體的斯(sī)特勞哈爾數是不(bú)相同.的。不同的雙(shuang)鈍體組合🐆的斯特(tè)勞哈爾數的波動(dòng)不相㊙️
同的，其斯特(te)勞哈爾數的标準(zhǔn)偏差如圖4c所示。從(cóng)圖4c中可以知道🤟，雙(shuang)鈍體的斯特勞哈(ha)爾數波動是比較(jiào)大的㊙️，在L=50~46mm之間偏差(chà)與單鈍體偏差相(xiàng)當。
由4b圖，該曲線的(de)線性度與斯特勞(lao)哈爾數标準偏差(chà)相對🌈應，當L=50~46mm時雙鈍(dun)體流量--頻率曲線(xiàn)的線性度較好。
綜(zong)上所述，對于雙鈍(dùn)體渦街流量計從(cóng)測量的線性範圍(wéi)角度考🔆慮應選擇(ze)L=50~46mm之間的組合方式(shi)。
 
3.2雙鈍體組合方式(shì)對渦街強度的影(ying)響
上面得出雙鈍(dun)體流量計最佳線(xian)性範圍條件。流量(liàng)計的另-一個重要(yao)的問題是渦街強(qiáng)度，其直接影響測(ce):量信号💋的信噪比(bi)✍️。其對降低量程下(xià)限有重要的意義(yi)。
爲研究雙鈍體組(zǔ)合對渦街強度的(de)影響。設計了如下(xià)試驗。試驗裝置如(rú)圖1所示;通過改變(bian)距離L對鈍體進行(hang)組合并對♍該組鈍(dùn)體在不同流量下(xia)進行試驗。試驗所(suǒ)使用的流量是😘220.5m3/h,178.3m'/h,111.7m3/h,66.6m3/h等(děng)4組。使用的鈍體組(zu)合有L=60mm,55mm，54mm，51mm，49mm,47mm,45mm,43mm,41mm,39mm,37mm,35mm，33mm,32mm，29mm等15個組合。
進(jìn)行強度比較之前(qian)，需要對渦街的信(xin)号特點進行分⭐析(xi)并定出可以度量(liàng)強度的量。如圖3渦(wo)街信号是周期性(xìng)的但其波動的幅(fú)值不等，故渦街的(de)強度需要從統計(ji).上進行比較。試驗(yan)中制定的渦街強(qiáng)度的統計量爲.
 
這(zhe)裏`y表示的是脈動(dòng)壓力信号平均的(de)波動幅值，通過🌈換(huan)算可得到渦街的(de)平均脈動強度。以(yǐ)後的所有🏃有關強(qiáng)度比較都是🎯以`y爲(wei)的度量。
圖5a是試驗(yan)得到渦街的程度(du)在不同組合在不(bú)同流量下的比較(jiào)曲線，圖上的P0是通(tōng)過`y換算而.來的，可(kě)以✊認爲🆚是渦街的(de)👉平均脈動強度。
圖(tú)5b是不同流量下的(de)渦街平均脈動強(qiang)度最大的放大倍(bèi)數👄，這時定義
 
從不(bu)同組合在不同流(liu)量渦街強度比較(jiao)曲線可以🈲得到以(yi)下結論:
雙鈍體對(duì)渦街的強度有加(jiā)強的作用。在不同(tong)的流量下雙鈍體(tǐ)對渦街的加強程(chéng)度是不一樣的如(ru)圖6a所示。從qv---β可以知(zhi)道在不同📧流量下(xià)渦街平均強度最(zuì)大的放大倍數是(shì)不相同的，β在qv=130m3/h時達(dá)到🔴最大。
P0随L非線性(xing)變化，在L=45~54mm之間P0梯度(dù)很小，即在該區域(yu)内L的變化對渦街(jie)強度的影響不顯(xian)著。
渦街的強度有(yǒu)一個峰值區域。當(dāng)偏離這個區域後(hòu)渦街的🈲強度發生(sheng)明顯的衰減。該峰(feng)值區域與較小P0梯(tī)度區域重合。
相同(tong)流量下，雙鈍體渦(wo)街強度始終比單(dān)鈍體渦街大。在流(liú)量不變情況下，當(dang)雙鈍體渦街強度(dù)接近單✂️鈍體渦街(jie)強度時，微小的❓L變(biàn)化會導緻雙鈍體(ti)卡門渦街現象的(de)消失，即存在一個(ge)産生雙鈍體卡門(mén)渦街的臨界距離(lí)Le，且Le與流量有關，在(zài)Le處雙鈍🌈體渦街強(qiang)👌度和單鈍體渦街(jie)強度相等。當L<Le該流(liu)量下雙鈍體卡🥵]渦(wo)街現象将消失。但(dàn)Le是否與尺度相關(guan)需要進一-步的研(yán)究。同樣随L不斷增(zēng)長是否也存❄️在一(yi)個臨界距離也需(xu)要進一步研究。
 
4結(jie)論
通過上述的試(shi)驗研究，可以得出(chū)以下的結論:用雙(shuang)鈍體誘發卡門渦(wo)街可以增強渦街(jie)的脈動平均強度(du)，有利于提高測量(liang)的信噪比，降低渦(wō)街流量計的測量(liàng)下限。最大強度鈍(dun)體的組合L=45~-54mm。
通過适(shi)當的選擇鈍體的(de)組合，雙鈍體渦街(jiē)流量計的精🔅度和(hé)單鈍體渦街流量(liàng)計是相當的。最佳(jia)線性度鈍體組合(he)爲L=46~50mm。
綜上述，通過兩(liang)個三角型鈍體組(zǔ)合可以得到與單(dan)🍓鈍💃🏻體🎯渦街流量計(ji)測量精度相當但(dan)信号信噪比高、測(ce)量下限較低的雙(shuang)鈍體👄渦街流量計(jì)。雙鈍體的最佳組(zǔ)合方法是L=45~50mm之間。

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