摘要:F雙鈍(dùn)體旋渦脫離(lí)的流體動力(lì)學特性以及(ji)利用雙鈍體(tǐ)♋增❄️強流體振(zhèn)動的最佳組(zu)合結構。給出(chū)了多種⁉️鈍體(ti)組合結構的(de)斯特勞哈爾(er)數的試驗結(jié)果，表明雙💔鈍(dun)體結構具有(yǒu)常定的斯特(tè)勞哈爾數。用(yòng)50mm口徑渦街流(liu)量計 進行的(de)試驗證明，雙(shuang)鈍體組合在(zài)一定的條件(jian)下能獲得理(li)想的⭐旋渦重(zhong)疊，從而增強(qiáng)流體的振動(dòng)。在鈍體的軸(zhou)對稱點上，還(hái)觀察到強度(du)和頻率相同(tong)，相位相差180°的(de)👌流體振動點(diǎn)，利用優化🌐的(de)雙鈍體結構(gou)和差✍️動傳感(gǎn)技術，研制出(chu)小流量靈敏(mǐn)度和抗幹擾(rao)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(yán)究✨揭🐇示了旋(xuan)渦脫離的基(jī)本特征和規(gui)律，即:當流體(ti)流🈲經鈍體時(shi)，尾流中将形(xing)成旋渦流型(xíng)，旋渦從鈍體(ti)兩側交替地(dì)脫離，并在---個(gè)較😄寬的雷諾(nuò)數範圍内，有(you)常定的💋量綱(gang)一的脫落頻(pín)率，即斯特勞(láo)哈爾爲常數(shu)。這表明旋渦(wo)脫落的頻率(lü)與平均流速(su)成正比。
Roshkol21的研(yan)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(bǎo)持在0.2左右，他(tā)還首次提出(chū)了利用斯特(te)勞哈爾數的(de)常定範圍來(lai)制造流量計(jì)的設想。20世紀(ji)70年代初，商品(pin)化的渦街流(liu)量計在日本(běn)出現。近30年的(de)工業應用證(zheng)明了渦街流(liu)量計在穩定(ding)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(jie)質适應性寬(kuān)和性能可靠(kao)(無運動部件(jian))3]。然而，渦街流(liu)量計存在的(de)流量下🔞限高(gāo)和抗幹擾性(xìng)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(liu)速和壓力不(bú)穩定的測量(liàng)系統。
爲了将(jiang)渦街流量計(jì)應用于不穩(wen)定流體的計(jì)量，本文🚩利用(yong)鈍體組合強(qiang)化旋渦脫落(luò)誘發流體振(zhen)動的理論研(yán)究基礎👌上，設(she)計出雙鈍體(tǐ)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(jié)構及♈參數;分(fen)🔞析了鈍體組(zu)合對斯特勞(lao)哈爾數的影(ying)響;同時在後(hòu)鈍體的軸對(duì)稱點上，還觀(guan)察到強度和(he)✂️頻率相同，相(xiàng)位相差180°的⭐流(liú)體振動點，這(zhè)👣些研究結果(guǒ)爲研制具有(you)良好抗幹擾(rao)性能📧和小流(liú)量靈敏度的(de)雙鈍體差動(dòng)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(ti)渦街流量計(ji)的基本設計(jì)思路是利用(yòng)前鈍體和後(hòu)鈍🌈體💞引發的(de)旋渦脫離現(xiàn)象，通過試驗(yan)獲得使旋渦(wō)在後鈍體周(zhou)圍實現同相(xiàng)位疊加的最(zuì)佳鈍體組合(he)，使流體振動(dong)得到加強，降(jiàng)低計量的下(xia)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(dòng)式傳感器抑(yì)制共模幹擾(rǎo)信号的方法(fǎ)，提高流量計(ji)的抗幹擾性(xing)能，圖1所示爲(wei)雙鈍體渦街(jie)流量計的原(yuán)理。
 
2試驗裝置(zhi)
圖2所示爲試(shi)驗裝置及測(cè)試系統原理(lǐ)。
 
試驗裝置爲(wèi)氣體流量試(shi)驗系統，它由(yóu)5個部分組成(cheng)。I一🔞流場🔱波動(dòng)🌈模拟裝置，用(yong)于實驗室條(tiao)件下模拟流(liú)場波動;II一試(shì)驗表體;II一标(biāo)準流量校正(zhèng)裝置，本試驗(yan)台采用臨界(jiè)流文丘利噴(pēn)嘴流量計作(zuò)爲校準其他(tā)儀表的基準(zhǔn);IV一負壓産生(sheng)裝置，本試驗(yàn)台通過真空(kōng)泵産生負壓(ya)，使試驗台的(de)入口和出口(kǒu)之間産生一(yi)個壓差，這樣(yang)就形成一個(ge)小型風洞。真(zhen)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(ce)試系統，主要(yào)由電荷放大(da)器、DAC-TRON公司Photo便攜(xie)式動态信号(hao)分析儀(該分(fèn)析儀的主要(yao)特性和性能(neng)指标:4個輸入(ru)通道，一🈚個輸(shū)出通道;120MHzTMS320VC33DSP，21kHz處理(li)率;32位浮點DSP;ICP傳(chuán)感器供電;USB接(jie)口，支持熱插(cha)拔;質量小于(yu)200g，抗振動外殼(ké)㊙️)及計算機所(suǒ)組成。
試驗台(tai)的臨界流文(wen)丘利噴嘴測(ce)定裝置由5個(gè)标準的不同(tong)噴♈嘴流:量計(jì)組成，通過不(bú)同的組合方(fang)式可😍得到5.5--220.5m³/h之(zhī)間的流量。試(shì)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(shuang)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(yàn)🔱傳感器如圖(tu)1所示對稱于(yu)後鈍體安裝(zhuāng)。試驗表體直(zhi)徑爲50mm。
 
典型的(de)渦街脈動信(xìn)号如圖3所示(shi)。從信号的時(shí)域信号可以(yǐ)看✂️出。對稱于(yu)後鈍體兩側(ce)渦街的脈動(dòng)是反相的，并(bìng)有明顯的周(zhōu)期性，其功率(lǜ)譜的頻率分(fèn)布很廣并有(you)一個明顯的(de)峰值，該峰值(zhi)處頻率和時(shi)域信号的主(zhu)波動是頻率(lǜ)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(miàn)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(ti)組合渦街振(zhèn)動頻率試驗(yan)研究
對于單(dān)鈍體渦街，在(zài)臨界雷諾數(shu)之上斯特勞(láo)哈爾數☀️是恒(héng)定的✂️，這是單(dān)鈍體渦街流(liu)量計的測量(liàng)基礎。雙鈍體(ti)渦🙇🏻街是否存(cún)在同樣的規(guī)律是雙鈍體(ti)渦街流量計(ji)🏃‍♂️的關鍵。本部(bù)分的試驗研(yán)究是🤞爲尋找(zhao)當旋🈲渦發生(sheng)體🍉是兩個三(san)角形時渦街(jie)的斯特💃勞哈(hā)爾數㊙️是否發(fa)生變化。本部(bù)分的另一個(gè)目的是研究(jiu)鈍體💜的平行(hang)組合對渦街(jie)斯特勞哈爾(ěr)數的影響。
試(shi)驗所用雙鈍(dùn)體組合圖1所(suo)示，圖中的前(qian)後.鈍體的互(hù)相平行的，鈍(dùn)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(shi)驗的設計是(shì)對相同的鈍(dun)體組合在不(bú)同的流量情(qíng)況下進行試(shì)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(jù)如表所示。
流(liú)量的選取不(bú)少于5個點，并(bing)通過流量不(bu)完全相同🆚的(de)選取來達到(dào)覆蓋較多流(liu)量範圍的目(mù)的。圖4a爲試驗(yan)所得的各組(zu)雙鈍體和單(dān)鈍體斯特勞(lao)哈爾數;圖4b是(shì)流量和渦街(jiē)頻率的🏃🏻關系(xì)曲線:圖4c爲各(ge)組雙鈍體和(hé)單鈍體斯特(tè)勞哈爾數标(biāo)準偏差曲線(xiàn)。
從圖4a和圖4b中(zhong)可以得出如(rú)下結論。
雙鈍(dùn)體的斯特勞(lao)哈爾數比單(dān)鈍體斯特勞(lao)哈爾數大，不(bu)㊙️同組合雙鈍(dùn)體的斯特勞(lao)哈爾數是不(bú)相同.的。不同(tóng)的雙鈍體組(zu)合的斯特勞(lao)哈爾數的波(bo)動不相
同的(de)，其斯特勞哈(hā)爾數的标準(zhǔn)偏差如圖4c所(suǒ)示。從圖4c中可(kě)✍️以知道，雙鈍(dùn)體的斯特勞(lao)哈爾數波動(dong)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(tè)勞哈爾數标(biao)準偏差相對(duì)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(shàng)所述，對于雙(shuāng)鈍體渦街流(liu)量計從測量(liang)的線性範圍(wéi)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(qiáng)度的影響
上(shang)面得出雙鈍(dùn)體流量計最(zui)佳線性範圍(wéi)條件。流量計(ji)的另-一個重(zhòng)要的問題是(shi)渦街強度，其(qí)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(yi)義。
爲研究雙(shuang)鈍體組合對(duì)渦街強度的(de)影響。設計了(le)如下㊙️試驗。試(shì)驗☂️裝置如圖(tu)1所示;通過改(gǎi)變距離L對鈍(dun)體⚽進行組合(hé)并對該組鈍(dùn)體在不同流(liu)量下進行試(shi)驗。試驗所使(shǐ)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(you)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(hao)特點進行分(fèn)析并定出可(ke)以度量強度(du)的量。如圖3渦(wō)街信号是周(zhou)期性的但其(qí)波動的幅值(zhí)不等，故渦街(jiē)的強度需要(yào)從統計.上進(jìn)行比較。試驗(yàn)中制定的渦(wō)街強度的統(tǒng)計量爲.
 
這裏(lǐ)`y表示的是脈(mò)動壓力信号(hào)平均的波動(dòng)幅值，通過👣換(huan)算可得到渦(wo)街的平均脈(mo)動強度。以後(hou)的所有有關(guan)強度比較都(dōu)是以`y爲的度(dù)量。
圖5a是試驗(yàn)得到渦街的(de)程度在不同(tóng)組合在不同(tóng)流量下的比(bǐ)較曲線，圖上(shang)的P0是通過`y換(huàn)算而.來的，可(ke)以👉認爲是渦(wō)街的🔴平均🈲脈(mò)動強度。
圖5b是(shì)不同流量下(xià)的渦街平均(jun)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(duì)渦街的強度(du)有加強的作(zuò)用。在不同的(de)流量下雙鈍(dun)體對渦街的(de)加強程度是(shi)不一樣的如(rú)圖6a所示。從qv---β可(kě)以知道在不(bu)同流量下渦(wo)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(fēi)線性變化，在(zài)L=45~54mm之間P0梯度很(hěn)小，即在該區(qū)域内L的變化(hua)對渦💰街強度(dù)的影響不顯(xiǎn)著。
渦街的強(qiang)度有一個峰(fēng)值區域。當偏(pian)離這個區域(yu)後渦街💃🏻的強(qiang)度發生明顯(xian)的衰減。該峰(feng)值區域與較(jiao)小🔅P0梯度區域(yù)💛重合。
相同流(liú)量下，雙鈍體(tǐ)渦街強度始(shǐ)終比單鈍體(ti)渦街大😄。在流(liu)量不變情況(kuang)下，當雙鈍體(tǐ)渦街強度接(jiē)近單鈍體渦(wō)街強度✏️時，微(wēi)🛀🏻小的L變化會(hui)導緻雙鈍體(ti)卡門渦街現(xiàn)象的消失，即(ji)存🛀在一個✊産(chan)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(wo)街強💛度和單(dān)鈍體🥵渦街強(qiang)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(dàn)Le是否與尺度(dù)相關需要進(jìn)一-步的研究(jiū)。同樣随L不斷(duàn)增長🔞是否也(yě)存在一個臨(lín)界距🎯離也需(xū)要進一步研(yán)究。
 
4結論
通過(guo)上述的試驗(yan)研究，可以得(dé)出以下的結(jié)論:用雙♋鈍體(tǐ)💋誘發卡門渦(wo)街可以增強(qiang)渦街的脈動(dòng)平均強度，有(yǒu)利于提高測(ce)量的信噪比(bǐ)，降低渦街流(liú)量計的測量(liàng)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(dùn)體渦街流量(liang)計💃的精度和(hé)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(shu)，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(ce)量精度相當(dang)但信号信噪(zao)比高、測量下(xia)限較低的雙(shuang)鈍體渦街流(liu)量計。雙鈍體(tǐ)的最佳組合(he)✨方法是✊L=45~50mm之間(jiān)。

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