摘(zhai)要:F雙(shuang)鈍體(ti)旋渦(wo)脫離(li)的流(liu)體動(dong)力學(xue)特性(xing)以及(ji)利用(yong)雙鈍(dun)♋體增(zeng)強流(liu)體振(zhen)動的(de)最佳(jia)組合(he)結構(gou)。給出(chu)了♊多(duo)種鈍(dun)體🍓組(zu)合結(jie)構的(de)斯🌂特(te)勞哈(ha)爾數(shu)的試(shi)驗結(jie)果，表(biao)明雙(shuang)鈍體(ti)結❤️構(gou)具有(you)🔴常定(ding)的斯(si)特勞(lao)哈爾(er)數。用(yong)50mm口徑(jing)渦街(jie)流量(liang)計 進(jin)行的(de)試驗(yan)證明(ming)，雙鈍(dun)體組(zu)合在(zai)一定(ding)的條(tiao)件下(xia)能獲(huo)得理(li)想💜的(de)旋渦(wo)重疊(die)，從而(er)增強(qiang)流體(ti)的振(zhen)動。在(zai)鈍體(ti)的軸(zhou)對稱(cheng)點上(shang)，還觀(guan)察到(dao)強度(du)和頻(pin)率相(xiang)同，相(xiang)位相(xiang)差180°的(de)流體(ti)振動(dong)點，利(li)用優(you)化🍉的(de)雙鈍(dun)體結(jie)構和(he)差動(dong)傳感(gan)技術(shu)，研制(zhi)出小(xiao)流量(liang)靈敏(min)度和(he)抗幹(gan)擾性(xing)能很(hen)好的(de)新型(xing)旋渦(wo)流量(liang)計。
0前(qian)言
　　斯(si)特勞(lao)哈爾(er)和馮(feng)·卡門(men)對鈍(dun)體繞(rao)流所(suo)做的(de)開拓(tuo)性研(yan)🐇究🛀🏻揭(jie)示🌈了(le)旋渦(wo)脫離(li)的基(ji)本特(te)征和(he)規律(lü)，即:當(dang)流💞體(ti)流經(jing)鈍體(ti)時，尾(wei)流🛀中(zhong)将形(xing)成旋(xuan)渦流(liu)型，旋(xuan)渦從(cong)鈍體(ti)兩側(ce)交替(ti)地脫(tuo)離，并(bing)在---個(ge)較寬(kuan)的雷(lei)諾數(shu)範圍(wei)内，有(you)常定(ding)的量(liang)綱一(yi)的🥵脫(tuo)落頻(pin)率🌂，即(ji)斯特(te)勞哈(ha)爾爲(wei)常數(shu)。這表(biao)明旋(xuan)渦脫(tuo)落的(de)頻率(lü)與平(ping)均流(liu)🥵速成(cheng)正比(bi)。
Roshkol21的研(yan)究給(gei)出了(le)更爲(wei)明确(que)的結(jie)果，即(ji)在雷(lei)諾數(shu)處于(yu)300<Re<2X105的🏃‍♀️範(fan)圍♈内(nei)時，斯(si)特勞(lao)哈爾(er)數保(bao)持在(zai)0.2左右(you)，他還(hai)首次(ci)提出(chu)了利(li)用斯(si)特勞(lao)哈爾(er)數的(de)常定(ding)範圍(wei)來制(zhi)造流(liu)量計(ji)的⛱️設(she)想。20世(shi)紀70年(nian)代初(chu)，商品(pin)化的(de)渦街(jie)流量(liang)計在(zai)日本(ben)出現(xian)。近30年(nian)的工(gong)業應(ying)用證(zheng)明了(le)渦街(jie)🈲流量(liang)計在(zai)♌穩定(ding)流體(ti)計💋量(liang)中的(de)可靠(kao)性和(he)精确(que)性，它(ta)的主(zhu)要優(you)㊙️點還(hai)包括(kuo)精度(du)高、線(xian)性度(du)好、介(jie)質适(shi)應性(xing)寬和(he)性能(neng)可靠(kao)(無運(yun)動部(bu)件)3]。然(ran)而，渦(wo)街流(liu)量計(ji)存在(zai)的流(liu)量下(xia)限高(gao)和抗(kang)幹擾(rao)性能(neng)差等(deng)問題(ti)，使它(ta)喪失(shi)了許(xu)多潛(qian)在的(de)應用(yong)領域(yu)，如:量(liang)大🌏面(mian)廣的(de)天然(ran)氣商(shang)業計(ji)量以(yi)及流(liu)速和(he)壓力(li)不穩(wen)定的(de)測量(liang)系統(tong)。
爲了(le)将渦(wo)街流(liu)量計(ji)應用(yong)于不(bu)穩定(ding)流體(ti)的計(ji)量，本(ben)文利(li)用🔴鈍(dun)體組(zu)合強(qiang)化旋(xuan)渦脫(tuo)落誘(you)發流(liu)體振(zhen)動的(de)理論(lun)研究(jiu)基礎(chu)上，設(she)計出(chu)雙鈍(dun)體渦(wo)街流(liu)量計(ji) 試驗(yan)樣機(ji):通過(guo)試驗(yan)獲得(de)了雙(shuang)鈍體(ti)的最(zui)優組(zu)合結(jie)👈構及(ji)參數(shu);分析(xi)了鈍(dun)體組(zu)合對(dui)斯特(te)勞哈(ha)爾數(shu)的影(ying)🎯響;同(tong)時在(zai)後鈍(dun)體的(de)軸對(dui)稱點(dian)上，還(hai)觀察(cha)到強(qiang)度和(he)頻率(lü)相同(tong)，相位(wei)相差(cha)180°的🈲流(liu)體振(zhen)動點(dian)，這❗些(xie)研究(jiu)結果(guo)爲研(yan)制具(ju)有良(liang)好抗(kang)幹擾(rao)性能(neng)🔞和小(xiao)流量(liang)靈敏(min)度的(de)雙鈍(dun)體差(cha)動式(shi)渦街(jie)流量(liang)計提(ti)供了(le)依據(ju)。
1雙鈍(dun)體渦(wo)街流(liu)量計(ji)的原(yuan)理
雙(shuang)鈍體(ti)渦街(jie)流量(liang)計的(de)基本(ben)設計(ji)思路(lu)是利(li)用前(qian)鈍體(ti)和後(hou)鈍體(ti)引發(fa)的旋(xuan)渦脫(tuo)離現(xian)象，通(tong)過試(shi)驗獲(huo)得使(shi)旋渦(wo)在🐅後(hou)鈍體(ti)周圍(wei)實現(xian)同相(xiang)位疊(die)加的(de)最佳(jia)鈍體(ti)組合(he)，使流(liu)體振(zhen)動得(de)到加(jia)強🌍，降(jiang)低計(ji)量的(de)下限(xian)，同時(shi)利用(yong)鈍🔞體(ti)兩側(ce)的流(liu)體振(zhen)動具(ju)有180°相(xiang)位差(cha)的特(te)點，用(yong)差動(dong)式傳(chuan)感器(qi)抑制(zhi)共模(mo)幹擾(rao)信号(hao)的方(fang)法，提(ti)高流(liu)量計(ji)的抗(kang)幹擾(rao)性能(neng)，圖1所(suo)示爲(wei)雙鈍(dun)體渦(wo)街流(liu)量計(ji)的原(yuan)理。
 
2試(shi)驗裝(zhuang)置
圖(tu)2所示(shi)爲試(shi)驗裝(zhuang)置及(ji)測試(shi)系統(tong)原理(li)。
 
試驗(yan)裝置(zhi)爲氣(qi)體流(liu)量試(shi)驗系(xi)統，它(ta)由5個(ge)部分(fen)組成(cheng)。I一流(liu)🔞場🥰波(bo)動模(mo)拟裝(zhuang)置，用(yong)于實(shi)驗室(shi)條件(jian)下模(mo)拟流(liu)場波(bo)動;II一(yi)試驗(yan)表體(ti);II一标(biao)🐪準流(liu)量校(xiao)正裝(zhuang)置，本(ben)試驗(yan)台采(cai)用臨(lin)界流(liu)文丘(qiu)利噴(pen)嘴流(liu)🌈量計(ji)作爲(wei)校準(zhun)其他(ta)儀表(biao)的基(ji)☂️準;IV一(yi)負壓(ya)産生(sheng)裝置(zhi)，本試(shi)驗台(tai)通過(guo)真空(kong)🈲泵産(chan)生負(fu)壓，使(shi)試驗(yan)台的(de)入口(kou)和出(chu)口之(zhi)間産(chan)生一(yi)個壓(ya)差，這(zhe)樣♋就(jiu)形成(cheng)一個(ge)小型(xing)風洞(dong)。真空(kong)泵電(dian)🏃動機(ji)額定(ding)功率(lü)爲11kW,額(e)定轉(zhuan)速爲(wei)1450r/min;V一計(ji)算機(ji)測試(shi)系統(tong)，主要(yao)⭕由電(dian)荷放(fang)大器(qi)、DAC-TRON公司(si)💋Photo便攜(xie)式動(dong)态信(xin)号分(fen)析儀(yi)(該分(fen)🏃🏻‍♂️析儀(yi)的主(zhu)要特(te)性和(he)性😘能(neng)指标(biao)⛱️:4個輸(shu)入通(tong)道，一(yi)個輸(shu)出通(tong)道;120MHzTMS320VC33DSP，21kHz處(chu)理率(lü);32位🌈浮(fu)點DSP;ICP傳(chuan)感器(qi)供電(dian);USB接口(kou)，支持(chi)熱插(cha)拔;質(zhi)量小(xiao)于🍓200g，抗(kang)振動(dong)外殼(ke))及計(ji)算機(ji)所組(zu)成。
試(shi)驗台(tai)的臨(lin)界流(liu)文丘(qiu)利噴(pen)嘴測(ce)定裝(zhuang)置由(you)5個标(biao)準的(de)不同(tong)噴嘴(zui)流:量(liang)計組(zu)成，通(tong)過不(bu)同的(de)組合(he)方式(shi)可得(de)到5.5--220.5m³/h之(zhi)間的(de)流量(liang)。試📐驗(yan)的管(guan)道内(nei)徑50mm。
3試(shi)驗結(jie)果
試(shi)驗分(fen)爲兩(liang)個部(bu)分，1一(yi)雙鈍(dun)體組(zu)合渦(wo)街振(zhen)動頻(pin)率試(shi)驗;2一(yi)雙鈍(dun)💞體組(zu)合方(fang)式對(dui)渦街(jie)強度(du)的影(ying)響。試(shi)驗💋傳(chuan)感器(qi)如圖(tu)1所示(shi)對稱(cheng)于後(hou)鈍體(ti)安裝(zhuang)。試驗(yan)表體(ti)直徑(jing)爲50mm。
 
典(dian)型的(de)渦街(jie)脈動(dong)信号(hao)如圖(tu)3所示(shi)。從信(xin)号的(de)時域(yu)信号(hao)可✔️以(yi)看出(chu)。對稱(cheng)于後(hou)鈍體(ti)兩側(ce)渦街(jie)的脈(mo)動是(shi)反相(xiang)的🧑🏽‍🤝‍🧑🏻，并(bing)有明(ming)顯的(de)周期(qi)性😍，其(qi)功率(lü)譜的(de)頻率(lü)分布(bu)很🔴廣(guang)并有(you)一個(ge)明顯(xian)的峰(feng)值，該(gai)峰值(zhi)處頻(pin)率和(he)時域(yu)信号(hao)的主(zhu)波動(dong)是頻(pin)率是(shi)相同(tong)的。定(ding)義功(gong)率譜(pu)中該(gai)峰值(zhi)處的(de)頻率(lü)爲渦(wo)街的(de)主頻(pin)。下面(mian)所讨(tao)論的(de)渦街(jie)頻率(lü)指的(de)就是(shi)🚶‍♀️渦街(jie)的主(zhu)頻。
3.1雙(shuang)鈍體(ti)組合(he)渦街(jie)振動(dong)頻率(lü)試驗(yan)研究(jiu)
對于(yu)單鈍(dun)體渦(wo)街，在(zai)臨界(jie)雷諾(nuo)數之(zhi)上斯(si)特勞(lao)哈爾(er)數是(shi)恒定(ding)的，這(zhe)是單(dan)鈍體(ti)渦街(jie)流量(liang)計的(de)測量(liang)基礎(chu)。雙鈍(dun)體渦(wo)街是(shi)否存(cun)在同(tong)樣的(de)規律(lü)是雙(shuang)鈍體(ti)渦街(jie)流量(liang)計的(de)關鍵(jian)。本部(bu)分的(de)試驗(yan)研究(jiu)是爲(wei)尋找(zhao)當旋(xuan)渦發(fa)生體(ti)❄️是兩(liang)個三(san)♍角形(xing)時渦(wo)街的(de)斯特(te)勞哈(ha)爾數(shu)是否(fou)發生(sheng)變化(hua)。本部(bu)分的(de)💃另一(yi)個目(mu)的是(shi)研究(jiu)鈍體(ti)的平(ping)行組(zu)合㊙️對(dui)渦街(jie)斯特(te)勞哈(ha)爾數(shu)的影(ying)響。
試(shi)驗所(suo)用雙(shuang)鈍體(ti)組合(he)圖1所(suo)示，圖(tu)中的(de)前後(hou).鈍體(ti)的互(hu)相平(ping)行的(de)，鈍體(ti)的組(zu)合方(fang)式是(shi)指兩(liang)個鈍(dun)體之(zhi)間的(de)距離(li)不同(tong)情況(kuang)的組(zu)合。
試(shi)驗的(de)設計(ji)是對(dui)相同(tong)的鈍(dun)體組(zu)合在(zai)不同(tong)的流(liu)量情(qing)況下(xia)進🈚行(hang)試驗(yan)。以得(de)到不(bu)同組(zu)合下(xia)不同(tong)流量(liang)的測(ce)量數(shu)據。試(shi)驗的(de)采用(yong)數據(ju)如表(biao)所示(shi)。
流量(liang)的選(xuan)取不(bu)少于(yu)5個點(dian)，并通(tong)過流(liu)量不(bu)完全(quan)相同(tong)的選(xuan)取來(lai)達到(dao)覆蓋(gai)較多(duo)流量(liang)範圍(wei)的目(mu)的。圖(tu)4a爲試(shi)驗所(suo)得的(de)各組(zu)雙鈍(dun)🛀體和(he)單鈍(dun)體斯(si)特勞(lao)哈爾(er)數;圖(tu)4b是流(liu)量和(he)渦街(jie)💰頻率(lü)的關(guan)系曲(qu)線:圖(tu)4c爲各(ge)組雙(shuang)鈍體(ti)和單(dan)鈍體(ti)斯特(te)勞哈(ha)爾數(shu)标準(zhun)偏差(cha)曲線(xian)。
從圖(tu)4a和圖(tu)4b中可(ke)以得(de)出如(ru)下結(jie)論。
雙(shuang)鈍體(ti)的斯(si)特勞(lao)哈爾(er)數比(bi)單鈍(dun)體斯(si)特勞(lao)哈爾(er)數大(da)，不同(tong)組合(he)雙鈍(dun)體的(de)斯特(te)勞哈(ha)爾數(shu)是不(bu)相同(tong).的。不(bu)同的(de)雙鈍(dun)體組(zu)合🧑🏽‍🤝‍🧑🏻的(de)斯🏃🏻特(te)勞哈(ha)爾數(shu)的波(bo)動不(bu)相㊙️
同(tong)的，其(qi)斯特(te)勞哈(ha)爾數(shu)的标(biao)準偏(pian)差如(ru)圖4c所(suo)示。從(cong)圖‼️4c中(zhong)可以(yi)知道(dao)，雙鈍(dun)體的(de)斯特(te)勞哈(ha)爾數(shu)波動(dong)是比(bi)較👨‍❤️‍👨大(da)的🔴，在(zai)L=50~46mm之👅間(jian)偏❤️差(cha)與單(dan)鈍🐉體(ti)偏差(cha)相當(dang)。
由4b圖(tu)，該曲(qu)線的(de)線性(xing)度與(yu)斯特(te)勞哈(ha)爾數(shu)标準(zhun)偏差(cha)相對(dui)應🚶，當(dang)L=50~46mm時雙(shuang)鈍體(ti)流量(liang)--頻率(lü)曲線(xian)的線(xian)性度(du)較好(hao)。
綜上(shang)所述(shu)，對于(yu)雙鈍(dun)體渦(wo)街流(liu)量計(ji)從測(ce)量的(de)線性(xing)範圍(wei)角度(du)考慮(lü)應選(xuan)擇L=50~46mm之(zhi)間的(de)組合(he)方式(shi)。
 
3.2雙鈍(dun)體組(zu)合方(fang)式對(dui)渦街(jie)強度(du)的影(ying)響
上(shang)面得(de)出雙(shuang)鈍體(ti)流量(liang)計最(zui)佳線(xian)性範(fan)圍條(tiao)件。流(liu)量計(ji)的📐另(ling)-一個(ge)重要(yao)的問(wen)題是(shi)渦街(jie)強度(du)，其直(zhi)接影(ying)響測(ce):量信(xin)号的(de)信噪(zao)比。其(qi)對🌈降(jiang)低量(liang)程下(xia)限有(you)重要(yao)的意(yi)義。
爲(wei)研究(jiu)雙鈍(dun)體組(zu)合對(dui)渦街(jie)強度(du)的影(ying)響。設(she)計了(le)如👉下(xia)試驗(yan)。試驗(yan)裝置(zhi)如圖(tu)1所示(shi);通過(guo)改變(bian)距離(li)L對鈍(dun)體進(jin)行組(zu)合并(bing)對該(gai)組鈍(dun)體在(zai)不同(tong)流量(liang)下進(jin)行試(shi)驗。試(shi)驗所(suo)使用(yong)的流(liu)量是(shi)✌️220.5m3/h,178.3m'/h,111.7m3/h,66.6m3/h等4組(zu)。使用(yong)的鈍(dun)💋體組(zu)合有(you)L=60mm,55mm，54mm，51mm，49mm,47mm,45mm,43mm,41mm,39mm,37mm,35mm，33mm,32mm，29mm等15個(ge)組合(he)。
進行(hang)強度(du)比較(jiao)之前(qian)，需要(yao)對渦(wo)街的(de)信号(hao)特點(dian)進行(hang)分析(xi)🌈并定(ding)出可(ke)以度(du)量強(qiang)度的(de)量。如(ru)圖3渦(wo)街信(xin)号是(shi)周期(qi)♋性的(de)🔱但其(qi)波動(dong)的幅(fu)值不(bu)等，故(gu)渦街(jie)的強(qiang)度需(xu)要從(cong)統✊計(ji).上進(jin)行比(bi)較。試(shi)驗中(zhong)制定(ding)的渦(wo)街強(qiang)度的(de)統計(ji)量爲(wei).
 
這裏(li)`y表示(shi)的是(shi)脈動(dong)壓力(li)信号(hao)平均(jun)的波(bo)動幅(fu)值，通(tong)過換(huan)算可(ke)得到(dao)渦街(jie)的平(ping)均脈(mo)動強(qiang)度。以(yi)後的(de)所有(you)有關(guan)強度(du)比較(jiao)都是(shi)以`y爲(wei)的度(du)量。
圖(tu)5a是試(shi)驗得(de)到渦(wo)街的(de)程度(du)在不(bu)同組(zu)合在(zai)不同(tong)流量(liang)⭐下的(de)⛹🏻‍♀️比較(jiao)曲線(xian)，圖上(shang)的P0是(shi)通過(guo)`y換算(suan)而.來(lai)的，可(ke)以認(ren)爲是(shi)渦街(jie)的平(ping)均脈(mo)動強(qiang)度。
圖(tu)5b是不(bu)同流(liu)量下(xia)的渦(wo)街平(ping)均脈(mo)動強(qiang)度最(zui)大的(de)放大(da)倍數(shu)，這時(shi)定義(yi)
 
從不(bu)同組(zu)合在(zai)不同(tong)流量(liang)渦街(jie)強度(du)比較(jiao)曲線(xian)可以(yi)得到(dao)👣以下(xia)結論(lun):
雙鈍(dun)體對(dui)渦街(jie)的強(qiang)度有(you)加強(qiang)的作(zuo)用。在(zai)不同(tong)的流(liu)量下(xia)雙鈍(dun)體對(dui)渦街(jie)的加(jia)強程(cheng)度是(shi)不一(yi)樣的(de)如圖(tu)📱6a所示(shi)。從qv---β可(ke)以知(zhi)道在(zai)不同(tong)流量(liang)下渦(wo)街平(ping)均強(qiang)度最(zui)大的(de)放🈲大(da)倍數(shu)是不(bu)相♉同(tong)的，β在(zai)qv=130m3/h時達(da)到最(zui)大。
P0随(sui)L非線(xian)性變(bian)化，在(zai)L=45~54mm之間(jian)P0梯度(du)很小(xiao)，即在(zai)該區(qu)域内(nei)L的變(bian)化對(dui)渦街(jie)強度(du)的影(ying)響不(bu)顯著(zhe)。
渦街(jie)的強(qiang)度有(you)一個(ge)峰值(zhi)區域(yu)。當偏(pian)離這(zhe)個區(qu)域後(hou)渦街(jie)的強(qiang)度發(fa)生明(ming)顯的(de)衰減(jian)。該峰(feng)值區(qu)域與(yu)較小(xiao)P0梯度(du)❌區域(yu)重合(he)。
相同(tong)流量(liang)下，雙(shuang)鈍體(ti)渦街(jie)強度(du)始終(zhong)比單(dan)鈍體(ti)渦街(jie)大🏃。在(zai)流量(liang)不變(bian)情況(kuang)下，當(dang)雙鈍(dun)體渦(wo)街強(qiang)度接(jie)近單(dan)✨鈍體(ti)渦街(jie)強度(du)時，微(wei)小的(de)L變化(hua)會導(dao)緻雙(shuang)鈍體(ti)卡門(men)渦街(jie)現象(xiang)的消(xiao)失，即(ji)存在(zai)一個(ge)産生(sheng)雙☎️鈍(dun)體卡(ka)門渦(wo)🈲街的(de)臨界(jie)距離(li)Le，且Le與(yu)流量(liang)有關(guan)，在Le處(chu)雙鈍(dun)體渦(wo)街強(qiang)😍度和(he)單鈍(dun)體渦(wo)街強(qiang)度相(xiang)等。當(dang)L<Le該流(liu)量下(xia)雙鈍(dun)體卡(ka)]渦街(jie)現象(xiang)将消(xiao)失。但(dan)Le是否(fou)與尺(chi)度相(xiang)關需(xu)要進(jin)⛹🏻‍♀️一-步(bu)的研(yan)究。同(tong)樣随(sui)L不斷(duan)增長(zhang)👌是否(fou)也存(cun)在一(yi)個臨(lin)界距(ju)🥰離也(ye)需要(yao)進一(yi)步研(yan)究。
 
4結(jie)論
通(tong)過上(shang)述的(de)試驗(yan)研究(jiu)，可以(yi)得出(chu)以下(xia)的結(jie)論:用(yong)雙鈍(dun)體誘(you)發卡(ka)門渦(wo)街可(ke)以增(zeng)強渦(wo)街的(de)脈動(dong)平均(jun)強度(du)，有利(li)于提(ti)高測(ce)量的(de)信噪(zao)比，降(jiang)低渦(wo)街流(liu)量計(ji)的測(ce)量下(xia)🤟限。最(zui)大強(qiang)度鈍(dun)體的(de)組合(he)L=45~-54mm。
通過(guo)适當(dang)的選(xuan)擇鈍(dun)體的(de)組合(he)，雙鈍(dun)體渦(wo)街流(liu)量計(ji)的精(jing)度和(he)單😍鈍(dun)體渦(wo)街流(liu)量計(ji)是相(xiang)當的(de)。最佳(jia)線性(xing)🚶度鈍(dun)體組(zu)合爲(wei)L=46~50mm。
綜上(shang)述，通(tong)過兩(liang)個三(san)角型(xing)鈍體(ti)組合(he)可以(yi)得到(dao)與單(dan)鈍👨‍❤️‍👨體(ti)♍渦街(jie)流量(liang)計測(ce)量精(jing)度相(xiang)當但(dan)信号(hao)信噪(zao)比高(gao)、測量(liang)下限(xian)較低(di)的雙(shuang)鈍體(ti)🔞渦街(jie)流量(liang)計。雙(shuang)鈍體(ti)的最(zui)佳組(zu)合方(fang)法是(shi)L=45~50mm之間(jian)。

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