摘要(yao):針對渦街(jie)式流速傳(chuan)感器中電(dian)信号微弱(ruo)并且提✏️取(qu)🏃‍♀️特征渦🔞街(jie)信号困難(nan)，基于壓電(dian)方程和湍(tuan)流N-S方🌈程，建(jian)立了流-固(gu)-電耦合仿(pang)真計算模(mo)型,構建了(le)流速測量(liang)的🎯新方法(fa)。通過理論(lun)分析和風(feng)洞實驗，獲(huo)得了圓柱(zhu)繞流體直(zhi)徑(D)、空氣流(liu)速(v)與壓電(dian)傳感🤩距離(li)()以及功率(lü)(P)之間的影(ying)響規律。仿(pang)真計算和(he)實驗結果(guo)表明:通過(guo)提取頻域(yu)曲線中渦(wo)激頻率下(xia)的功率作(zuo)爲渦街的(de)傳感強度(du),有助于感(gan)知微弱的(de)空氣流速(su)信号,同時(shi)解決噪聲(sheng)等電路上(shang)的幹擾影(ying)響。其次,D增(zeng)加，最優傳(chuan)感距離(Losr)增(zeng)加;D不變時(shi)，功率😘(Posr)随流(liu)速增大而(er)🔞提高,且Losr不(bu)變;通過分(fen)析得出了(le)🌈采集信号(hao)在Losr下最優(you)的本👨‍❤️‍👨質原(yuan)因一在該(gai)處，渦街成(cheng)熟且脫落(luo)穩定、升力(li)系數(CL)穩定(ding)。最後,該壓(ya)電裝置測(ce)量的最低(di)流速爲0.3m/s.
　　渦(wo)激振動(VIV)是(shi)一種典型(xing)的流緻振(zhen)動(FIV)。結構的(de)非流線型(xing)☀️會導緻其(qi)在流體的(de)作用力下(xia)産生周期(qi)性旋渦🌏脫(tuo)落,使結構(gou)受到與流(liu)向垂直的(de)周期性氣(qi)動力,進而(er)激發結構(gou)的橫向振(zhen)動川由于(yu)流體流速(su)與旋渦脫(tuo)落頻率有(you)對應關系(xi)，因此常🔴制(zhi)作成多種(zhong)空氣流速(su)傳感器,例(li)如,基于上(shang)述㊙️渦街振(zhen)動原理研(yan)制的渦街(jie)流量計 ，工(gong)業級的渦(wo)街流量計(ji)主要易受(shou)環境噪聲(sheng)的幹擾,導(dao)緻其對低(di)🏃‍♀️速不敏感(gan)。同時,空氣(qi)流速傳感(gan)器廣泛應(ying)用于畜禽(qin)舍環境控(kong)制👅,風能采(cai)集,流量檢(jian)測,氣象監(jian)控,等領域(yu)[2-4]。例如,在畜(chu)禽環境監(jian)測領域,通(tong)風時流速(su)太快引🈲起(qi)畜禽強烈(lie)的應激反(fan)應或因局(ju)部溫度✍️驟(zhou)降導緻畜(chu)禽強感冒(mao)，或造成畜(chu)禽的生産(chan)性能、免㊙️疫(yi)能力、生長(zhang)速度等下(xia)降'因此,對(dui)畜禽舍通(tong)風💃🏻裝置的(de)流速檢測(ce)尤其重要(yao)。傳.統FIV傳感(gan)器多采用(yong)機械轉動(dong)結構,其結(jie)構複雜✊,對(dui)加工精度(du)和機械穩(wen)定性都🔴有(you)較高的要(yao)求7。而近.年(nian)來利用壓(ya)電材料作(zuo)傳🌈感元件(jian)研制的FIV傳(chuan)感器，其不(bu)需要轉動(dong)部件,且叮(ding)與微機電(dian)系統(MEMS)集成(cheng),因此易于(yu)微型化。
　　目(mu)前,VIV傳感器(qi)主要采用(yong)兩種壓電(dian)材料作爲(wei)傳感元件(jian):锆钛酸鉛(qian)壓電陶瓷(ci)(PZT)和聚偏二(er)氟乙烯(PVDF)。PVDF薄(bao)膜由于其(qi)高柔性的(de)特👨‍❤️‍👨點,适用(yong)于交變載(zai)荷的感知(zhi)121。然而,壓👉電(dian)式流🤟渦激(ji)振動(PVIV)流速(su)🐕傳感器還(hai)有許多不(bu)完善的地(di)方。特别是(shi)檢測低流(liu)場流速時(shi)(流速低于(yu)2m/s),渦街壓電(dian)信号微弱(ruo),同時測量(liang)現🌂場的噪(zao)聲十🔱擾相(xiang)對較強💃,造(zao)成渦街特(te)征㊙️信号提(ti)取的困難(nan)。比如測量(liang)過程中，壓(ya)電元件自(zi)身受流場(chang)擾🌈動産生(sheng)的🤩信号、風(feng)洞系統産(chan)生的噪聲(sheng)信号等,會(hui)把渦街特(te)征信号淹(yan)沒。針對這(zhe)一問題,許(xu)多學者對(dui)PVIV流速傳感(gan)器展開了(le)全面的‼️研(yan)究,如繞流(liu)體的⭕形狀(zhuang)和🙇‍♀️排布、電(dian)路檢測方(fang)式以及㊙️信(xin)号提取方(fang)法17-19,提高了(le)空氣👣流速(su)測量精度(du)和範圍。
　　PVIV流(liu)速傳感器(qi)的結構采(cai)用圓形或(huo)梯形旋渦(wo)繞流體和(he)PZT或PVDF薄膜✊爲(wei)🔴傳感元件(jian)組成。研究(jiu)發現,改變(bian)繞流體🔞直(zhi)徑會導緻(zhi)繞流與傳(chuan)感💋器元件(jian)之間的距(ju)離不同。這(zhe)表明,漩渦(wo)測量位置(zhi)和繞流體(ti)直徑✔️将影(ying)響PVIV檢測❄️精(jing)度。針對上(shang)述問題❌,提(ti)出了一種(zhong)基于PVIV流速(su)傳感裝♊置(zhi)。該裝置由(you)圓柱繞流(liu)體和PVDF壓電(dian)懸臂梁組(zu)成。利用☔數(shu)值模拟方(fang)法研究渦(wo)街流場⛱️特(te)性,分析傳(chuan)感器結構(gou)參數對👄渦(wo)街響應信(xin)号檢測的(de)影響規律(lü)。采用通💛過(guo)提取頻域(yu)曲線中渦(wo)激頻率下(xia)的功率作(zuo)爲渦街的(de)傳感強度(du),增強了感(gan)知微弱的(de)流速響應(ying)信号,月❓能(neng)夠解決噪(zao)聲等電路(lu)上的幹擾(rao)影響,擴大(da)了對低🚶‍♀️流(liu)速的檢測(ce)能力。爲高(gao)靈🌈敏.快響(xiang)應的空氣(qi)流速傳✊感(gan)器💚件的設(she)計及測量(liang)提供新的(de)探測方法(fa)。
1壓電渦激(ji)振動流速(su)傳感裝置(zhi)
1.1傳感結構(gou)
　　本文PVIV流速(su)傳感裝置(zhi)的結構如(ru)圖1所示。該(gai)結構由圓(yuan)柱繞🐕流體(ti)🏃🏻‍♂️和👄PVDF壓電懸(xuan)臂梁構成(cheng),其.中懸臂(bi)梁由表面(mian)塗有銀電(dian)極層💯的PVDF薄(bao)膜組🌈成;同(tong)時,靠近圓(yuan)柱繞流體(ti)一側的PVDF壓(ya)電懸♊臂梁(liang)端部固支(zhi)。圓柱繞流(liu)體直徑D=7mm,圓(yuan)柱體中心(xin)距PVDF壓電懸(xuan)🚶臂梁固支(zhi)端距離爲(wei)L,人射流速(su)爲v,其方向(xiang)垂直于圓(yuan)柱體表面(mian)。仿真計🔴算(suan)時,D值的範(fan)㊙️圍爲30mm~70mm,u值範(fan)圍🏃‍♀️爲🈲0.3m/s~2.5m/s,L值的(de)範圍爲50mm~170mm。爲(wei)了簡化計(ji)算和🔅控制(zhi)多餘變量(liang),PVDF壓電懸臂(bi)梁高度h設(she)定爲30mm。當外(wai)界來流作(zuo)用💚時,PVDF壓電(dian)懸臂梁結(jie)構産生振(zhen)蕩,根據壓(ya)電效應,壓(ya)電層的變(bian)形使其衣(yi)面聚集電(dian)荷,形成響(xiang)應電🏃‍♀️壓。
 
1.2流(liu)-固-電耦合(he)模型
　　由于(yu)氣流經圓(yuan)柱體産生(sheng)渦旋後,後(hou)方的氣流(liu)流動基本(ben)處于🤟湍🍉流(liu)狀态,流場(chang)的分布複(fu)雜,因此,結(jie)合計算流(liu)體力學(CFD)以(yi)及壓😍電效(xiao)㊙️應進行數(shu)值模拟,分(fen)析繞流體(ti)直徑、與壓(ya)電傳感距(ju)離對低空(kong)氣流速檢(jian)測的♋影響(xiang)規律。
1.2.1理論(lun)模型
　　壓電(dian)傳感結構(gou)感知流體(ti)流動是--個(ge)多物理場(chang)耦合📱的複(fu)雜過程,主(zhu)要包括流(liu)場、力場.和(he)電場的綜(zong)合作用。流(liu)場産生的(de)壓強轉化(hua)💃🏻爲壓力作(zuo)用在懸臂(bi)梁表面産(chan)生結構變(bian)💃🏻形并引起(qi)其壓🔞電層(ceng)變形,根據(ju)壓電效應(ying)産生電荷(he),計算模型(xing)中通過機(ji)電耦合方(fang)式将🐉産生(sheng)的電荷全(quan)部聚集在(zai)懸臂梁表(biao)面,最終轉(zhuan)化爲瞬态(tai)電壓。變形(xing)體形狀的(de)改變将改(gai)變流場,其(qi)🏃‍♀️中的流固(gu)耦合💃面可(ke)由振動和(he)流場控制(zhi)方程水描(miao)述,當流場(chang)流速小于(yu)0.3馬赫，流場(chang)被認爲是(shi)不可壓縮(suo)，這種不可(ke)壓縮的牛(niu)頓流體介(jie)質可由連(lian)續性方程(cheng)(1)和N-S(Navier-Stokes)方程(2)描(miao)述，方程如(ru)下🧑🏾‍🤝‍🧑🏼所示:
 
 
1.2.2仿(pang)真計算
　　将(jiang)上述PVIV流速(su)傳感器簡(jian)化爲一個(ge)二維物理(li)模型,如圖(tu)2所示,其中(zhong).D爲圓柱型(xing)渦流發生(sheng)休直徑,計(ji)算域爲25Dx5D的(de)矩形,壓電(dian)懸🈲臂梁位(wei)于圓柱的(de)中軸線上(shang).左端固❄️支(zhi)。模型中,範(fan)圍🔅在0.3m/s~2.5m/s,D範圍(wei)在30mm~70mm,即雷諾(nuo)數在500~9800之間(jian)。選取空氣(qi)域材料參(can)數,采用SIMPLE求(qiu)解器,進行(hang)瞬态分析(xi),計算材料(liao)參數如表(biao)1所示。采用(yong)二角形非(fei)結構化的(de)網格劃分(fen),在圓柱和(he)PVDF壓電梁的(de)核心區域(yu)網格分布(bu)較密集。
 
2風(feng)洞試驗
　　試(shi)驗在低速(su)風洞進行(hang),測試平台(tai)如圖3所示(shi)。采集的壓(ya)電信号通(tong)過電荷放(fang)大器與NI數(shu)據采集卡(ka)相連,運用(yong)LabVIEW對信号進(jin)行ADC數模轉(zhuan)換✨、濾波,頻(pin)譜分析(FFT變(bian)換);通過激(ji)光位移傳(chuan)感器采集(ji)渦激振動(dong)時壓電梁(liang)末端的y向(xiang)位移。最終(zhong)在計算機(ji)中顯示PVDF壓(ya)電梁振動(dong)的時域曲(qu)線和頻譜(pu)曲線。重點(dian)探尋壓電(dian)傳感🐇距離(li)在不同圓(yuan)柱繞流體(ti)直徑尺寸(cun)和流速變(bian)化的條件(jian)下對流場(chang)感知特性(xing)的影響規(gui)律🎯。試驗條(tiao)件♈如表2所(suo)示。實驗🏃‍♀️中(zhong),由50nmmn到170mm,間隔(ge)10mm依次測🛀🏻量(liang)不同距離(li)下的渦街(jie)響應信号(hao)。
 
 
3計算與測(ce)試結果分(fen)析
　　通過卡(ka)門渦街理(li)論,獲得了(le)渦街産生(sheng)的流速條(tiao)件和🐪圓柱(zhu)繞♍流體直(zhi)徑範圍
 
　　式(shi)中:μ爲空氣(qi)動力學粘(zhan)度,St爲斯特(te)勞哈爾數(shu),ƒ爲渦街脫(tuo)🔞落頻率。當(dang)☎️雷諾數在(zai)的範圍内(nei)，渦流會以(yi)一個相對(dui)穩定的頻(pin)率周期性(xing)脫💛落,根據(ju)流速條件(jian)和圓柱百(bai)徑範圍,可(ke)得出在該(gai)條件下的(de)雷諾數範(fan)圍爲500~9800,滿足(zu)産生渦街(jie)脫落的🚶‍♀️條(tiao)件。
　　圖4爲流(liu)速爲2m/s,圓柱(zhu)直徑爲30mm下(xia),産生渦街(jie)脫落的特(te)性。由圖❌叮(ding)知,渦💔街的(de)交替脫落(luo)需要經曆(li)一個生長(zhang)、成熟.衰退(tui)的過程。PVDF壓(ya)電㊙️懸臂梁(liang)因此生信(xin)号的傳感(gan)強🔞度與傳(chuan)感距離🤞有(you)關,由此驗(yan)證了木文(wen)利用渦街(jie)傳感的合(he)理性。
 
　　圖5展(zhan)示了升/阻(zu)力系數與(yu)傳感距離(li)和雷諾數(shu)的關系，文(wen)中PVDF壓電🤩懸(xuan)臂梁左端(duan)固支,自由(you)端在渦流(liu)中受到旋(xuan)㊙️渦激振力(li)的作用而(er)産生y方向(xiang)的周期性(xing)振蕩。圖5(a)爲(wei)Re=838,L=50mm時的流場(chang)升/阻力曲(qu)線,由圖可(ke)知，在計算(suan)時間約3s~5s流(liu)場基本穩(wen)定。圖5(b)升力(li)系數與雷(lei)諾數Re,1.之間(jian)的仿✏️真關(guan)系。可知⛷️随(sui)Re增大,流場(chang)湍流強度(du)增強,此時(shi)壓電🏃🏻‍♂️懸臂(bi)梁表面所(suo)受的壓力(li)增加💰，升力(li)增大,在L=50mm時(shi),幅值達1.1。值(zhi)得關注的(de)是，在相同(tong)雷諾數下(xia),随傳感距(ju)離的增大(da),升力系數(shu)随之下降(jiang),升力場呈(cheng)現衰減的(de)現象。其中(zhong),在L=50mm,即樂電(dian)懸臂梁與(yu)圓柱繞流(liu)體之間距(ju)離最近時(shi),其升力系(xi)數最高,反(fan)映流場波(bo)動最劇烈(lie),其原🔞因是(shi)懸臂梁的(de)位置在渦(wo)🐉街生長區(qu)，因此壓電(dian)懸臂梁靠(kao)近圓柱體(ti)區城出現(xian)渦旋回流(liu),造成的壓(ya)力對壓電(dian)懸臂梁的(de)受力和振(zhen)動産生增(zeng)強的作用(yong)。此外,1.=50mm~70mm範圍(wei)内,升力系(xi)數曲線整(zheng)體下降不(bu)明顯;L=70mm-110mm範圍(wei)内,升力系(xi)數曲線出(chu)現交叉的(de)現象,說明(ming)該區域流(liu)場波動變(bian)化相似,此(ci)時PVDF壓電懸(xuan)臂梁的位(wei)置往往是(shi)滿街成熟(shu)區,适于💃形(xing)成穩定的(de)🔆滿街🙇🏻;L=110mm~130mm範圍(wei)内,共升力(li)系數曲線(xian)整體下降(jiang)明顯,場流(liu)動性大幅(fu)🛀🏻下降,此時(shi)雷諾數爲(wei)600,其升刀系(xi)數下降至(zhi)0.3,此時懸臂(bi)梁的🐉位置(zhi)往👄往💰是渦(wo)街衰退區(qu)。
 
　　圖6展示了(le)在流速爲(wei)2m/s,圓柱直徑(jing)爲30mm條件下(xia),傳感器件(jian)位移⭐響應(ying)特性。由圖(tu)可知,流場(chang)作用3s後,懸(xuan)臂梁産生(sheng)的y方向振(zhen)蕩逐漸穩(wen)定,該✔️結果(guo)驗證了圖(tu)5(a)中流場升(sheng)/阻力與♍時(shi)間的🐆關系(xi)。受渦街作(zuo)用,懸臂梁(liang)自由端部(bu)産生的y向(xiang)位移最大(da);對比圖5中(zhong)計算位移(yi)曲線和通(tong)過激光位(wei)移傳感器(qi)測得⛱️的實(shi)驗位移💃🏻曲(qu)線發現,實(shi)👉際測量的(de)振🙇🏻蕩曲線(xian)的幅值略(lue)小于計算(suan)幅值,同時(shi)⁉️前者的震(zhen)蕩頻率(13.8Hz)略(lue)小于後者(zhe)産生♉的震(zhen)蕩頻率(14.0Hz),原(yuan)因在于計(ji)算設置的(de)🍓阻尼比與(yu)實際值有(you)誤差，然而(er)由于誤差(cha)較小，實際(ji)測量的震(zhen)蕩曲線與(yu)計算的到(dao)的大緻--緻(zhi),因此證實(shi)本文中流(liu)固耦合計(ji)算的正确(que)率。
 
　　圖7給出(chu)了圓柱繞(rao)流體直徑(jing)爲30mm時,人射(she)流速與PVDF懸(xuan)臂梁感知(zhi)渦街頻率(lü)之間的關(guan)系。主要對(dui)比卡門渦(wo)街🔞理論值(zhi),仿♉真計算(suan)值與實驗(yan)值。如圖可(ke)知,計算值(zhi)相比理論(lun)值,其與實(shi)驗值更爲(wei)接近,其更(geng)🈲加正确的(de)反🎯映實際(ji)情況下的(de)渦✨激振動(dong)時産生的(de)渦街現象(xiang),進--步說明(ming)本文仿真(zhen)計算的合(he)理。其中,流(liu)速爲1m/s時的(de)實驗與計(ji)算時域曲(qu)線(圖7(b)和7(c))可(ke)知,仿真計(ji)算下的PVDF壓(ya)電懸臂梁(liang)産生的電(dian)🤞壓響應信(xin)号穩定,在(zai)渦街穩定(ding)後🐪其電壓(ya)幅值随時(shi)間🧑🏽‍🤝‍🧑🏻幾乎恒(heng)定.這說明(ming)此時懸臂(bi)梁🥵在y方向(xiang)的振蕩幅(fu)值穩👅定;而(er)對比圖7(b)可(ke)知,實際⭕條(tiao)件下采集(ji)的電壓時(shi)♈域曲線在(zai)幅值大小(xiao)上随時間(jian)波🚶‍♀️動較爲(wei)明顯☎️,即周(zhou)期内的Ux-Ug值(zhi)🚶‍♀️往往不穩(wen)定,在該曲(qu)線✨上會疊(die)加包括電(dian)路幹擾,工(gong)頻十🐉擾,以(yi)及流場對(dui)壓電梁産(chan)生的x方向(xiang)的振動影(ying)響。在此情(qing)況下,若根(gen)據前人叫(jiao)采用提取(qu)電壓的Ux-Ug值(zhi),0-Ug值或U....的方(fang)法來表征(zheng)壓電梁感(gan)知渦街的(de)特性往往(wang)并不正确(que),而通過提(ti)取功率的(de)方法更爲(wei)正确,因此(ci)本文采用(yong)通過提取(qu)頻域曲線(xian)中渦激頻(pin)率下的功(gong)率表征渦(wo)街的傳感(gan)強♌度。此外(wai),由圖7可知(zhi),仿真中，PVDF壓(ya)電懸臂梁(liang)可檢測的(de)流速爲0.3m/s,此(ci)時該懸臂(bi)梁産生的(de)☁️振動約爲(wei)2.0Hz,該值與理(li)論值及實(shi)驗值接近(jin)，進一步說(shuo)明了本文(wen)仿真計算(suan)的合理。

 
　　圖(tu)8爲傳感強(qiang)度(功率P)在(zai)不同傳感(gan)距離下的(de)分布曲線(xian)。給出了D=30mm,人(ren)射流速依(yi)次爲0.5m/s,1.0m/s,2.0m/s時的(de)實驗及計(ji)算結果。同(tong)時根據式(shi)(8),P值由對📱應(ying)時城曲線(xian)通過傅裏(li)葉變換🐅(FFT)轉(zhuan)換而來。
 
　　圖(tu)8(a)可知,同一(yi)繞流體直(zhi)徑下,流速(su)越大,其P随(sui)傳感位置(zhi)的變化規(gui)律基本一(yi)緻,即均在(zai)L爲90mm附近最(zui)大.反映♊出(chu)在相同🌈區(qu)域PVDF壓電梁(liang)測量的信(xin)号強度達(da)到最大:同(tong)時反❄️映,傳(chuan)感距離(L.)與(yu)人射流速(su)大小無關(guan),分析原因(yin).根據卡門(men)渦街理論(lun).認爲這是(shi)由于渦街(jie)交替脫落(luo)時旋渦方(fang)向對壓電(dian)梁産生的(de)影響，即旋(xuan)渦y方向的(de)速度引起(qi)振蕩作用(yong)(參考圖9周(zhou)期内的y方(fang)向流場🈲速(su)度可知),與(yu)x方向,即人(ren)射🤞流速方(fang)向無關。值(zhi)得注意的(de)是,由圖8(b)~圖(tu)8(d)發現,在相(xiang)同直徑下(xia),随流速增(zeng)大,流場對(dui)壓電梁産(chan)生的激頻(pin)🌈成分更爲(wei)複雜,這與(yu)圖5(b)相符❌,即(ji)随Re增大,流(liu)場湍流強(qiang)度增強,反(fan)映流場波(bo)動更加劇(ju)烈。但是對(dui)🐆于産生渦(wo)街的頻率(lü)穩定且與(yu)理論(式⭕(10))一(yi)緻,進一步(bu)說明了本(ben)文采用功(gong)率來表征(zheng)傳感強度(du)的合理性(xing)。此外,觀測(ce)圖8(a)可知,L超(chao)過110mm時,P值均(jun)下降,分析(xi)原因,根據(ju)渦街理論(lun),由于黏性(xing)的耗散.此(ci)時旋渦逐(zhu)漸衰退,所(suo)以的傳感(gan)位置應在(zai)渦街的成(cheng)熟區附近(jin)。
 
　　圖10爲傳感(gan)強度(P)在不(bu)同傳感距(ju)離下的分(fen)布曲線,展(zhan)示了低流(liu)速情況下(xia)，即ʋ=1m/s,繞流體(ti)直徑依次(ci)爲30mm,40mm,50mm時的實(shi)驗及❤️計算(suan)結果。由圖(tu)10(a)可知,P随傳(chuan)感距離L的(de)分布規律(lü)有所不同(tong)。當D越大..，越(yue)大,即旋渦(wo)越遠離📞繞(rao)流體。例如(ru)💋當D=30mm時(.=90mm;當D=40mm時(shi),L=110mm;當D=50mm時,Lm=130mm。值得(de)注意的是(shi)💛,由圖10(b)~圖10(d)發(fa)現,在相同(tong)ʋ下,随D值增(zeng)大.流場對(dui)壓電梁産(chan)生的激頻(pin)成分更少(shao),分析原因(yin),可👌能是由(you)于随着D值(zhi)增.大,在CCT兩(liang)側産生的(de)💋交替旋渦(wo)相互之🔞間(jian)的作用減(jian)小，使得流(liu)場的波動(dong)減小所導(dao)緻的。
 
　　圖11展(zhan)示了當r=0.5m/s,D=30mm時(shi),--個振動周(zhou)期下渦街(jie)壓強雲紋(wen)圖以及懸(xuan)臂梁的變(bian)形情況。可(ke)以直接看(kan)出,懸臂梁(liang)在渦街中(zhong)🐆受到周期(qi)下的漩渦(wo)激振力而(er)産生振蕩(dang)現象。其中(zhong)懸🧑🏾‍🤝‍🧑🏼臂梁兩(liang)側的壓強(qiang)差是導緻(zhi)懸💚臂梁的(de)偏轉的直(zhi)接原因,而(er)壓強差是(shi)由于渦街(jie)通過懸臂(bi)梁産🚶生的(de)。與此同時(shi),壓強差産(chan)生了流場(chang)的升力.使(shi)得懸臂梁(liang)得到了向(xiang)上及向下(xia)運動的加(jia)速度。不僅(jin)如此📱,懸臂(bi)梁自🏃🏻‍♂️由端(duan)振❌幅随時(shi)間的增長(zhang)最快,達到(dao)最大🥰振🧑🏾‍🤝‍🧑🏼幅(fu)時,振動速(su)度最小。此(ci)外,一個振(zhen)動周期内(nei),懸臂梁産(chan)生了兩次(ci)振動方向(xiang)的改變,使(shi)得懸臂梁(liang)✔️周圍🔞流場(chang)也發生了(le)周期性的(de)改變，PVDF樂電(dian)懸臂梁與(yu)流場🌂的相(xiang)互作用形(xing)成了較爲(wei)👉穩❄️定的振(zhen)動規律,振(zhen)動周期保(bao)持不變。
　　圖(tu)12爲傳感距(ju)離與流速(su)及繞流體(ti)直徑之間(jian)的計算及(ji)實驗關系(xi)。由圖12(a)可知(zhi)随D值增大(da)逐漸增加(jia)，且近似線(xian)性關系。同(tong)時,測量曲(qu)線🏃與計算(suan)曲線--緻。分(fen)析原因，根(gen)據圖4及式(shi)(10),最住傳感(gan)距離應該(gai)在旋渦的(de)成熟區,D增(zeng)大時,其🔴兩(liang)側剪切🔞層(ceng)之間距離(li)變大,其相(xiang)互作用變(bian)慢,使漩渦(wo)的脫落頻(pin)率減小，使(shi)得旋渦産(chan)生位置距(ju)繞流體越(yue)遠,即最住(zhu)檢測位置(zhi)越遠離圓(yuan)柱繞流體(ti)。由圖12(a)進一(yi)-步可知,與(yu)ʋ無㊙️關,這與(yu)圖8(a)的分布(bu)曲線一緻(zhi)♊。
 
　　圖13爲傳感(gan)距離下的(de)P值(P..)與o,D之間(jian)的計算及(ji)實驗關系(xi)🤞。由圖💃🏻13(a)可知(zhi),P.随。增大而(er)遞增,同時(shi)随D增大而(er)遞增;同時(shi)，測量曲線(xian)與計算曲(qu)線保持-緻(zhi)。分析原内(nei).根據式(9),由(you)Re與txD成正比(bi)關系,Re增加(jia)，導緻其升(sheng)力系數增(zeng)大,即反映(ying)流場波動(dong)越劇烈,此(ci)時結構表(biao)面所受壓(ya)力增加,導(dao)緻PVDF壓電梁(liang)的振蕩幅(fu)值變🏒大,産(chan)生的壓電(dian)功率越高(gao)。其中圖13(b)顯(xian)示,當v=2.5m/s,D=70mm.,P..約爲(wei)10x10*mW;當0=0.5m/s,D=30mm,P.約爲8x102mW。可(ke)推測,若流(liu)速和直徑(jing)同時分别(bie)小于0.5m/s和30mm,産(chan)生的P..，将小(xiao)于8x10*mW。然而如(ru)果用時域(yu)電壓的Ua-U。值(zhi)、0-U2值或U的方(fang)法來表征(zheng)壓電梁感(gan)知渦街的(de)特性往往(wang)會被噪聲(sheng)幹擾,難以(yi)提取特征(zheng)量。這㊙️也進(jin)一步證明(ming)了木文🏒采(cai)用提取功(gong)率來表征(zheng)渦街在傳(chuan)感距離上(shang)傳感強度(du)的合理✌️性(xing)。
 
4結論
　　設計(ji)和研究了(le)一種基于(yu)渦激振動(dong)的壓電傳(chuan)感裝💃置♻️。通(tong)🚩過響應信(xin)号分析了(le)傳感距離(li)和功率與(yu)繞流✨體直(zhi)🎯徑和流速(su)的變化規(gui)律。建立了(le)流-固-電耦(ou)合數值模(mo)型,構建了(le)流速測❓量(liang)的新方法(fa)。采用通過(guo)提取頻域(yu)曲線中渦(wo)激頻率下(xia)的功率作(zuo)爲渦街的(de)傳感強度(du)。實驗和仿(pang)真結果表(biao)明:增大繞(rao)流體直徑(jing)可以使傳(chuan)感距離和(he)功率線性(xing)增加♍;然而(er),在傳感距(ju)離不變的(de)情況下,增(zeng)大🌍流速可(ke)以提高功(gong)率。通過流(liu)場分析得(de)出了采集(ji)信号🍓在Lm下(xia)最優的木(mu)質原内爲(wei):在該處,渦(wo)街成熟且(qie)脫落穩🏃🏻‍♂️定(ding),升力系數(shu)穩定。此外(wai),風洞🈚實驗(yan)驗證該基(ji)于渦激振(zhen)動的柔性(xing)壓電懸臂(bi)梁流🎯速感(gan)知特性💯。結(jie)果表明:該(gai)傳感器件(jian)能有效地(di)測量低至(zhi)🐅0.3m/s流速;當ʋ=2.5m/s,D=70mm,P...約(yue)爲10x10*mW;當ʋ=0.5m/s,D=30mm,P.約爲(wei)8x102mW。該提🆚取渦(wo)街信号的(de)方法和規(gui)律可以解(jie)決傳統的(de)渦街信🛀号(hao)微弱以及(ji)低流速難(nan)測:量的問(wen)⛹🏻‍♀️題,擴大了(le)該類流速(su)傳感器的(de)應用範圍(wei),快響應的(de)流速傳感(gan)器件的設(she)計🐇及測量(liang)提供🏒了新(xin)🎯的探測方(fang)法。

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