摘要:針(zhēn)對渦街(jiē)式流速(sù)傳感器(qi)中電信(xin)号微弱(ruò)并且🈲提(ti)取特征(zheng)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(jiàn)☁️立了流(liu)-固❄️-電耦(ou)合仿真(zhēn)計算模(mó)型,構建(jiàn)了流速(su)測量的(de)新方法(fǎ)。通過理(li)論分析(xī)和風洞(dòng)實驗，獲(huo)得了圓(yuán)柱繞流(liú)體直徑(jìng)(D)、空氣流(liu)速(v)與壓(ya)電傳感(gan)距離()以(yǐ)及✔️功率(lü)(P)之間的(de)影響規(guī)律。仿真(zhēn)計算和(hé)實驗結(jie)果表明(míng)🈲:通過提(ti)取頻域(yu)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,有(yǒu)助于感(gǎn)知微弱(ruò)的空氣(qì)流速信(xìn)号,同時(shí)解決噪(zao)聲等電(dian)路上的(de)幹擾影(yǐng)響。其🍉次(cì),D增加，最(zui)優傳感(gǎn)距🈚離(Losr)增(zēng)加;D不變(biàn)時，功率(lǜ)(Posr)随流速(su)增大而(ér)提高,且(qiě)Losr不變;通(tōng)過分析(xi)得出了(le)采集信(xin)号在Losr下(xià)最優的(de)本✌️質原(yuán)因一在(zai)該處，渦(wo)街成熟(shu)且脫落(luò)穩定、升(shēng)力系數(shu)(CL)穩定。最(zuì)後,該壓(yā)電裝置(zhi)測量的(de)㊙️最低流(liú)速爲0.3m/s.
　　渦(wō)激振動(dong)(VIV)是一種(zhong)典型的(de)流緻振(zhen)動(FIV)。結構(gòu)的非流(liú)線型會(huì)導緻其(qí)💃🏻在流體(ti)的作用(yòng)力下産(chan)生周期(qī)性旋渦(wō)脫落,使(shi)結構受(shòu)到與流(liu)向垂直(zhi)的周期(qi)性氣動(dong)力,進⭐而(er)激發結(jie)構的♉橫(heng)向振🈲動(dòng)川由于(yu)流體流(liu)速與旋(xuán)渦脫落(luo)頻率有(yǒu)對應關(guān)系，因此(ci)常制作(zuo)成多🙇🏻種(zhong)空氣流(liú)🌐速傳感(gǎn)器,例如(rú),基于上(shàng)述渦街(jie)振動原(yuán)理研制(zhì)的渦街(jiē)流量計(jì) ，工業級(jí)的渦街(jiē)流量計(ji)主要易(yì)受環境(jing)噪聲的(de)幹擾,導(dǎo)緻其對(duì)低速不(bu)敏感。同(tong)時,空氣(qi)流速傳(chuán)感器廣(guang)泛應用(yòng)♋于畜禽(qín)舍環境(jing)控制,風(fēng)能采集(ji),流量檢(jian)測,氣象(xiàng)監控,等(deng)領域[2-4]。例(lì)如,在畜(chu)禽環境(jìng)監測領(ling)域,通風(feng)時流✨速(su)太快引(yin)起畜禽(qin)強烈的(de)應激反(fǎn)應或因(yīn)🏃局部溫(wēn)度驟降(jiàng)導緻畜(chu)禽強感(gan)冒，或🍓造(zao)成畜禽(qín)的生産(chǎn)性能、免(mian)疫能力(lì)、生長速(su)度等下(xià)降'因此(ci),對畜禽(qín)舍通風(fēng)裝置的(de)流速檢(jiǎn)測尤其(qí)重要。傳(chuán).統FIV傳感(gǎn)器多采(cai)用機械(xiè)轉動結(jie)構,其結(jie)構複雜(zá),對加工(gong)精度和(hé)機械穩(wen)定性都(dōu)有較高(gāo)的要求(qiu)7。而近.年(nian)✔️來利用(yong)壓電材(cái)料作傳(chuan)感元件(jian)研制的(de)FIV傳感器(qì)，其不需(xu)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(xing)化。
　　目前(qian),VIV傳感器(qi)主要采(cai)用兩種(zhong)壓電材(cái)料作爲(wei)傳感元(yuán)✍️件:锆钛(tai)🤟酸鉛壓(yā)電陶瓷(ci)(PZT)和聚偏(piān)二氟乙(yi)烯(PVDF)。PVDF薄膜(mó)由于其(qí)高柔性(xìng)💃的特點(diǎn),适🛀🏻用于(yu)交變載(zǎi)荷的感(gan)知121。然而(ér),壓電式(shì)流渦激(jī)振動(PVIV)流(liú)速傳感(gan)器還有(you)許多不(bú)完善的(de)地方。特(tè)别是檢(jiǎn)測低流(liú)場流速(su)時(流速(sù)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(rǎo)相對較(jiao)強,造成(cheng)渦街特(te)征信号(hào)提取的(de)困♋難。比(bǐ)如測量(liang)過程中(zhong)，壓電元(yuan)件自身(shēn)受流場(chǎng)擾動産(chan)生的信(xìn)号、風洞(dong)系統👄産(chǎn)生的噪(zào)聲信号(hao)等,會把(bǎ)渦街特(tè)征信号(hào)淹沒。針(zhēn)對這一(yī)問題,許(xu)多學者(zhě)對PVIV流速(sù)傳感器(qì)展開了(le)全面的(de)研究,如(ru)繞流體(ti)的形狀(zhuang)和🛀排布(bu)、電路檢(jiǎn)測方式(shi)以及信(xin)号提取(qu)方法17-19,提(tí)高了空(kōng)氣流速(sù)測量精(jing)度和範(fàn)圍。
　　PVIV流速(su)傳感器(qì)的結構(gou)采用圓(yuán)形或梯(ti)形旋渦(wō)繞流體(ti)♊和PZT或🎯PVDF薄(báo)膜爲✔️傳(chuan)感元件(jian)組成。研(yan)究發現(xian),改變繞(rao)流體直(zhí)徑會導(dǎo)緻繞流(liu)與傳感(gǎn)器元件(jiàn)之間的(de)距離不(bu)同👣。這表(biǎo)明,漩渦(wō)測🈲量位(wèi)置和繞(rao)流體直(zhi)徑将影(ying)響PVIV檢測(ce)精度。針(zhen)對🔞上述(shu)問題,提(tí)出了一(yī)種基于(yu)PVIV流速傳(chuan)感裝置(zhi)。該裝置(zhi)由圓柱(zhù)繞流體(ti)和PVDF壓電(dian)懸臂梁(liáng)組成。利(lì)用數值(zhi)模拟方(fāng)法研究(jiu)渦街流(liu)場特性(xing),分析傳(chuán)感器結(jie)構參數(shù)對渦街(jie)響應信(xin)号檢測(ce)的影響(xiang)規律。采(cǎi)用通過(guo)提取頻(pín)域曲線(xiàn)中渦激(jī)頻率下(xia)的功率(lü)作爲渦(wō)街的傳(chuán)感強㊙️度(du),增強了(le)感知微(wei)弱的流(liú)速響應(yīng)信号,月(yue)🚩能夠解(jiě)決噪聲(sheng)等電路(lu)上的幹(gan)擾影響(xiang),擴大了(le)對低流(liu)速的檢(jiǎn)測能力(li)。爲高靈(líng)👨‍❤️‍👨敏.快響(xiang)應的空(kong)氣流速(su)傳㊙️感器(qì)件的設(she)計及測(cè)量提供(gòng)新的探(tàn)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(wen)PVIV流速傳(chuán)感裝置(zhi)的結構(gòu)如圖1所(suo)示。該結(jie)構由圓(yuán)柱繞流(liú)體和PVDF壓(yā)電懸臂(bì)梁構成(cheng),其.中懸(xuán)臂梁由(yóu)表面塗(tú)有銀電(diàn)極層的(de)PVDF薄膜組(zu)成;同時(shi),靠近圓(yuán)柱繞流(liu)體一側(cè)的PVDF壓電(dian)懸臂梁(liáng)端🔆部固(gu)支。圓柱(zhu)繞流體(tǐ)直徑D=7mm,圓(yuán)柱體中(zhong)心距PVDF壓(ya)電懸臂(bì)梁固支(zhi)端距離(li)爲L,人射(shè)流速爲(wèi)v,其方向(xiang)垂直于(yu)圓柱體(tǐ)🔞表面。仿(páng)真計💜算(suan)時,D值的(de)範♻️圍爲(wèi)30mm~70mm,u值範圍(wei)爲0.3m/s~2.5m/s,L值的(de)範圍爲(wei)50mm~170mm。爲了簡(jiǎn)化計算(suàn)和控制(zhi)🛀🏻多餘變(bian)量💔,PVDF壓電(diàn)懸臂梁(liang)高🏃🏻‍♂️度h設(shè)定爲30mm。當(dāng)外界來(lái)流作用(yong)時,PVDF壓電(dian)懸臂梁(liáng)結✨構産(chan)生振蕩(dàng),根據壓(ya)♈電效應(ying),壓電層(ceng)的變形(xing)使其衣(yi)面聚集(jí)電荷,形(xíng)成響應(ying)電壓。
 
1.2流(liú)-固-電耦(ǒu)合模型(xíng)
　　由于氣(qi)流經圓(yuán)柱體産(chan)生渦旋(xuan)後,後方(fāng)的氣流(liú)流動⛹🏻‍♀️基(jī)本處于(yú)🈲湍流狀(zhuang)态,流場(chǎng)的分布(bù)複雜,因(yīn)此,結合(he)計算流(liu)🥰體力學(xue)(CFD)以及壓(ya)電效應(ying)進行數(shù)值模拟(nǐ),分析繞(rao)流體直(zhi)徑、與壓(ya)電傳感(gǎn)⚽距離對(duì)低空氣(qi)流速檢(jiǎn)測的影(yǐng)響規律(lü)。
1.2.1理論模(mo)型
　　壓電(diàn)傳感結(jié)構感知(zhī)流體流(liu)動是--個(ge)多物理(lǐ)場耦合(hé)的複雜(za)過程,主(zhu)要包括(kuò)流場、力(lì)場.和電(dian)場的綜(zōng)合作用(yong)。流場産(chan)生的壓(ya)強轉化(hua)爲壓力(li)作用在(zai)懸臂梁(liáng)表🌍面産(chǎn)生結構(gou)變形并(bing)引起其(qi)壓電層(céng)變形,根(gen)據壓電(dian)效應産(chan)生電荷(he),計算👉模(mo)型中通(tōng)過機電(diàn)耦合方(fang)式将✔️産(chǎn)生的電(diàn)荷全部(bù)聚集在(zài)懸臂梁(liáng)表面,最(zui)終轉化(huà)爲瞬态(tai)電壓。變(biàn)形體形(xíng)狀的改(gǎi)變将改(gǎi)變流場(chǎng),其中的(de)流固耦(ǒu)合面可(kě)由振動(dong)和流場(chǎng)控制方(fang)程水描(miáo)述,當流(liu)👅場流速(su)小于0.3馬(ma)赫🈲，流場(chǎng)被認爲(wei)是不可(ke)壓縮，這(zhe)種不可(ke)壓縮的(de)牛頓流(liu)體介質(zhì)可♌由連(lian)續性方(fang)程🌈(1)和N-S(Navier-Stokes)方(fang)程(2)描述(shù)，方程如(ru)下🌈所示(shì):
 
 
1.2.2仿真計(ji)算
　　将上(shang)述PVIV流速(su)傳感器(qì)簡化爲(wèi)一個二(er)維物理(li)模型,如(ru)圖⛹🏻‍♀️2所示(shì),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(bi)梁位于(yú)圓柱的(de)中軸線(xiàn)上.左端(duān)固支。模(mo)型中,範(fàn)圍在0.3m/s~2.5m/s,D範(fàn)圍在30mm~70mm,即(jí)雷諾數(shu)在500~9800之間(jiān)。選取空(kōng)氣域材(cai)料參數(shù),采用SIMPLE求(qiú)解器,進(jin)行瞬态(tài)分析,計(jì)算材料(liao)參數如(rú)表㊙️1所示(shi)。采用二(èr)角形非(fei)結構化(hua)的網格(gé)劃🐪分,在(zai)圓柱和(hé)PVDF壓電梁(liáng)的核心(xin)區域網(wǎng)格分布(bu)較密集(jí)。
 
2風洞試(shì)驗
　　試驗(yan)在低速(sù)風洞進(jin)行,測試(shi)平台如(rú)圖3所示(shi)。采集的(de)壓電信(xìn)号📞通過(guo)電荷放(fang)大器與(yǔ)NI數據采(cai)集卡相(xiàng)連,運用(yong)LabVIEW對信号(hao)進行💋ADC數(shu)模轉換(huàn)☂️、濾波,頻(pín)譜分析(xi)(FFT變換);通(tong)過激光(guang)位移傳(chuan)感器采(cǎi)集渦激(ji)振❄️動時(shi)壓電梁(liang)末端的(de)🧡y向位移(yí)。最🔆終在(zài)計算機(jī)中顯示(shì)PVDF壓電梁(liáng)振動的(de)時域曲(qǔ)線和頻(pin)譜曲線(xian)。重點探(tàn)尋壓電(diàn)傳感距(ju)離在不(bu)同💔圓柱(zhù)繞流體(tǐ)直徑尺(chǐ)寸和流(liu)速變化(huà)的條件(jian)下對流(liu)♉場感知(zhi)特💜性的(de)影響規(gui)律。試驗(yàn)條件如(ru)表2所示(shì)。實驗🙇🏻中(zhōng),由50nmmn到170mm,間(jiān)隔10mm依次(cì)測量不(bu)同距離(li)下的🌈渦(wō)街響應(ying)信号。
 
 
3計(ji)算與測(ce)試結果(guo)分析
　　通(tōng)過卡門(men)渦街理(li)論,獲得(dé)了渦街(jie)産生的(de)流速條(tiao)件和🚶圓(yuan)柱繞🌍流(liu)體直徑(jing)範圍
 
　　式(shi)中:μ爲空(kōng)氣動力(lì)學粘度(dù),St爲斯特(tè)勞哈爾(ěr)數,ƒ爲渦(wo)街脫落(luo)💔頻率✍️。當(dāng)雷諾數(shu)在的範(fàn)圍内，渦(wō)流會以(yǐ)一個相(xiàng)對穩定(dìng)的頻率(lǜ)周期⚽性(xing)脫落,根(gēn)據流速(su)條件和(he)圓柱百(bǎi)徑範圍(wéi),可得🎯出(chu)在該條(tiao)件下的(de)雷諾數(shù)範圍爲(wèi)500~9800,滿足産(chǎn)生渦街(jie)脫落的(de)🌈條件。
　　圖(tu)4爲流速(su)爲2m/s,圓柱(zhu)直徑爲(wèi)30mm下,産生(shēng)渦街脫(tuo)落的特(te)性。由圖(tu)叮知♍,渦(wo)街的交(jiāo)替脫落(luò)需要經(jing)曆一個(gè)生長、成(chéng)熟.衰退(tui)的過程(chéng)。PVDF壓電🔞懸(xuan)臂梁因(yin)此生信(xìn)号的傳(chuán)感強度(du)與傳感(gǎn)距離有(you)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(shu)與傳感(gǎn)距離和(hé)雷諾數(shù)的關❓系(xì)，文🏃‍♂️中PVDF壓(yā)⭐電懸臂(bì)梁左端(duān)固支,自(zì)由端在(zài)渦流中(zhong)受到旋(xuan)渦激振(zhèn)力的作(zuo)用而産(chan)生y方向(xiang)的周期(qī)性振蕩(dang)⛹🏻‍♀️。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(zhi)🚩随Re增大(dà),流場湍(tuan)流強度(dù)增強,此(ci)時壓電(diàn)💁懸臂梁(liáng)表面所(suǒ)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(shu)下,随傳(chuán)感距離(li)的😍增🤩大(dà),升力系(xi)數随之(zhi)下降,升(shēng)力場呈(cheng)現衰🈲減(jian)的現象(xiàng)。其中,在(zai)L=50mm,即🏃🏻樂電(dian)懸臂梁(liáng)與圓柱(zhù)繞流體(tǐ)之間距(jù)離最近(jìn)時,其升(shēng)力系數(shu)最高,反(fan)映流場(chǎng)波動最(zui)💞劇烈,其(qí)原因是(shì)懸臂梁(liáng)的位置(zhì)在渦街(jiē)生長區(qū)，因此壓(ya)電懸臂(bì)梁靠近(jìn)圓柱體(ti)區城出(chū)現渦旋(xuán)回流,造(zào)成的壓(ya)力對🔱壓(ya)電懸臂(bì)㊙️梁的受(shòu)力和振(zhèn)動産生(sheng)增強的(de)🏃🏻‍♂️作用。此(ci)外,1.=50mm~70mm範圍(wéi)内,升力(lì)系🌈數曲(qu)🌏線整體(ti)下降不(bú)明顯;L=70mm-110mm範(fan)圍内,升(shēng)♊力系數(shù)曲線出(chu)現交📧叉(cha)的現象(xiang),說明該(gāi)區域流(liú)場波動(dong)變化相(xiang)似,此時(shí)PVDF壓電懸(xuan)🈚臂梁的(de)位置往(wang)😘往是滿(mǎn)街成熟(shú)區,适于(yu)🌈形成穩(wen)定的滿(mǎn)街;L=110mm~130mm範圍(wei)内,共升(sheng)力系數(shù)❓曲線整(zhěng)體下降(jiang)明顯,場(chǎng)流動性(xìng)大幅下(xià)降,此時(shi)🌐雷諾數(shu)爲600,其升(shēng)🛀🏻刀系數(shu)下降至(zhi)0.3,此時懸(xuán)臂梁的(de)位置往(wang)往是渦(wō)街衰退(tui)區。
 
　　圖6展(zhan)示了在(zai)流速爲(wei)2m/s,圓柱直(zhí)徑爲30mm條(tiáo)件下,傳(chuán)感器件(jian)位移響(xiǎng)應特性(xing)。由圖可(ke)知,流場(chǎng)作用3s後(hou),懸臂梁(liáng)産生的(de)y方向振(zhèn)蕩逐漸(jiàn)穩🈲定,該(gāi)結果驗(yan)證了圖(tu)5(a)中流場(chang)升/阻力(lì)與時間(jiān)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(yi)最大;對(dui)比圖5中(zhōng)計算位(wei)移曲線(xiàn)和通過(guo)激光位(wei)移🐉傳感(gan)器測得(dé)的實驗(yan)位移曲(qu)線發現(xiàn),實際測(ce)量的振(zhen)蕩曲線(xiàn)的幅值(zhí)略小于(yú)計算幅(fú)值,同時(shi)前者的(de)震蕩頻(pin)率(13.8Hz)略小(xiao)于後者(zhě)産生的(de)震蕩頻(pín)率(14.0Hz),原因(yīn)在于計(jì)算設置(zhi)的阻尼(ni)比與實(shí)際值有(yǒu)誤差，然(ran)而由于(yu)誤差較(jiào)小，實際(jì)測量的(de)震蕩曲(qu)線與計(jì)算的到(dao)❗的大緻(zhì)--緻,因此(ci)證實本(ben)文中流(liu)固耦合(hé)計算的(de)正确率(lü)。
 
　　圖7給出(chu)了圓柱(zhù)繞流體(tǐ)直徑爲(wèi)30mm時,人射(she)流速與(yǔ)PVDF懸臂梁(liang)感知渦(wo)❤️街頻率(lü)之間的(de)關系。主(zhǔ)要對比(bi)卡門渦(wō)街理論(lun)值,仿🐉真(zhēn)計算值(zhi)與實🌈驗(yàn)值。如圖(tu)可知,計(ji)算值相(xiang)比理論(lun)值,其與(yǔ)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(chan)生的渦(wo)街現象(xiang),進🔞--步說(shuo)明本文(wen)☔仿真計(jì)算的合(he)理。其中(zhōng),流速爲(wèi)1m/s時的實(shí)驗與計(jì)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(dian)壓響應(yīng)🎯信号穩(wen)定🈲,在渦(wo)街穩定(ding)後其電(dian)壓幅值(zhi)随時間(jiān)幾乎恒(héng)定.這說(shuo)明♊此時(shi)懸臂梁(liáng)在y方向(xiàng)的振蕩(dàng)幅值穩(wěn)⭕定;而對(duì)比圖7(b)可(ke)知,實際(jì)條件下(xià)采集的(de)電壓時(shí)域曲線(xiàn)在幅值(zhi)大小上(shang)随時間(jiān)波動較(jiào)爲明顯(xiǎn),即周期(qī)内的Ux-Ug值(zhí)往往不(bú)穩定,在(zài)該曲線(xiàn)上會疊(dié)加包括(kuò)電路幹(gan)擾☔,工頻(pín)🈲十擾,以(yǐ)及流場(chang)對壓電(diàn)梁産生(shēng)✔️的x方向(xiang)的振動(dong)影響。在(zai)此情✨況(kuàng)下,若根(gēn)據前人(rén)叫采用(yòng)提取電(diàn)壓的Ux-Ug值(zhí),0-Ug值或U....的(de)方法來(lái)表征壓(yā)電梁感(gǎn)知渦街(jie)的特性(xìng)往往并(bìng)不正确(que),而通過(guo)提取功(gong)率的方(fang)法更爲(wèi)正确,因(yin)此本文(wen)采用通(tong)過提取(qǔ)頻域曲(qu)線中渦(wō)激頻率(lǜ)下的功(gōng)率表征(zheng)渦街的(de)傳感強(qiáng)度。此外(wài),由圖7可(kě)知,仿真(zhēn)中，PVDF壓電(dian)懸臂梁(liáng)可檢測(cè)🏒的流速(sù)爲0.3m/s,此時(shi)該懸臂(bì)梁産生(sheng)的振動(dong)約爲2.0Hz,該(gāi)值與理(li)🏒論值及(jí)實驗值(zhi)接近，進(jìn)一步說(shuō)明了本(běn)文仿真(zhen)計算的(de)🔆合理。

 
　　圖(tu)8爲傳感(gan)強度(功(gong)率P)在不(bu)同傳感(gan)距離下(xià)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(shí)驗及計(ji)算結果(guǒ)。同時根(gen)據式(8),P值(zhí)由對🥵應(ying)時城曲(qu)線通過(guò)傅裏葉(yè)變換🈚(FFT)轉(zhuǎn)換而來(lái)。
 
　　圖8(a)可知(zhi),同一繞(rào)流體直(zhi)徑下,流(liú)速越大(da),其P随傳(chuan)感位置(zhì)的變化(hua)🈲規律基(jī)本一緻(zhi),即均在(zài)L爲90mm附近(jìn)最大.反(fǎn)映出在(zai)相同區(qu)域PVDF壓電(dian)梁測量(liang)的信号(hào)強度達(da)到最大(dà)🤟:同時反(fǎn)映,傳感(gan)距離(L.)與(yu)人射流(liú)🚶速大小(xiao)無關,分(fen)析原因(yīn).根據卡(ka)🎯門渦街(jie)理論.認(ren)爲這🏃‍♀️是(shi)由于渦(wō)街交替(ti)脫落時(shi)旋渦方(fang)向對壓(ya)電梁産(chǎn)生的影(ying)響，即旋(xuán)渦y方向(xiàng)📧的速度(dù)引起🙇🏻振(zhen)蕩作用(yòng)(參考圖(tu)9周期内(nèi)的y方向(xiang)流場速(sù)度可知(zhī)),與x方向(xiang)♍,即人射(shè)流速方(fang)向無關(guān)。值得注(zhù)意的是(shi),由圖8(b)~圖(tú)8(d)發現,在(zài)相同直(zhi)徑下,随(suí)流‼️速增(zeng)大,流場(chǎng)對壓電(diàn)梁🌈産生(shēng)的激頻(pin)成分更(gèng)爲複雜(zá),這與圖(tu)5(b)相符,即(ji)随Re增大(dà),流場湍(tuan)🐅流強度(dù)‼️增強,反(fǎn)映流場(chǎng)🌈波動更(geng)加劇烈(lie)。但是對(duì)于産生(sheng)渦街的(de)頻率穩(wěn)定且與(yǔ)理論(式(shì)❌(10))一緻,進(jìn)一步說(shuo)明了本(ben)文采用(yòng)功率來(lai)表征傳(chuán)感強❤️度(du)的合理(lǐ)性。此外(wai),觀測圖(tú)8(a)可知,L超(chao)過110mm時,P值(zhi)均下降(jiang),分析原(yuan)因,根據(jù)渦街理(li)論,由于(yu)黏性的(de)耗散.此(ci)時旋🆚渦(wo)逐漸衰(shuai)退,所以(yi)的傳感(gǎn)位置應(ying)在渦街(jie)的成熟(shu)區附近(jin)。
 
　　圖10爲傳(chuan)感強度(du)(P)在不同(tóng)傳感距(jù)離下的(de)分布曲(qu)線,展示(shì)了低流(liú)速情況(kuàng)下，即ʋ=1m/s,繞(rào)流體直(zhi)徑依次(cì)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(sui)傳感距(ju)離L的分(fen)布規律(lü)有所不(bu)同。當D越(yuè)👄大..，越大(dà),即旋渦(wō)越遠離(lí)🍉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(suí)D值增大(dà).流場對(duì)壓電梁(liang)産生的(de)激頻成(cheng)分更少(shao),分析原(yuán)因,可能(neng)是由于(yu)随着D值(zhi)增.大,在(zài)CCT兩側産(chan)生的交(jiao)替旋渦(wō)相互之(zhi)間的作(zuò)用減小(xiao)，使得流(liu)場的波(bo)動減小(xiao)所導緻(zhi)的。
 
　　圖11展(zhan)示了當(dang)r=0.5m/s,D=30mm時,--個振(zhèn)動周期(qi)下渦街(jiē)壓強雲(yun)紋圖以(yi)及懸臂(bì)梁的變(bian)形情況(kuang)。可以直(zhi)接看出(chū),懸臂梁(liang)在渦街(jie)中受到(dao)周期下(xià)的漩渦(wo)💃🏻激振力(lì)而産生(shēng)振蕩現(xian)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(zhuan)的直接(jiē)原因,而(er)壓強差(cha)是由于(yu)💃🏻渦街通(tong)過懸臂(bi)梁産生(sheng)的。與此(ci)同👅時,壓(yā)強差産(chan)生了流(liu)場的升(shēng)力.使得(dé)懸🛀臂梁(liang)得到了(le)向上及(jí)向下運(yun)動❓的加(jia)速度。不(bu)僅如此(cǐ),懸臂梁(liáng)自由端(duān)振幅随(sui)時間的(de)增長最(zuì)快,達到(dao)最大振(zhen)幅時,振(zhèn)動速度(du)最💃小。此(ci)外,一個(ge)振動周(zhou)期内,懸(xuán)臂梁産(chan)生了✂️兩(liǎng)次振動(dòng)方向的(de)改變,使(shi)得懸臂(bì)梁周圍(wei)流場也(yě)發生了(le)周期性(xing)的改變(biàn)，PVDF樂電懸(xuan)臂梁與(yǔ)流場✨的(de)相互作(zuo)用☂️形成(chéng)了較爲(wei)穩定的(de)振動規(guī)律,振動(dòng)周期保(bao)持不變(biàn)。
　　圖12爲傳(chuan)感距離(li)與流速(su)及繞流(liu)體直徑(jìng)之間的(de)計算及(jí)實🐪驗關(guan)🌈系。由圖(tu)12(a)可知随(sui)D值增大(da)逐漸增(zeng)加，且近(jìn)似🥵線性(xìng)🈲關系。同(tóng)時,測量(liàng)曲線與(yǔ)計算曲(qu)線--緻。分(fèn)析原因(yin)，根據圖(tú)4及式(10),最(zui)住傳感(gǎn)距離應(yīng)✂️該在旋(xuán)渦的成(cheng)熟區,D增(zeng)大時,其(qí)兩側剪(jiǎn)切層之(zhī)間距離(li)變大,其(qí)相互作(zuò)用🌈變慢(màn),使漩渦(wo)的脫落(luò)頻率減(jian)小，使得(de)旋😍渦産(chǎn)生位置(zhì)🍓距繞流(liu)體越遠(yuan),即最住(zhù)檢測位(wèi)置越遠(yuǎn)離圓柱(zhu)繞流體(ti)。由圖12(a)進(jin)💯一-步可(ke)知,與ʋ無(wú)關,這與(yu)圖8(a)的分(fen)布曲線(xian)一緻。
 
　　圖(tú)13爲傳感(gǎn)距離下(xià)的P值(P..)與(yǔ)o,D之間的(de)計算及(jí)實驗關(guān)系。由🔱圖(tu)🙇‍♀️13(a)可知,P.随(suí)。增大而(er)遞增,同(tong)時随D增(zeng)大而遞(dì)增;同時(shi)，測量曲(qu)線與計(jì)算曲線(xiàn)保持-緻(zhì)。分析原(yuán)内.根據(jù)式(9),由📱Re與(yǔ)txD成正❗比(bǐ)關系,Re增(zēng)加，導緻(zhì)其升🐕力(li)系數❤️增(zēng)大,即反(fan)映流場(chang)波動越(yue)劇烈,此(cǐ)時結構(gou)表面所(suǒ)受壓力(li)增加,導(dǎo)☁️緻PVDF壓電(dian)梁的振(zhen)蕩幅值(zhi)變大,産(chan)生的壓(yā)電功率(lü)越高。其(qi)中圖13(b)顯(xiǎn)示,當v=2.5m/s,D=70mm.,P..約(yue)爲10x10*mW;當0=0.5m/s,D=30mm,P.約(yuē)爲8x102mW。可推(tui)測,若流(liú)速和直(zhi)徑同時(shi)分别小(xiao)于0.5m/s和30mm,産(chǎn)生的P..，将(jiāng)小于8x10*mW。然(rán)而如果(guǒ)用時域(yu)電壓的(de)Ua-U。值、0-U2值或(huo)U的方法(fa)來表征(zheng)壓電梁(liáng)感知渦(wo)街的🐆特(tè)性往往(wǎng)會被噪(zao)聲幹擾(rǎo),難以提(ti)取特征(zheng)量。這⭐也(yě)進一步(bu)證明了(le)木文采(cai)用提取(qu)功率來(lai)表征渦(wō)街在傳(chuan)感距離(li)上傳感(gǎn)強度的(de)合理♈性(xìng)。
 
4結論
　　設(shè)計和研(yan)究了一(yī)種基于(yú)渦激振(zhèn)動的壓(yā)電傳感(gǎn)裝置。通(tong)🐇過響應(yīng)信号分(fèn)析了傳(chuan)感距離(lí)和功率(lǜ)與繞流(liú)體直徑(jìng)和流速(sù)的變化(huà)規⭐律。建(jian)立了流(liú)-固-電耦(ǒu)合數值(zhi)模型,構(gou)建了流(liú)速測量(liang)的新方(fāng)法。采🌏用(yong)通過提(ti)取頻域(yu)曲線中(zhōng)渦激頻(pin)率下的(de)功率作(zuò)爲渦街(jie)的傳感(gǎn)強度。實(shí)驗和仿(pang)真結果(guǒ)表明:增(zēng)大繞流(liu)體直徑(jing)可以☎️使(shǐ)傳感距(jù)離和功(gong)率線性(xìng)增加🔱;然(rán)而,在傳(chuán)感距✔️離(li)不💰變的(de)情況下(xià),增大流(liu)速可以(yi)提高功(gōng)率。通過(guò)流場分(fen)析得出(chū)了采集(ji)信号♻️在(zai)Lm下最優(yōu)的木質(zhì)原🌍内爲(wei):在該🤟處(chù),渦街成(chéng)熟且脫(tuo)落穩定(ding),升力🐆系(xì)數穩定(ding)。此外,風(feng)洞實驗(yan)驗證該(gai)基于渦(wo)激振動(dong)的柔性(xìng)壓電懸(xuán)臂梁流(liú)速感知(zhi)特性。結(jie)果表明(míng):該🐆傳感(gan)器件能(néng)有效地(di)測量低(dī)至0.3m/s流速(su);當ʋ=2.5m/s,D=70mm,P...約爲(wei)10x10*mW;當ʋ=0.5m/s,D=30mm,P.約爲(wèi)8x102mW。該提取(qǔ)渦街信(xin)号的方(fāng)法和規(guī)律可以(yi)解決傳(chuan)統的渦(wō)街信号(hao)微弱以(yi)及低流(liú)速難測(cè):量的問(wen)題,擴大(dà)了該類(lei)流速傳(chuan)感器的(de)應用範(fàn)圍,快響(xiǎng)應的流(liu)速傳感(gan)器件的(de)設計😍及(ji)測量提(tí)供了新(xīn)的探測(cè)方法。

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