摘(zhai)要:F雙鈍(dùn)體旋渦(wo)脫離的(de)流體動(dòng)力學特(te)性以及(ji)利用雙(shuāng)鈍體增(zeng)強流體(ti)振動的(de)最佳組(zǔ)合結構(gòu)。給出了(le)多種鈍(dùn)體組合(he)結構的(de)斯特勞(lao)哈爾數(shù)的試驗(yan)結果，表(biao)明雙鈍(dun)體結構(gou)具有❌常(chang)定的斯(sī)特勞哈(hā)爾數。用(yong)50mm口徑渦(wo)街流量(liàng)計 進行(hang)的試驗(yàn)證明，雙(shuāng)鈍體組(zǔ)合在一(yī)定的條(tiao)件下能(neng)獲得理(lǐ)想的❓旋(xuan)渦重疊(dié)，從而增(zeng)強流體(tǐ)的振動(dòng)。在鈍體(ti)的軸對(duì)💯稱點上(shàng)，還☁️觀察(cha)✂️到強度(du)和頻率(lǜ)相同，相(xiang)位相差(cha)180°的流體(ti)振動點(diǎn)，利用優(yōu)化的雙(shuāng)鈍體結(jié)構和差(chà)動傳感(gǎn)技術，研(yán)制出小(xiǎo)流量靈(ling)敏度和(he)抗幹擾(rao)性能很(hěn)好的新(xīn)型旋渦(wo)流量計(jì)👈。
0前言
　　斯(si)特勞哈(hā)爾和馮(feng)·卡門對(dui)鈍體繞(rao)流所做(zuo)的開拓(tuo)性研究(jiū)揭示了(le)旋渦脫(tuō)離的基(jī)本特征(zheng)和規律(lǜ)，即:當流(liú)體流經(jīng)鈍體時(shi)，尾流🧑🏽‍🤝‍🧑🏻中(zhōng)将形成(cheng)旋渦流(liu)型，旋渦(wō)從鈍體(tǐ)兩側✏️交(jiao)替地🛀🏻脫(tuo)離，并在(zài)---個較寬(kuān)的雷諾(nuò)數範圍(wei)内，有常(cháng)定的量(liang)綱一的(de)👈脫落頻(pín)率，即斯(si)特勞哈(ha)爾爲常(chang)數。這表(biǎo)明旋渦(wō)脫落的(de)頻率與(yǔ)平均流(liu)速成正(zheng)比。
Roshkol21的研(yan)究給出(chu)了更爲(wei)明确的(de)結果，即(jí)在雷諾(nuo)數處于(yú)300<Re<2X105的範圍(wéi)👅内時，斯(sī)特勞哈(ha)爾數保(bao)持在0.2左(zuo)右，他還(hai)首次提(ti)出了利(li)用斯❓特(te)勞🔴哈爾(ěr)🙇‍♀️數的常(cháng)定範圍(wéi)來制造(zao)流量計(ji)的設想(xiang)。20世紀70年(nián)代初，商(shāng)品化的(de)渦🐉街流(liú)量計在(zài)日本出(chu)現。近30年(nián)的工💋業(ye)應用證(zheng)明了渦(wō)街流量(liang)計在🐕穩(wěn)定流體(tǐ)計量中(zhong)的可靠(kào)性和精(jing)确性，它(tā)的主要(yào)優點還(hai)包括精(jing)度💜高、線(xiàn)性度好(hao)、介質适(shi)應性寬(kuan)和性能(néng)🏒可靠(無(wu)運☁️動部(bù)件)3]。然而(ér)，渦街流(liu)量計🔱存(cún)在的流(liu)量下限(xian)高和抗(kàng)幹擾性(xing)能差等(deng)問題，使(shǐ)它喪失(shi)👌了許多(duō)潛在的(de)應用領(lǐng)域，如:量(liang)大面廣(guǎng)的♉天然(rán)氣商業(yè)計量以(yǐ)及流速(sù)和壓力(lì)不穩定(dìng)的測量(liàng)系統。
爲(wèi)了将渦(wō)街流量(liàng)計應用(yong)于不穩(wěn)定流體(ti)的計量(liang)，本文利(li)用鈍體(tǐ)組合強(qiáng)化旋渦(wo)脫落誘(yòu)發流體(ti)振動的(de)理論🔆研(yán)究基礎(chǔ)上，設計(jì)出雙鈍(dun)體渦街(jie)流量計(ji) 試驗樣(yang)機:通過(guò)試驗獲(huò)得了雙(shuāng)鈍體的(de)最優組(zu)合結構(gou)及參數(shù);分析了(le)鈍體組(zu)合對斯(si)特勞哈(hā)爾數的(de)影♈響;同(tong)時在後(hou)鈍體的(de)軸對稱(chēng)點上，還(hái)觀察到(dào)強度和(hé)⭕頻率相(xiang)♻️同，相位(wei)✨相差180°的(de)流體振(zhèn)動點，這(zhe)些研究(jiu)結果爲(wei)研制具(jù)有良好(hǎo)抗幹擾(rǎo)性能👌和(hé)小流量(liang)靈敏度(du)的⚽雙鈍(dun)體差動(dòng)✨式渦街(jiē)流量計(ji)提供了(le)依據。
1雙(shuāng)鈍體渦(wō)街流量(liàng)計的原(yuan)理
雙鈍(dun)體渦街(jiē)流量計(jì)的基本(běn)設計思(sī)路是利(li)用前鈍(dùn)體和後(hòu)鈍體引(yin)發的旋(xuán)渦脫離(li)現象，通(tong)過試驗(yàn)獲得使(shǐ)旋渦在(zài)後鈍體(ti)周圍實(shí)現同相(xiang)位疊加(jiā)的最佳(jiā)鈍🔅體組(zu)合，使流(liú)體振動(dong)得🈲到加(jia)強🐪，降低(dī)計量的(de)下限，同(tóng)♈時利用(yòng)鈍體兩(liǎng)側的流(liu)體振動(dong)具有180°相(xiàng)位差的(de)特點❌，用(yong)差動式(shì)傳感器(qì)抑制共(gòng)模幹擾(rǎo)信号💃的(de)方法，提(tí)高流量(liang)計的抗(kang)幹擾性(xìng)能，圖1所(suǒ)示🐕爲雙(shuang)鈍體渦(wō)街流量(liang)計的原(yuán)理👉。
 
2試驗(yàn)裝置
圖(tu)2所示爲(wèi)試驗裝(zhuāng)置及測(cè)試系統(tǒng)原理。
 
試(shi)驗裝置(zhì)爲氣體(ti)流量試(shi)驗系統(tong)，它由5個(ge)部分組(zǔ)成。I一流(liú)場波動(dong)模拟裝(zhuang)置，用于(yu)實驗室(shi)條件下(xia)模拟流(liu)🌈場波🎯動(dong);II一試驗(yan)表體;II一(yi)标👨‍❤️‍👨準流(liu)量校正(zheng)裝置，本(běn)試驗台(tai)采用臨(lin)界流文(wén)丘利噴(pen)嘴流量(liàng)計作爲(wèi)校準其(qi)他儀表(biǎo)的基準(zhun);IV一負壓(yā)産生裝(zhuāng)置🧡，本試(shi)驗台通(tong)過真空(kong)泵産生(shēng)負壓，使(shǐ)試驗台(tai)的入口(kǒu)和出口(kou)之間産(chan)生一個(ge)壓差，這(zhè)樣就💋形(xíng)成一個(ge)小型風(fēng)洞。真空(kong)泵電動(dong)機額定(ding)功率爲(wei)11kW,額定👅轉(zhuan)速爲1450r/min;V一(yi)計算機(ji)測試系(xì)統，主要(yào)由電荷(hé)放大器(qì)、DAC-TRON公司😍Photo便(biàn)攜式動(dong)态信号(hào)🌈分析儀(yi)(該分析(xī)儀的主(zhǔ)要特性(xìng)和性能(neng)指标🔴:4個(gè)輸入通(tōng)道，一⚽個(gè)輸出通(tōng)道;120MHzTMS320VC33DSP，21kHz處理(li)率;32位浮(fu)點DSP;ICP傳感(gan)器供電(dian);USB接口，支(zhī)持熱插(chā)拔;質量(liang)小于200g，抗(kàng)振動外(wài)殼)及計(ji)算機所(suǒ)組成。
試(shi)驗台的(de)臨界流(liu)文丘利(lì)噴嘴測(ce)定裝置(zhi)由5個标(biāo)準的不(bu)🌈同噴嘴(zui)流:量計(ji)組成，通(tōng)過不同(tóng)的組合(he)方式可(ke)得到5.5--220.5m³/h之(zhī)間🏃的流(liu)量。試驗(yan)的管道(dao)内徑50mm。
3試(shì)驗結果(guo)
試驗分(fèn)爲兩個(gè)部分，1一(yi)雙鈍體(ti)組合渦(wo)街振動(dòng)頻率試(shi)驗🏒;2一雙(shuāng)鈍❌體組(zu)合方式(shì)對渦街(jie)強度的(de)影響。試(shì)驗傳感(gǎn)器如圖(tú)1所示對(duì)🌈稱于🈚後(hòu)鈍體安(ān)裝。試驗(yàn)表體直(zhí)徑爲50mm。
 
典(diǎn)型的渦(wō)街脈動(dong)信号如(rú)圖3所示(shì)。從信号(hào)的時域(yù)信号可(kě)📧以看出(chu)。對稱于(yu)後鈍體(tǐ)兩側渦(wo)街的脈(mò)動是反(fan)相的，并(bìng)有明顯(xiǎn)的周期(qi)性，其功(gong)率譜的(de)頻率分(fèn)布很廣(guǎng)并有一(yī)個明顯(xian)的峰值(zhi)，該峰📞值(zhi)處頻率(lǜ)和時域(yu)信号的(de)主波動(dòng)是頻率(lǜ)💋是相同(tóng)的。定義(yi)功率💚譜(pǔ)中該峰(feng)值處的(de)頻率爲(wèi)渦街的(de)主👅頻。下(xia)面所讨(tao)論的渦(wo)街頻率(lǜ)指的就(jiù)是渦街(jie)的主頻(pín)。
3.1雙鈍體(tǐ)組合渦(wo)街振動(dòng)頻率試(shì)驗研究(jiu)
對于單(dan)鈍體渦(wo)街，在臨(lin)界雷諾(nuo)數之上(shang)斯特勞(lao)哈爾數(shu)是恒定(dìng)的，這是(shì)單鈍體(tǐ)渦街流(liú)量計的(de)測量基(jī)礎。雙鈍(dùn)🈚體渦街(jie)是🚶‍♀️否存(cun)🔱在同樣(yang)的規律(lü)是雙鈍(dun)體渦街(jie)流量計(jì)的關鍵(jian)。本部分(fen)😍的試驗(yàn)研究是(shi)😍爲尋找(zhǎo)當旋渦(wō)發生體(ti)是兩個(ge)三💛角形(xíng)時渦街(jie)的斯特(tè)勞哈爾(er)數👨‍❤️‍👨是否(fou)發生變(bian)化。本部(bu)分的♊另(lìng)一個目(mu)的是研(yán)究鈍體(ti)的平行(háng)組合對(duì)渦街斯(si)特勞哈(ha)爾數的(de)影響。
試(shi)驗所用(yòng)雙鈍體(tǐ)組合圖(tú)1所示，圖(tu)中的前(qian)後.鈍體(tǐ)的🏃互相(xiang)平行🈲的(de)，鈍體的(de)組合方(fang)式是指(zhǐ)兩個鈍(dun)體之間(jian)的距✌️離(li)不同情(qing)㊙️況的組(zu)合。
試驗(yàn)的設計(jì)是對相(xiàng)同的鈍(dùn)體組合(he)在不同(tong)的流量(liang)情況下(xià)進行試(shì)驗。以得(de)到不同(tong)組合下(xià)不同流(liu)量的測(ce)量數據(ju)🔞。試驗的(de)采用數(shu)據如表(biǎo)所示。
流(liú)量的選(xuǎn)取不少(shǎo)于5個點(dian)，并通過(guo)流量不(bú)完全相(xiang)同的選(xuan)💃🏻取🌈來達(da)到覆蓋(gài)較多流(liu)量範圍(wei)的目的(de)。圖4a爲試(shì)驗所得(de)的各組(zǔ)👈雙鈍體(tǐ)和🤟單鈍(dùn)體斯特(tè)勞哈爾(er)數;圖4b是(shi)流量和(hé)渦街✨頻(pín)率的關(guan)系曲線(xian):圖4c爲🐉各(gè)組雙鈍(dun)體💃和單(dan)鈍體斯(sī)特勞哈(ha)爾數标(biao)準偏差(chà)曲線。
從(cong)圖4a和圖(tú)4b中可以(yǐ)得出如(ru)下結論(lùn)。
雙鈍體(ti)的斯特(te)勞哈爾(ěr)數比單(dān)鈍體斯(si)特勞哈(hā)爾數🧑🏾‍🤝‍🧑🏼大(da)，不同🧑🏾‍🤝‍🧑🏼組(zu)合雙鈍(dun)體的斯(si)特勞哈(ha)爾數是(shì)不相同(tong).的。不同(tong)的雙鈍(dun)體組合(he)🌍的斯特(tè)勞哈爾(ěr)數的波(bo)動不相(xiang)
同的，其(qi)斯特勞(lao)哈爾數(shu)的标準(zhǔn)偏差如(ru)圖4c所示(shì)。從圖💯4c中(zhōng)可以知(zhī)道，雙鈍(dun)體的斯(si)特勞哈(hā)爾數波(bo)動是比(bi)較大的(de)，在L=50~46mm之間(jian)偏差與(yu)單鈍體(ti)偏差相(xiàng)當。
由4b圖(tu)，該曲線(xiàn)的線性(xing)度與斯(sī)特勞哈(hā)爾數标(biao)準偏差(chà)相♌對應(ying)，當L=50~46mm時雙(shuāng)鈍體流(liu)量--頻率(lü)曲線的(de)線性度(dù)較好。
綜(zōng)上所述(shu)，對于雙(shuāng)鈍體渦(wō)街流量(liang)計從測(cè)量的線(xian)性♉範圍(wei)角度考(kao)🙇‍♀️慮應選(xuan)擇L=50~46mm之間(jian)的組合(hé)方式。
 
3.2雙(shuāng)鈍體組(zǔ)合方式(shi)對渦街(jie)強度的(de)影響
上(shàng)面得出(chū)雙鈍體(tǐ)流量計(jì)最佳線(xiàn)性範圍(wei)條件。流(liu)量計的(de)另-一個(gè)✏️重要的(de)問題是(shì)渦街強(qiáng)度，其直(zhí)接影響(xiang)測:量信(xìn)号的信(xìn)噪比。其(qi)對降低(dī)量程下(xia)限有重(zhòng)要的意(yì)義。
爲研(yán)究雙鈍(dùn)體組合(hé)對渦街(jiē)強度的(de)影響。設(she)計了如(ru)下試驗(yan)。試驗🛀🏻裝(zhuang)置如圖(tú)1所示;通(tōng)過改變(biàn)距離L對(duì)鈍體進(jìn)行組合(he)并對該(gai)組鈍體(tǐ)在不同(tóng)流量下(xia)進行試(shì)驗。試驗(yàn)所使用(yong)的流量(liàng)是220.5m3/h,178.3m'/h,111.7m3/h,66.6m3/h等4組(zu)。使用的(de)鈍體組(zǔ)合有L=60mm,55mm，54mm，51mm，49mm,47mm,45mm,43mm,41mm,39mm,37mm,35mm，33mm,32mm，29mm等(deng)🌐15個組合(hé)。
進行強(qiáng)度比較(jiao)之前，需(xu)要對渦(wo)街的信(xìn)号特點(dian)進行✍️分(fèn)析并定(ding)出可以(yǐ)度量強(qiang)度的量(liang)。如圖3渦(wō)街信号(hao)是周期(qī)性的♻️但(dan)其波動(dòng)的幅值(zhí)不等，故(gù)渦街的(de)強度需(xū)要從統(tong)計.上進(jin)行比較(jiào)。試驗中(zhong)㊙️制定的(de)渦街強(qiáng)度的✉️統(tong)計量爲(wèi).
 
這裏`y表(biao)示的是(shi)脈動壓(ya)力信号(hao)平均的(de)波動幅(fú)值，通過(guo)換算可(ke)🆚得到渦(wo)街的平(píng)均脈動(dòng)強度。以(yi)後的所(suo)有👄有關(guān)強度比(bi)較都是(shi)以`y爲的(de)度量。
圖(tu)5a是試驗(yan)得到渦(wō)街的程(cheng)度在不(bú)同組合(hé)在不同(tóng)流量🏃下(xià)的比較(jiao)✂️曲線，圖(tú)上的P0是(shi)通過`y換(huàn)算而.來(lái)的，可以(yi)認爲是(shì)渦街的(de)平均🧑🏽‍🤝‍🧑🏻脈(mo)動強度(du)。
圖5b是不(bú)同流量(liàng)下的渦(wō)街平均(jun)脈動強(qiáng)度最大(dà)的放大(da)倍數，這(zhè)時❌定義(yì)
 
從不同(tong)組合在(zài)不同流(liu)量渦街(jiē)強度比(bǐ)較曲線(xian)可以得(dé)到以下(xia)結論:
雙(shuāng)鈍體對(dui)渦街的(de)強度有(you)加強的(de)作用。在(zai)不同的(de)流量下(xia)雙鈍體(tǐ)對渦街(jiē)的加強(qiang)程度是(shì)不一樣(yang)的如圖(tu)6a所示。從(cong)qv---β可以知(zhī)💃🏻道在不(bu)同流量(liang)下渦街(jiē)平均強(qiáng)度最大(da)的放大(dà)倍數是(shì)不相同(tong)的，β在qv=130m3/h時(shí)達到最(zuì)大。
P0随L非(fei)線性變(biàn)化，在L=45~54mm之(zhī)間P0梯度(dù)很小，即(jí)在該區(qū)域内L的(de)☎️變㊙️化對(dui)🙇‍♀️渦街強(qiang)度的影(ying)響不顯(xian)著。
渦街(jiē)的強度(du)有一個(ge)峰值區(qu)域。當偏(piān)離這個(gè)區域後(hou)渦街的(de)強度🐆發(fā)生明顯(xian)的衰減(jiǎn)。該峰值(zhi)區域與(yǔ)較小P0梯(ti)度區域(yu)重合。
相(xiàng)同流量(liàng)下，雙鈍(dun)體渦街(jiē)強度始(shǐ)終比單(dan)鈍體渦(wo)街大。在(zai)流量不(bu)👨‍❤️‍👨變情況(kuàng)下，當雙(shuāng)鈍體渦(wō)街強度(du)接近單(dan)鈍體🌍渦(wō)街💋強度(dù)時，微小(xiǎo)的L變化(huà)會導緻(zhì)雙鈍體(tǐ)卡門渦(wō)街現象(xiang)的消失(shi)，即存在(zai)一個産(chǎn)生雙鈍(dun)體卡門(mén)渦街的(de)臨界距(jù)離Le，且Le與(yu)😘流量有(yǒu)關，在Le處(chu)雙鈍體(ti)渦街強(qiang)度和單(dan)鈍體渦(wō)街強度(du)相等。當(dang)L<Le該流量(liang)下雙鈍(dun)體卡]渦(wo)街現象(xiàng)将消🌈失(shī)。但Le是否(fou)與尺度(du)相關需(xū)要進一(yī)-步的研(yan)究。同樣(yàng)随L不斷(duan)增長是(shi)否也存(cun)在一個(ge)臨界距(ju)離也需(xu)要進一(yī)步研❌究(jiū)。
 
4結論
通(tong)過上述(shu)的試驗(yan)研究，可(kě)以得出(chū)以下的(de)結論:用(yong)雙鈍體(ti)誘發❄️卡(kǎ)門渦街(jiē)可以增(zēng)強渦街(jiē)的脈動(dòng)平均強(qiang)度，有利(lì)于提高(gao)測量的(de)信噪比(bǐ)，降低渦(wo)街流量(liang)計的測(cè)量下限(xiàn)。最大強(qiáng)度鈍體(ti)的組合(hé)L=45~-54mm。
通過适(shi)當的選(xuǎn)擇鈍體(tǐ)的組合(hé)，雙鈍體(tǐ)渦街流(liu)量計的(de)🐪精☎️度和(hé)🔴單鈍體(tǐ)渦街流(liú)量計是(shi)相當的(de)。最佳線(xiàn)性度鈍(dùn)體組🚩合(he)爲L=46~50mm。
綜上(shàng)述，通過(guo)兩個三(sān)角型鈍(dun)體組合(he)可以得(dé)到與單(dan)鈍🧡體渦(wo)街👨‍❤️‍👨流量(liang)計測量(liàng)精度相(xiàng)當但信(xìn)号信噪(zao)比高✊、測(cè)量🏃🏻下限(xiàn)較低的(de)雙鈍體(ti)渦街流(liú)量計。雙(shuāng)鈍體的(de)最佳組(zǔ)合方法(fǎ)是L=45~50mm之間(jiān)。

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