摘要:F雙(shuang)鈍體旋渦(wo)脫離的流(liu)體動力學(xue)特性以及(ji)利用雙鈍(dun)✌️體增強流(liu)體振動的(de)最佳組合(he)結構。給出(chu)了🚩多種鈍(dun)體組合結(jie)構的斯🏒特(te)勞哈爾數(shu)的試驗結(jie)果，表明雙(shuang)鈍體結構(gou)具有🙇‍♀️常定(ding)的👣斯特勞(lao)哈爾數。用(yong)50mm口徑渦街(jie)流量計 進(jin)行的試驗(yan)證明，雙鈍(dun)體組合在(zai)一定的條(tiao)件下能獲(huo)🏃得理想的(de)✉️旋渦重疊(die)，從而增強(qiang)流體的振(zhen)動。在鈍體(ti)的軸對💁稱(cheng)點上，還❄️觀(guan)察到強度(du)和頻率相(xiang)同，相位相(xiang)差180°的🆚流體(ti)振動點，利(li)🏃🏻用優化⁉️的(de)雙鈍體結(jie)構和差動(dong)傳感技術(shu)，研制出小(xiao)流量靈敏(min)度和抗幹(gan)擾性能☁️很(hen)好的新型(xing)旋渦流量(liang)計。
0前言
　　斯(si)特勞哈爾(er)和馮·卡門(men)對鈍體繞(rao)流所做的(de)開拓性研(yan)究揭示了(le)旋渦脫離(li)的基本特(te)征和規律(lü)，即:當流💔體(ti)流經鈍體(ti)時🈲，尾流中(zhong)将🔞形成旋(xuan)渦流型，旋(xuan)渦從鈍體(ti)兩側交替(ti)地脫離，并(bing)在---個較👅寬(kuan)的雷諾數(shu)範圍内👄，有(you)常定的量(liang)綱一的脫(tuo)落頻率😘，即(ji)斯特勞哈(ha)爾爲常🚩數(shu)。這表明旋(xuan)渦脫落的(de)頻率與平(ping)均流速成(cheng)正比。
Roshkol21的研(yan)究給出了(le)更爲明确(que)的結果，即(ji)在雷諾數(shu)處于300<Re<2X105的範(fan)圍内🧑🏽‍🤝‍🧑🏻時，斯(si)特勞哈爾(er)數保持在(zai)0.2左右，他還(hai)首次提出(chu)了利用斯(si)特勞哈爾(er)數的常定(ding)範圍來制(zhi)造流量計(ji)的設想。20世(shi)紀70年代初(chu)，商品化的(de)渦街流量(liang)計在🔅日本(ben)出現。近30年(nian)的工業應(ying)用證明了(le)渦街流量(liang)計在💃穩定(ding)流體計量(liang)中的可靠(kao)🏒性和精确(que)性，它的主(zhu)要優點還(hai)包括精度(du)高、線性度(du)好、介質适(shi)應性寬和(he)性能可靠(kao)(無運⭐動部(bu)件)3]。然而，渦(wo)街流量計(ji)存在的流(liu)量下限高(gao)和抗幹擾(rao)性能差等(deng)問題，使它(ta)喪🌈失💋了許(xu)多潛在的(de)應用領域(yu)，如:量大面(mian)廣的天然(ran)氣商業計(ji)量以💃及流(liu)速和壓力(li)不穩定的(de)測量系統(tong)。
爲了将渦(wo)街流量計(ji)應用于不(bu)穩定流體(ti)的計量，本(ben)文利用鈍(dun)🔅體組合強(qiang)化旋渦脫(tuo)落誘發流(liu)體振動的(de)理論研究(jiu)基礎上，設(she)計出雙鈍(dun)體渦街流(liu)量計 試驗(yan)樣機:通過(guo)試驗獲得(de)了雙鈍體(ti)的最優組(zu)合結構及(ji)參數;分析(xi)了鈍體組(zu)合對斯特(te)勞哈爾數(shu)的影💰響;同(tong)時在後鈍(dun)體的軸對(dui)稱點上，還(hai)觀察到強(qiang)度和🍉頻率(lü)相同，相位(wei)相差180°的流(liu)體振動點(dian)，這⁉️些研究(jiu)結果爲研(yan)制具有良(liang)好抗幹擾(rao)性能和小(xiao)流量靈敏(min)度的📐雙鈍(dun)體差動💯式(shi)渦街流量(liang)📱計提供了(le)依據。
1雙鈍(dun)體渦街流(liu)量計的原(yuan)理
雙鈍體(ti)渦街流量(liang)計的基本(ben)設計思路(lu)是利用前(qian)鈍體和後(hou)鈍體引發(fa)的旋渦脫(tuo)離現象，通(tong)過試驗獲(huo)得使旋渦(wo)在後鈍📱體(ti)周圍實現(xian)同相位疊(die)加的最佳(jia)鈍體組合(he)，使流體🐅振(zhen)動得❤️到加(jia)強，降低計(ji)量的下限(xian)，同👨‍❤️‍👨時利用(yong)鈍體兩側(ce)的流體振(zhen)動具有180°相(xiang)位差的特(te)點📱，用差動(dong)式傳感器(qi)抑制共模(mo)幹擾信号(hao)的方法，提(ti)高㊙️流量計(ji)的抗幹擾(rao)性能，圖1所(suo)示爲雙鈍(dun)體渦街⭐流(liu)量計的原(yuan)理🌈。
 
2試驗裝(zhuang)置
圖2所示(shi)爲試驗裝(zhuang)置及測試(shi)系統原理(li)。
 
試驗裝置(zhi)爲氣體流(liu)量試驗系(xi)統，它由5個(ge)部分組成(cheng)。I一流場波(bo)動模拟裝(zhuang)置，用于實(shi)驗室條件(jian)下模拟流(liu)場波動;II一(yi)✂️試驗🛀🏻表體(ti);II一标準流(liu)量校正裝(zhuang)置，本試驗(yan)台采用🈲臨(lin)界流文丘(qiu)利噴嘴流(liu)量計作爲(wei)校準其他(ta)儀表的基(ji)準;IV一負壓(ya)⭕産生裝置(zhi)，本試驗台(tai)通過真空(kong)🔞泵産生負(fu)壓，使試驗(yan)台的入口(kou)和出口之(zhi)間産生一(yi)✏️個壓差，這(zhe)樣✂️就形成(cheng)一個小型(xing)風洞。真空(kong)泵電動機(ji)額定功率(lü)爲11kW,額定轉(zhuan)速爲1450r/min;V一計(ji)算機測試(shi)系統，主要(yao)由電荷放(fang)大器、DAC-TRON公司(si)💔Photo便攜式動(dong)态信号✏️分(fen)☂️析儀(該分(fen)析儀的主(zhu)要特性和(he)性能指标(biao)♻️:4個輸入通(tong)道，一個輸(shu)出通道;120MHzTMS320VC33DSP，21kHz處(chu)理率;32位浮(fu)點DSP;ICP傳㊙️感器(qi)供電;USB接口(kou)，支持熱插(cha)拔;質量小(xiao)于200g，抗振動(dong)外殼)及計(ji)算機所組(zu)成。
試驗台(tai)的臨界流(liu)文丘利噴(pen)嘴測定裝(zhuang)置由5個标(biao)準的💋不同(tong)噴嘴流:量(liang)計組成，通(tong)過不同的(de)組合方式(shi)可得到5.5--220.5m³/h之(zhi)間的流✉️量(liang)。試驗的管(guan)道内徑50mm。
3試(shi)驗結果
試(shi)驗分爲兩(liang)個部分，1一(yi)雙鈍體組(zu)合渦街振(zhen)動頻率試(shi)🐉驗;2一雙鈍(dun)體組合方(fang)式對渦街(jie)強度的影(ying)響。試驗傳(chuan)感器如圖(tu)1所示對⛹🏻‍♀️稱(cheng)于後鈍體(ti)安裝。試驗(yan)表體直徑(jing)爲50mm。
 
典型的(de)渦街脈動(dong)信号如圖(tu)3所示。從信(xin)号的時域(yu)信号可以(yi)⭕看出。對稱(cheng)于後鈍體(ti)兩側渦街(jie)的脈動是(shi)反👅相的🔞，并(bing)有明顯的(de)周期性，其(qi)功率譜的(de)頻率分布(bu)很廣并有(you)🏃‍♂️一個明顯(xian)的峰值，該(gai)峰值處頻(pin)💋率和時域(yu)信号的主(zhu)波動是頻(pin)率是相同(tong)的🤩。定義功(gong)率譜中該(gai)峰✏️值處的(de)頻率爲渦(wo)街的主⛱️頻(pin)。下面所讨(tao)論的渦街(jie)頻♉率指的(de)就是渦街(jie)的主頻。
3.1雙(shuang)鈍體組合(he)渦街振動(dong)頻率試驗(yan)研究
對于(yu)單鈍體渦(wo)街，在臨界(jie)雷諾數之(zhi)上斯特勞(lao)哈爾數♋是(shi)🍓恒🌈定🌈的，這(zhe)是單鈍體(ti)渦街流量(liang)計的測量(liang)基礎。雙鈍(dun)體渦街是(shi)否存在同(tong)樣的規律(lü)是雙鈍體(ti)渦街流量(liang)計的關鍵(jian)。本部分的(de)試驗研究(jiu)是爲尋找(zhao)當旋渦發(fa)生體😍是兩(liang)個三🚩角形(xing)時渦街的(de)斯特🐉勞哈(ha)爾數是否(fou)發生變化(hua)。本部分的(de)另一個目(mu)的🏃🏻‍♂️是研究(jiu)鈍體😍的平(ping)行組合對(dui)渦街斯特(te)勞哈爾數(shu)的影響。
試(shi)驗所用雙(shuang)鈍體組合(he)圖1所示，圖(tu)中的前後(hou).鈍體的互(hu)相💋平行的(de)，鈍體的組(zu)合方式是(shi)指兩個鈍(dun)體之間😍的(de)距🔞離不同(tong)情況的組(zu)合。
試驗的(de)設計是對(dui)相同的鈍(dun)體組合在(zai)不同的流(liu)量情況下(xia)進行試驗(yan)。以得到不(bu)同組合下(xia)不同流量(liang)的測量數(shu)據。試驗🛀的(de)采✊用數據(ju)如表所示(shi)。
流量的選(xuan)取不少于(yu)5個點，并通(tong)過流量不(bu)完全相同(tong)的選🚶‍♀️取來(lai)🌂達到覆蓋(gai)較多流量(liang)範圍的目(mu)的。圖4a爲試(shi)♻️驗所得的(de)🔞各組♍雙鈍(dun)體和單鈍(dun)體斯特勞(lao)哈爾數;圖(tu)4b是流量和(he)渦街🈲頻率(lü)的關系曲(qu)線:圖4c爲👣各(ge)組雙鈍體(ti)和單鈍體(ti)斯特勞哈(ha)爾數标準(zhun)🔞偏差曲線(xian)🔞。
從圖4a和圖(tu)4b中可以得(de)出如下結(jie)論。
雙鈍體(ti)的斯特勞(lao)哈爾數比(bi)單鈍體斯(si)特勞哈爾(er)數大，不同(tong)組合雙鈍(dun)體的斯特(te)勞哈爾數(shu)是不相同(tong).的。不同🐇的(de)雙鈍體組(zu)合的斯特(te)勞哈爾數(shu)的波動不(bu)相💘
同的，其(qi)斯特勞哈(ha)爾數的标(biao)準偏差如(ru)圖4c所示。從(cong)圖💃4c中可以(yi)♻️知道，雙鈍(dun)體的斯特(te)勞哈爾數(shu)波動是比(bi)較大的，在(zai)L=50~46mm之☁️間偏差(cha)與單鈍體(ti)偏差相當(dang)。
由4b圖，該曲(qu)線的線性(xing)度與斯特(te)勞哈爾數(shu)标準偏差(cha)相❄️對應，當(dang)L=50~46mm時☀️雙鈍體(ti)流量--頻率(lü)曲線的線(xian)性度較好(hao)。
綜上所述(shu)，對于雙鈍(dun)體渦街流(liu)量計從測(ce)量的線性(xing)範圍角度(du)考慮應選(xuan)擇L=50~46mm之間的(de)組合方式(shi)。
 
3.2雙鈍體組(zu)合方式對(dui)渦街強度(du)的影響
上(shang)面得出雙(shuang)鈍體流量(liang)計最佳線(xian)性範圍條(tiao)件。流量🔞計(ji)的另-一個(ge)重要的問(wen)題是渦街(jie)強度，其直(zhi)接影響測(ce):量信号💃🏻的(de)信噪比。其(qi)對☔降低量(liang)程下限有(you)重要的意(yi)義。
爲研究(jiu)雙鈍體組(zu)合對渦街(jie)強度的影(ying)響。設計了(le)如下試驗(yan)🚩。試驗裝置(zhi)如圖1所示(shi);通過改變(bian)距離L對鈍(dun)體進行組(zu)合并對該(gai)組🧑🏾‍🤝‍🧑🏼鈍體在(zai)不同流量(liang)下進行試(shi)驗。試驗所(suo)使用的⛱️流(liu)量是220.5m3/h,178.3m'/h,111.7m3/h,66.6m3/h等4組(zu)。使用的鈍(dun)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(he)。
進行強度(du)比較之前(qian)，需要對渦(wo)街的信号(hao)特點進行(hang)分析并定(ding)出可以度(du)量強度的(de)量。如圖3渦(wo)街信号是(shi)周期性的(de)✂️但其波動(dong)❌的幅值不(bu)等，故渦街(jie)的強度需(xu)要從統計(ji).上進行比(bi)較☎️。試驗中(zhong)制定的🛀🏻渦(wo)街強度的(de)統計量爲(wei).
 
這裏`y表示(shi)的是脈動(dong)壓力信号(hao)平均的波(bo)動幅值，通(tong)過換算可(ke)得到渦街(jie)的平均脈(mo)動強度。以(yi)後的所有(you)👅有關強度(du)比較都是(shi)❄️以`y爲🤩的度(du)量。
圖5a是試(shi)驗得到渦(wo)街的程度(du)在不同組(zu)合在不同(tong)流量下‼️的(de)比🈲較✊曲線(xian)，圖上的P0是(shi)通過`y換算(suan)而.來的，可(ke)以認爲是(shi)渦街的平(ping)均脈動強(qiang)度。
圖5b是不(bu)同流量下(xia)的渦街平(ping)均脈動強(qiang)度最大的(de)放大倍數(shu)，這🐅時定義(yi)
 
從不同組(zu)合在不同(tong)流量渦街(jie)強度比較(jiao)曲線可以(yi)得到以下(xia)結論:
雙鈍(dun)體對渦街(jie)的強度有(you)加強的作(zuo)用。在不同(tong)的流量下(xia)雙🐇鈍體對(dui)渦街的加(jia)強程度是(shi)不一樣的(de)如圖6a所示(shi)。從qv---β可以知(zhi)道在☂️不同(tong)流量下渦(wo)街平均強(qiang)度最大的(de)放大倍數(shu)是不相同(tong)的，β在qv=130m3/h時達(da)到最大。
P0随(sui)L非線性變(bian)化，在L=45~54mm之間(jian)P0梯度很小(xiao)，即在該區(qu)域内L的變(bian)化對渦街(jie)強度的影(ying)響不顯著(zhe)。
渦街的強(qiang)度有一個(ge)峰值區域(yu)。當偏離這(zhe)個區域後(hou)渦街的強(qiang)度😄發生明(ming)顯的衰減(jian)。該峰值區(qu)域與較小(xiao)🌍P0梯度區域(yu)重合。
相同(tong)流量下，雙(shuang)鈍體渦街(jie)強度始終(zhong)比單鈍體(ti)渦街大。在(zai)流✍️量不變(bian)情況下，當(dang)雙鈍體渦(wo)街強度接(jie)近單鈍體(ti)渦街強度(du)時，微🔞小的(de)L變化會導(dao)緻雙鈍體(ti)卡門渦街(jie)現象的消(xiao)失，即存在(zai)一個産生(sheng)雙鈍體卡(ka)門渦街的(de)臨界距離(li)Le，且Le與流量(liang)有關❓，在Le處(chu)雙鈍🍓體渦(wo)街強度和(he)單鈍體渦(wo)街強度相(xiang)等。當L<Le該流(liu)量下雙鈍(dun)體卡]渦街(jie)現象将🤩消(xiao)失。但Le是否(fou)與尺度相(xiang)關需要進(jin)一-步的研(yan)究。同樣随(sui)L不✨斷增長(zhang)是否也存(cun)在一個臨(lin)界距離也(ye)需要進一(yi)步研究。
 
4結(jie)論
通過上(shang)述的試驗(yan)研究，可以(yi)得出以下(xia)的結論:用(yong)雙鈍❗體誘(you)發卡門渦(wo)街可以增(zeng)強渦街的(de)脈動平均(jun)強📧度，有利(li)于提高測(ce)量的信噪(zao)比，降低渦(wo)街流量計(ji)的♉測量下(xia)限。最大強(qiang)度鈍體的(de)組合L=45~-54mm。
通過(guo)适當的選(xuan)擇鈍體的(de)組合，雙鈍(dun)體渦街流(liu)量計的精(jing)度和💜單💚鈍(dun)體渦街流(liu)量計是相(xiang)當的。最佳(jia)線性❌度鈍(dun)體組合爲(wei)L=46~50mm。
綜上述，通(tong)過兩個三(san)角型鈍體(ti)組合可以(yi)得到與單(dan)鈍體渦街(jie)💋流🌂量計測(ce)量精度相(xiang)當但信号(hao)信噪比高(gao)、測量下限(xian)🤩較低的雙(shuang)鈍體🏃‍♀️渦街(jie)流量計。雙(shuang)鈍體的最(zui)佳組合🏃‍♀️方(fang)法是L=45~50mm之間(jian)。

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