摘(zhai)要：蒸汽(qi)流量量(liang)值體系(xi)的溯源(yuan)是保證(zheng)蒸汽流(liu)量🐇測🌏量(liang)準确的(de)關鍵。基(ji)于流體(ti)力學、熱(re)力學以(yi)及渦街(jie)流量🙇🏻計(ji)旋渦的(de)産生機(ji)理，分析(xi)不同介(jie)質對渦(wo)街流量(liang)計的計(ji)量特性(xing)的影響(xiang)，介質粘(zhan)度的不(bu)同導緻(zhi)了三種(zhong)介質測(ce)試下雷(lei)🐉諾數的(de)不同，影(ying)響到斯(si)特勞哈(ha)數差異(yi)。但對渦(wo)街流量(liang)計的儀(yi)表系數(shu)影響不(bu)大，可忽(hu)略其影(ying)響。介質(zhi)粘度的(de)不同會(hui)導緻流(liu)量範圍(wei)的☂️不同(tong)。該分析(xi)将有利(li)于提高(gao)渦街流(liu)量計測(ce)量蒸汽(qi)流✍️量的(de)計量精(jing)度。
1 蒸汽(qi)介質的(de)影響因(yin)素
　　所謂(wei)渦街流(liu)量計(亦(yi)稱旋渦(wo)流量計(ji))，其工作(zuo)機理是(shi)“卡門渦(wo)街”，是一(yi)類流體(ti)振蕩式(shi)的測量(liang)儀器。“卡(ka)門渦街(jie)”的原理(li)是：待測(ce)管道流(liu)體中放(fang)進一根(gen)(或數根(gen))非✂️流線(xian)型截面(mian)的旋渦(wo)發生體(ti)，等到雷(lei)諾數到(dao)達特定(ding)數值，在(zai)旋渦發(fa)生體兩(liang)側分離(li)出兩串(chuan)交錯有(you)序的旋(xuan)渦，此過(guo)程具有(you)交替性(xing)，我們将(jiang)這種旋(xuan)渦叫作(zuo)卡🏃‍♂️門渦(wo)街[3]。在特(te)定雷諾(nuo)數範圍(wei)之間，旋(xuan)渦的分(fen)離頻率(lü)✨同旋渦(wo)發生體(ti)與👌管道(dao)的幾何(he)尺寸息(xi)息相關(guan)。數據表(biao)明，旋渦(wo)的分離(li)頻率同(tong)流量存(cun)在正相(xiang)關性，此(ci)頻率可(ke)通過✏️傳(chuan)感器獲(huo)得。以上(shang)渦街流(liu)量計與(yu)卡門渦(wo)街的關(guan)系可從(cong)圖1看出(chu)，二者有(you)如下邏(luo)輯關系(xi)：

式中：
f 爲(wei)旋渦分(fen)離頻率(lü)，Hz ；
Sr爲斯特(te)勞哈爾(er)數；
U1爲旋(xuan)渦發生(sheng)體兩側(ce)的平均(jun)流速，m/s ；
d爲(wei)旋渦發(fa)生體迎(ying)流面的(de)寬度，m；
U爲(wei)被測介(jie)質來流(liu)的平均(jun)流速，m/s ；
m爲(wei)旋渦發(fa)生體兩(liang)側弓形(xing)面積與(yu)管道橫(heng)截面面(mian)積🌐之比(bi)。不可壓(ya)💯縮流體(ti)中，由于(yu)流體密(mi)度?不變(bian)，由連續(xu)性方程(cheng)可得到(dao)：m=U/U1 。

式中(zhong)：
K爲渦街(jie)流量計(ji)的儀表(biao)系數，1 /m3。
　　通(tong)過式（3）不(bu)難看出(chu)，儀表系(xi)數K是渦(wo)街流量(liang)計的計(ji)量特性(xing)的定量(liang)表征，數(shu)據表明(ming)，其儀表(biao)系數隻(zhi)和其機(ji)械結構(gou)與斯特(te)勞哈爾(er)數有關(guan)，同來流(liu)流量并(bing)無相關(guan)性。
蒸汽(qi)對渦街(jie)流量計(ji)計量特(te)性存在(zai)較大影(ying)響。可總(zong)結🈲爲三(san)個方面(mian)：
第一，從(cong)公式（3）中(zhong)能夠得(de)出，機械(xie)結構尺(chi)寸D、m、d 以及(ji)斯特🐅勞(lao)哈爾數(shu)Sr這些參(can)數與K值(zhi)大小存(cun)在較大(da)關聯性(xing)。基于物(wu)理原理(li)研究發(fa)現，在流(liu)體介質(zhi)條件存(cun)在差異(yi)情況下(xia)🏃‍♀️，機械結(jie)構尺寸(cun)的改變(bian)一般是(shi)與溫度(du)的改變(bian)引發的(de)熱脹冷(leng)縮效應(ying)息息相(xiang)關。
第二(er)，雷諾數(shu)對斯特(te)勞哈爾(er)數Sr産生(sheng)較大影(ying)響，前者(zhe)🥵又與粘(zhan)度密切(qie)相關，而(er)粘度的(de)差異性(xing)又取決(jue)于流✏️體(ti)的差異(yi)，既而🌈引(yin)發🈚斯特(te)勞哈爾(er)數Sr的區(qu)别。
第三(san)，公式（3）的(de)推導過(guo)程是以(yi)不可壓(ya)縮流體(ti)爲前提(ti)🌈的，當換(huan)⁉️作氣體(ti)介質時(shi)，由于可(ke)壓縮性(xing)的區别(bie)或許會(hui)引發儀(yi)表系數(shu)産生誤(wu)差。以上(shang)三個因(yin)素對于(yu)渦💔街流(liu)量計的(de)影📱響将(jiang)在下一(yi)節進一(yi)步探讨(tao)。
2 蒸汽介(jie)質斯特(te)勞哈爾(er)數的影(ying)響
　　嚴格(ge)而言，斯(si)特勞哈(ha)爾數是(shi)一種相(xiang)似準則(ze)，是在讨(tao)論流體(ti)力學中(zhong)物理相(xiang)似和模(mo)化是引(yin)入的概(gai)念[4]。其是(shi)用來表(biao)征旋渦(wo)頻率和(he)阻流體(ti)特征尺(chi)寸、流速(su)關系的(de)。在特定(ding)雷🏃🏻諾數(shu)區間中(zhong)，旋渦的(de)分離頻(pin)率和旋(xuan)渦發生(sheng)體與管(guan)道的☔幾(ji)何尺寸(cun)密切相(xiang)關，換言(yan)之斯特(te)勞哈數(shu)可視爲(wei)定量。由(you)圖2可看(kan)出，在🤟Re D=2×104 7×106區(qu)間内，斯(si)特勞哈(ha)數是定(ding)值，此也(ye)是儀表(biao)的正常(chang)工作區(qu)間。
　　現實(shi)情形下(xia)，Sr即便在(zai)Re D=2×104 7×106區間内(nei)，也與Re D的(de)改變發(fa)生變化(hua)，參照🔱1989年(nian)⛹🏻‍♀️日🈲本🔆制(zhi)訂的渦(wo)街流量(liang)計工業(ye)标準JISZ8766《渦(wo)街流量(liang)計——流量(liang)測量🏒方(fang)法》。2002年加(jia)以修訂(ding)，把渦街(jie)流量計(ji)發生體(ti)的固定(ding)形式歸(gui)爲兩種(zhong)，《标準》規(gui)定的旋(xuan)渦設計(ji)，發生體(ti)依據插(cha)入測量(liang)管頂端(duan)固定與(yu)否🔞區别(bie)爲标準(zhun)1型與标(biao)準2型，它(ta)們的Sr值(zhi)存在較(jiao)小區别(bie)，詳見表(biao)1數據。


　　标(biao)準2型Sr的(de)平均值(zhi)是0.25033，它的(de)标準偏(pian)差是0.12%；而(er)标準1型(xing)爲0.3%，現✌️階(jie)段我國(guo)一般廣(guang)泛采用(yong)标準1型(xing)。而标準(zhun)2型在日(ri)本橫河(he)儀表研(yan)制的🐪渦(wo)街流量(liang)計普遍(bian)采用。
　　通(tong)過雷諾(nuo)數的推(tui)導公式(shi)不難得(de)出，檢測(ce)時，蒸汽(qi)和💞空氣(qi)因爲✂️粘(zhan)度的區(qu)别，會引(yin)發雷諾(nuo)數存在(zai)差異。參(can)照一般(ban)實🏒驗情(qing)況下三(san)類流體(ti)介質的(de)工況差(cha)異，它們(men)的運動(dong)粘度詳(xiang)見表❄️2：

式(shi)中：
ρ表征(zheng)介質密(mi)度；
D 表征(zheng)管徑；
u 表(biao)征流速(su)；η表征介(jie)質動力(li)粘度；
v 表(biao)征介質(zhi)運動粘(zhan)度。

　　通過(guo)以上各(ge)參數數(shu)據不難(nan)發現，水(shui)的運動(dong)粘度最(zui)低，空🐉氣(qi)最高，蒸(zheng)汽介于(yu)二者之(zhi)間。三者(zhe)比例是(shi)1：15：4。所以若(ruo)使雷諾(nuo)數一緻(zhi)，應使水(shui)的流速(su)最小，空(kong)氣最大(da)，蒸汽在(zai)區間取(qu)值。在對(dui)儀表的(de)系數進(jin)行檢定(ding)過程中(zhong)，通常應(ying)考慮雷(lei)諾數一(yi)緻時，真(zhen)實測量(liang)過程中(zhong)的差異(yi)性誤差(cha)。尤其在(zai)蒸汽的(de)測量時(shi)，儀表量(liang)程的選(xuan)型是參(can)照在空(kong)氣介質(zhi)下測量(liang)獲得的(de)體積流(liu)量🌈區間(jian)與蒸汽(qi)的密度(du)乘積，推(tui)導出蒸(zheng)汽的體(ti)積流量(liang)區間☔。這(zhe)🧡種算法(fa)會引發(fa)差⚽異性(xing)介質下(xia)雷諾數(shu)的區間(jian)差異。細(xi)緻分析(xi)上表可(ke)得出，隻(zhi)要雷諾(nuo)數在既(ji)定範圍(wei)🤩内，檢定(ding)過程中(zhong)并不會(hui)由于介(jie)質的不(bu)同造成(cheng)較大的(de)誤差，這(zhe)個影響(xiang)可不考(kao)慮🛀。但雷(lei)諾數不(bu)可超出(chu)規定區(qu)間，否則(ze)會引發(fa)Sr的較大(da)差異🌈，造(zao)成誤差(cha)。
　　通過表(biao)3不難發(fa)現，要得(de)出渦街(jie)流量計(ji)基于最(zui)低流量(liang)的限雷(lei)📱諾數，口(kou)徑一緻(zhi)情況下(xia)三類介(jie)質的最(zui)小流速(su)應滿足(zu)1.0：4.0：15.0的大緻(zhi)比例。所(suo)以不可(ke)以将空(kong)氣介質(zhi)下的體(ti)積流量(liang)區間等(deng)同于蒸(zheng)👉汽介質(zhi)下的數(shu)值。
3 蒸汽(qi)介質物(wu)理特性(xing)影響分(fen)析
　　物理(li)學家範(fan)德瓦爾(er)斯特實(shi)驗室中(zhong)，發現了(le)水蒸氣(qi)🎯的🤩物理(li)性🐕質，得(de)出氣體(ti)分子間(jian)有着一(yi)定作用(yong)力，繼💚而(er)推導出(chu)氣體的(de)狀态方(fang)程以輔(fu)助理論(lun)驗證，這(zhe)就🚩是著(zhe)名的範(fan)德瓦爾(er)斯特氣(qi)體狀态(tai)方程[5]。進(jin)一步研(yan)究發現(xian)，水蒸汽(qi)的分子(zi)的體積(ji)和相互(hu)的作用(yong)力比較(jiao)大，無法(fa)以理想(xiang)的氣體(ti)狀态方(fang)程加以(yi)表征。參(can)照🏃🏻範德(de)瓦爾斯(si)特公式(shi)（5）的計算(suan)過程：

式(shi)中：?
p爲壓(ya)強；
V爲1摩(mo)爾氣體(ti)的體積(ji)；
R爲普适(shi)氣體常(chang)數；
a爲度(du)量分子(zi)間引力(li)的參數(shu)；
b爲1摩爾(er)分子本(ben)身包含(han)的體積(ji)之和。
　　以(yi)上公式(shi)（5）中因子(zi)a和b的值(zhi)因氣體(ti)的性質(zhi)不同而(er)存在差(cha)異，一🐉般(ban)地，氣體(ti)的分子(zi)間引力(li)參數a與(yu)b分子體(ti)積 表述(shu)如表3所(suo)🏃‍♀️示。

　　氣體(ti)分子間(jian)的吸引(yin)力與間(jian)距存在(zai)負相關(guan)性，也就(jiu)是密⛱️度(du)的概念(nian)。把此理(li)論使用(yong)在渦街(jie)流量計(ji)的測❗量(liang)過🌈程中(zhong)，通過表(biao)中的數(shu)💜據不難(nan)發現，水(shui)蒸汽分(fen)子間的(de)吸☁️引力(li)a的數值(zhi)較大，相(xiang)當♍于氧(yang)氣🐇與氮(dan)氣的4倍(bei)多。所以(yi)，在測量(liang)實際氣(qi)體時，基(ji)于同等(deng)壓力條(tiao)件，水✍️的(de)分子間(jian)的吸引(yin)力的數(shu)值較蒸(zheng)汽與空(kong)氣大得(de)多‼️，而蒸(zheng)汽又顯(xian)著📐大于(yu)空氣。用(yong)渦🌍街流(liu)量計進(jin)行🌍測量(liang)時，發生(sheng)體兩側(ce)的位置(zhi)因爲流(liu)速加大(da)，引起靜(jing)壓力☀️減(jian)小，體積(ji)擴張，流(liu)體👅密度(du)随之減(jian)小，而水(shui)介質由(you)于分子(zi)間作用(yong)力大，并(bing)無明顯(xian)膨脹情(qing)況。蒸汽(qi)的分子(zi)間的吸(xi)引力比(bi)空氣大(da)，所以前(qian)者膨脹(zhang)性更低(di)，密度🤩變(bian)化也更(geng)小📐。參考(kao)流量的(de)☎️連續性(xing)方程得(de)出，因爲(wei)空氣密(mi)度變化(hua)更大，所(suo)以它的(de)發生體(ti)兩側的(de)流量變(bian)化較蒸(zheng)汽❄️介質(zhi)更大，所(suo)以它的(de)儀表系(xi)🌂數⛹🏻‍♀️比蒸(zheng)汽介質(zhi)變化更(geng)顯著。

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