摘要:F雙鈍(dùn)體旋渦脫(tuo)離的流體(tǐ)動力學特(te)性以及利(li)用雙鈍體(tǐ)增強流體(ti)振動的最(zuì)佳組合結(jié)構。給出了(le)多種鈍體(tǐ)⭐組合🙇‍♀️結構(gòu)的斯特勞(láo)哈爾數的(de)試驗結果(guo)，表明雙鈍(dùn)體結構具(jù)有常定的(de)斯特勞哈(hā)爾數。用50mm口(kǒu)徑渦街流(liu)量計 進行(hang)的試驗證(zhèng)明，雙鈍體(ti)組合在一(yī)定的條件(jiàn)下能獲得(dé)理想的旋(xuán)渦重疊，從(cong)而增強流(liú)體的振動(dong)。在鈍🚶體的(de)🥵軸對稱點(diǎn)上，還🐆觀察(cha)到強度和(he)頻率相同(tong)，相位㊙️相差(chà)180°的流體振(zhen)動點，利😘用(yong)優化的雙(shuang)鈍體結構(gou)和差動傳(chuan)感技術，研(yán)制出小流(liu)量靈敏度(du)和抗幹擾(rǎo)性能🏃‍♀️很好(hǎo)的新型旋(xuan)渦流量計(ji)。
0前言
　　斯特(tè)勞哈爾和(he)馮·卡門對(dui)鈍體繞流(liú)所做的開(kāi)拓性研究(jiū)揭示了旋(xuán)渦脫離的(de)基本特征(zheng)和規律，即(ji):當流體流(liú)經鈍體時(shi)，尾流中将(jiang)形成旋渦(wo)流型，旋渦(wo)從鈍體兩(liang)側交替地(dì)脫離，并㊙️在(zài)---個較寬的(de)雷諾數範(fan)圍内，有常(cháng)定的🔞量綱(gāng)一的脫落(luò)頻率，即斯(sī)特勞哈爾(er)爲常數。這(zhe)表明旋渦(wō)脫落的頻(pin)💃🏻率與平均(jun1)流👉速成正(zhèng)比。
Roshkol21的研究(jiū)給出了更(geng)爲明确的(de)結果，即在(zai)雷諾數處(chù)于300<Re<2X105的範圍(wéi)内時👌，斯特(te)勞哈爾數(shù)保持在0.2左(zuǒ)右，他還首(shou)次提出了(le)利用斯特(te)勞哈爾🌐數(shu)的常定範(fàn)圍來制造(zào)流🥰量計的(de)設想。20世紀(ji)70年代🥰初，商(shang)品化的渦(wo)👨‍❤️‍👨街流量計(jì)在日本出(chu)現。近30年的(de)工⛷️業應用(yong)證明了渦(wo)街流量計(ji)在穩定流(liu)體計量中(zhong)的可靠🥰性(xìng)和精确性(xing)，它的主要(yao)優點還包(bāo)括精度高(gao)、線性度好(hao)、介❤️質适應(ying)性寬和♊性(xìng)能可靠(無(wú)運🌐動部件(jiàn))3]。然而，渦街(jie)流量計存(cun)在的流量(liàng)下💯限高和(he)抗幹擾性(xing)能差等問(wen)題，使它喪(sàng)失了許多(duō)潛在的應(yīng)用領域，如(rú):量大面廣(guang)的天然氣(qi)商業計量(liang)以☂️及流速(su)和壓力不(bú)穩定的🐉測(cè)量系統。
爲(wèi)了将渦街(jiē)流量計應(yīng)用于不穩(wen)定流體的(de)計量，本文(wen)利用⛱️鈍體(ti)組合強化(hua)旋渦脫落(luo)誘發流體(ti)振動的🔞理(lǐ)論研究基(jī)礎🏒上，設計(jì)出雙鈍體(ti)渦街流量(liàng)計 試驗樣(yang)機:通過試(shi)驗獲得了(le)雙鈍體的(de)最優組合(hé)結構及參(cān)數;分🚶析了(le)鈍體組合(hé)對斯特勞(lao)哈爾數的(de)影響;同時(shi)在後鈍體(ti)的軸對稱(chēng)點上，還觀(guān)察到強度(du)和頻率相(xiàng)同，相位💃🏻相(xiang)差180°的❗流體(ti)振🔞動點，這(zhe)😄些研究結(jié)果爲研制(zhì)具🈲有良好(hǎo)抗幹擾性(xìng)能和小流(liú)量🏃靈敏度(du)的🧑🏾‍🤝‍🧑🏼雙鈍體(tǐ)差動🏃🏻‍♂️式渦(wō)街流量♌計(jì)提供了依(yī)據。
1雙鈍體(tǐ)渦街流量(liang)計的原理(lǐ)
雙鈍體渦(wō)街流量計(ji)的基本設(she)計思路是(shì)利用前鈍(dun)體和📐後✏️鈍(dun)體引發的(de)旋渦脫離(lí)現象，通過(guò)試驗獲得(de)使旋渦在(zai)後鈍體周(zhou)🔞圍實現同(tóng)相位疊加(jiā)的最佳鈍(dùn)體組合✂️，使(shǐ)流體振動(dong)得到加強(qiáng)，降低計🌈量(liang)的下限，同(tóng)時利用鈍(dùn)體兩側的(de)流體振動(dong)具有180°相位(wei)差的特點(diǎn)，用差動式(shi)傳感器抑(yì)制共模幹(gan)擾信号💞的(de)方法，提高(gao)流量計的(de)抗幹擾性(xing)能，圖1所示(shì)爲雙鈍體(tǐ)渦街流量(liàng)計的原理(li)♈。
 
2試驗裝置(zhì)
圖2所示爲(wèi)試驗裝置(zhi)及測試系(xi)統原理。
 
試(shì)驗裝置爲(wei)氣體流量(liàng)試驗系統(tong)，它由5個部(bu)分組成☂️。I一(yī)流🌈場🚩波動(dòng)模拟裝置(zhì)，用于實驗(yan)室條件下(xia)模拟流場(chang)波動;II一試(shi)驗表體;II一(yi)标準流量(liang)校正裝置(zhì)，本試驗台(tai)采用臨界(jiè)流文丘利(li)噴嘴流量(liang)計作爲校(xiào)準其他儀(yí)表的基準(zhun);IV一負壓産(chǎn)生裝置，本(běn)試驗台通(tong)過真空⭐泵(beng)産生負壓(yā)，使試驗台(tai)的🈲入口和(hé)出口之間(jiān)産生一個(gè)壓差，這樣(yang)就形成一(yī)個小型風(fēng)洞。真空泵(beng)電動機額(e)定功率爲(wèi)11kW,額定轉速(sù)爲1450r/min;V一計算(suàn)機🐪測試系(xì)統，主要🐕由(you)電荷放大(dà)器、DAC-TRON公司🔞Photo便(biàn)攜式動态(tai)信号分析(xī)儀(該分㊙️析(xi)儀的主要(yao)特性和性(xìng)能指标:4個(gè)輸入通道(dao)，一個輸🏃‍♀️出(chu)通道;120MHzTMS320VC33DSP，21kHz處理(li)率;32位🏃‍♂️浮點(diǎn)DSP;ICP傳感器供(gong)電;USB接口，支(zhī)持熱插✉️拔(bá);質量小于(yú)200g，抗振動外(wai)殼)及計算(suàn)機所組成(chéng)。
試驗台的(de)臨界流文(wen)丘利噴嘴(zuǐ)測定裝置(zhì)由5個标準(zhun)的不同噴(pēn)🐪嘴流:量計(ji)組成，通過(guo)不同的組(zǔ)合方式可(ke)得到5.5--220.5m³/h之間(jiān)的流👌量。試(shì)驗的管道(dào)内徑50mm。
3試驗(yan)結果
試驗(yàn)分爲兩個(ge)部分，1一雙(shuāng)鈍體組合(hé)渦街振動(dòng)頻率試驗(yàn);2一雙鈍體(tǐ)組合方式(shi)對渦街強(qiang)度的影響(xiǎng)。試驗傳感(gǎn)器如圖1所(suǒ)示對稱于(yú)後鈍體安(ān)裝。試驗表(biao)體直徑爲(wèi)50mm。
 
典型的渦(wo)街脈動信(xìn)号如圖3所(suo)示。從信号(hào)的時域信(xìn)🏃🏻号可以看(kàn)出。對稱于(yu)後鈍體兩(liǎng)側渦街的(de)脈動是反(fǎn)相的，并有(yǒu)明顯的周(zhou)✂️期性，其功(gōng)率譜的頻(pín)率分布很(hen)廣并有一(yi)個明顯的(de)峰值，該峰(fēng)🐅值處頻💁率(lü)和時域信(xin)号的主波(bo)動是頻率(lǜ)是相同的(de)。定義功率(lǜ)譜中該峰(fēng)值處的頻(pin)率爲渦街(jie)的主頻。下(xià)面所讨論(lùn)的渦街頻(pin)♉率指的就(jiù)是渦街的(de)主頻。
3.1雙鈍(dùn)體組合渦(wo)街振動頻(pin)率試驗研(yan)究
對于單(dān)鈍體渦街(jie)，在臨界雷(léi)諾數之上(shàng)斯特勞哈(ha)爾🎯數✍️是恒(heng)⚽定的，這是(shì)單鈍體渦(wo)街流量計(ji)的測量基(ji)礎。雙鈍體(ti)渦👣街是否(fǒu)存在同樣(yàng)的規律是(shì)雙鈍體渦(wō)街流量計(jì)的關鍵。本(ben)部分的試(shi)驗研究是(shì)爲尋找當(dāng)旋渦發生(shēng)體是兩個(ge)三‼️角形時(shi)渦街的斯(si)特勞哈爾(ěr)數是否發(fa)生變⛱️化。本(běn)部分的另(lìng)一個目的(de)是研究鈍(dùn)體的平行(hang)組合對🙇🏻渦(wō)街斯特勞(láo)哈爾數的(de)影響。
試驗(yan)所用雙鈍(dùn)體組合圖(tu)1所示，圖中(zhōng)的前後.鈍(dùn)體的🈚互相(xiang)平行的，鈍(dùn)體的組合(hé)方式是指(zhǐ)兩個鈍體(ti)之間的距(jù)離不同情(qing)💞況的組合(he)。
試驗的設(she)計是對相(xiàng)同的鈍體(tǐ)組合在不(bu)同的流量(liang)情況下進(jìn)行試驗。以(yǐ)得到不同(tong)組合下不(bú)同流量的(de)測量數據(jù)。試驗的采(cǎi)用數據如(ru)表所示。
流(liu)量的選取(qǔ)不少于5個(gè)點，并通過(guò)流量不完(wán)全相同的(de)選🚶取來達(da)到覆蓋較(jiào)多流量範(fàn)圍的目的(de)。圖4a爲試💋驗(yan)所得的各(ge)組雙鈍🌈體(ti)和🌍單鈍體(ti)斯特勞哈(hā)爾數;圖4b是(shì)流量和渦(wo)街頻率的(de)💔關系曲線(xian):圖4c爲各組(zǔ)雙鈍體和(he)單鈍體斯(si)特勞哈爾(er)數标準✍️偏(piān)差曲線。
從(cong)圖4a和圖4b中(zhōng)可以得出(chū)如下結論(lun)。
雙鈍體的(de)斯特勞哈(hā)爾數比單(dān)鈍體斯特(te)勞哈爾數(shù)大，不❌同組(zu)合雙鈍體(ti)的斯特勞(láo)哈爾數是(shì)不相同.的(de)🚩。不同的雙(shuāng)鈍體㊙️組合(hé)的斯特勞(lao)哈爾數的(de)波動不相(xiang)
同的，其斯(sī)特勞哈爾(er)數的标準(zhun)偏差如圖(tú)4c所示。從圖(tu)4c中可以知(zhi)☀️道🛀，雙鈍體(ti)的斯特勞(lao)哈爾數波(bo)動是比較(jiào)大的，在L=50~46mm之(zhi)間偏差與(yǔ)單鈍體偏(pian)差相當。
由(yóu)4b圖，該曲線(xiàn)的線性度(dù)與斯特勞(láo)哈爾數标(biao)準偏差相(xiang)對應🌏，當L=50~46mm時(shi)雙鈍體流(liú)量--頻率曲(qǔ)線的線性(xìng)度較好📱。
綜(zōng)上所述，對(dui)于雙鈍體(ti)渦街流量(liang)計從測量(liàng)的線性㊙️範(fan)圍角度考(kǎo)慮應選擇(zé)L=50~46mm之間的組(zǔ)合方式。
 
3.2雙(shuāng)鈍體組合(hé)方式對渦(wo)街強度的(de)影響
上面(miàn)得出雙鈍(dùn)體流量計(jì)最佳線性(xing)範圍條件(jian)。流量計的(de)另-一個🤟重(zhong)要的問題(tí)是渦街強(qiang)度，其直接(jiē)影響測:量(liang)信号的信(xin)噪比。其對(dui)降低量程(chéng)下限有重(zhòng)要的意義(yi)。
爲研究雙(shuāng)鈍體組合(hé)對渦街強(qiáng)度的影響(xiang)。設計了如(rú)下試驗。試(shì)驗裝置如(ru)圖1所示;通(tong)過改變距(jù)離L對鈍體(tǐ)進行組合(hé)并對該組(zǔ)鈍體在不(bú)同流量下(xia)進行試驗(yan)。試驗所使(shi)用的流量(liàng)是220.5m3/h,178.3m'/h,111.7m3/h,66.6m3/h等4組。使(shi)用的鈍體(tǐ)組合有L=60mm,55mm，54mm，51mm，49mm,47mm,45mm,43mm,41mm,39mm,37mm,35mm，33mm,32mm，29mm等(děng)15個組合。
進(jin)行強度比(bǐ)較之前，需(xu)要對渦街(jie)的信号特(tè)點進行分(fèn)析并定出(chu)可以度量(liàng)強度的量(liàng)。如圖3渦街(jiē)信号是周(zhou)期性的但(dan)其❤️波動的(de)幅值不等(děng)，故渦街的(de)強度需要(yào)從統計.上(shang)進行比較(jiào)。試驗中制(zhì)定的渦街(jie)強度的統(tǒng)計量爲💞.
 
這(zhe)裏`y表示的(de)是脈動壓(yā)力信号平(ping)均的波動(dong)幅值，通過(guò)換算可得(dé)到渦街的(de)平均脈動(dong)強度。以後(hòu)的所有有(you)關強度比(bi)較都是以(yi)`y爲的度量(liang)。
圖5a是試驗(yan)得到渦街(jiē)的程度在(zai)不同組合(hé)在不同流(liú)量🤩下的🈲比(bi)💁較曲線，圖(tu)上的P0是通(tong)過`y換算而(ér).來的，可以(yǐ)認爲是渦(wō)街的平均(jun1)脈動強度(du)。
圖5b是不同(tong)流量下的(de)渦街平均(jun)脈動強度(du)最大的放(fang)📧大✔️倍數，這(zhè)㊙️時定義
 
從(cong)不同組合(hé)在不同流(liu)量渦街強(qiáng)度比較曲(qu)線可以得(de)到以下結(jié)論:
雙鈍體(ti)對渦街的(de)強度有加(jiā)強的作用(yong)。在不同的(de)流量下雙(shuang)鈍體🈲對渦(wō)街的加強(qiang)程度是不(bu)一樣的如(ru)圖6a所示。從(cóng)qv---β可以知道(dao)在不同流(liu)量下渦街(jie)平均強度(dù)最大的放(fàng)大倍數是(shì)不相同的(de)，β在qv=130m3/h時達到(dào)最大。
P0随L非(fei)線性變化(huà)，在L=45~54mm之間P0梯(tī)度很小，即(jí)在該區域(yù)内L的變化(huà)對渦街強(qiáng)度的影響(xiǎng)不顯著。
渦(wo)街的強度(dù)有一個峰(fēng)值區域。當(dang)偏離這個(ge)區域後渦(wō)🈲街的強度(dù)發生明顯(xiǎn)的衰減。該(gāi)峰值區域(yu)與較小P0梯(ti)度區域📞重(zhòng)合。
相同流(liú)量下，雙鈍(dun)體渦街強(qiáng)度始終比(bǐ)單鈍體渦(wo)街大。在流(liu)量不變情(qíng)況下，當雙(shuang)鈍體渦街(jiē)強度接近(jin)單鈍體渦(wō)街強度時(shi)，微👌小的L變(bian)化會導緻(zhi)雙鈍體卡(ka)門渦街現(xian)象的消失(shi)，即存在一(yī)個産生雙(shuang)鈍體卡門(men)渦街的臨(lín)界距離Le，且(qie)Le與流量有(yǒu)關㊙️，在Le處雙(shuang)鈍體渦街(jiē)強🔱度和單(dān)鈍體渦街(jie)強度相等(děng)。當L<Le該流量(liàng)🌈下雙鈍體(ti)卡🙇🏻]渦街現(xian)象将消失(shī)。但Le是否與(yǔ)尺度相關(guan)需要進一(yi)-步的研究(jiu)。同樣随L不(bu)斷增長是(shì)否也存在(zai)一個臨界(jie)距🏃🏻‍♂️離♉也需(xū)要進一步(bù)研究。
 
4結論(lun)
通過上述(shu)的試驗研(yán)究，可以得(de)出以下的(de)結論:用雙(shuang)鈍體誘發(fā)💘卡門渦街(jie)可以增強(qiang)渦街的脈(mò)動平均強(qiang)度，有利于(yu)提高測量(liàng)的信噪比(bi)，降低渦街(jiē)流量計的(de)👅測量下限(xian)。最大強度(du)鈍體的組(zu)🧑🏾‍🤝‍🧑🏼合L=45~-54mm。
通過适(shi)當的選擇(zé)鈍體的組(zu)合，雙鈍體(ti)渦街流量(liang)計💃🏻的精🈲度(dù)☁️和單鈍體(ti)渦街流量(liàng)計是相當(dang)的。最佳線(xian)性度鈍體(ti)組合爲L=46~50mm。
綜(zong)上述，通過(guo)兩個三角(jiǎo)型鈍體組(zǔ)合可以得(dé)到與單🔴鈍(dùn)體渦街流(liu)量計測量(liàng)精度相當(dāng)但信号信(xin)噪比高、測(ce)量下限㊙️較(jiào)低的雙鈍(dun)體渦街流(liú)量計。雙鈍(dùn)體的最佳(jia)組合方法(fa)是L=45~50mm之間。

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