摘(zhai)要:針對渦街(jie)式流速傳感(gǎn)器中電信号(hao)微弱并且提(tí)取特征渦街(jie)信号困難，基(jī)于壓電方程(chéng)和湍流N-S方程(chéng)，建立了流-固(gu)-電耦合仿真(zhen)計算模型,構(gòu)建了流速測(ce)量的新方法(fa)。通過理論分(fèn)析和風洞💚實(shí)驗，獲得了圓(yuan)柱繞流體直(zhi)徑(D)、空🛀🏻氣流速(su)(v)與壓電傳感(gan)距離()以及功(gōng)率(P)之間的影(ying)響規律。仿真(zhen)計算和實驗(yan)結果表明:通(tōng)過提取頻域(yu)曲線中渦激(ji)頻率下的功(gong)率作爲渦街(jiē)的傳感強度(du),有助于感㊙️知(zhi)微弱的空氣(qì)流速信号,同(tóng)時解決噪聲(sheng)等電路上的(de)幹擾影響。其(qí)次,D增加，最優(yōu)傳感距🧡離(Losr)增(zēng)加;D不變時，功(gōng)率(Posr)随流速增(zēng)大而提高♊,且(qiě)Losr不變;通過分(fèn)析得出了采(cǎi)集信号在Losr下(xia)最優的本質(zhi)原因一在該(gai)處，渦街成熟(shu)且脫落穩定(ding)、升力系數🛀(CL)穩(wen)定。最後,該壓(yā)電裝置測量(liang)的💘最低流速(sù)爲0.3m/s.
　　渦激振動(dòng)(VIV)是一種典型(xíng)的流緻振動(dòng)(FIV)。結構的非流(liu)線‼️型會導緻(zhi)其❗在流體的(de)作用力下産(chǎn)生周期性旋(xuan)渦❌脫落🌐,使結(jié)構受到與流(liú)向㊙️垂直的周(zhou)期性氣動力(lì),進✌️而激發結(jie)構的橫向振(zhen)動川由🛀🏻于流(liu)體流速與旋(xuan)渦脫落頻率(lü)有對應關系(xi)，因此常制作(zuo)成多😍種空氣(qi)流速傳感器(qì),例如,基于上(shang)述渦街振動(dòng)原理研制的(de)渦街流量計(jì) ，工業級的渦(wō)街流量計主(zhǔ)要易受環境(jing)噪聲的幹擾(rao),導緻其對🔴低(dī)速不敏感。同(tong)時,空氣流速(sù)傳感器廣泛(fàn)應用于畜禽(qín)舍環境🍓控制(zhi),風能采集,流(liu)量檢測,氣象(xiàng)監控,等領域(yu)[2-4]。例如,在畜禽(qin)環境💛監測領(ling)域,通風時流(liu)速太快引❗起(qi)畜禽強烈的(de)應激反應或(huò)因局部溫度(du)驟降導緻畜(chù)🌈禽強感冒，或(huò)造成畜禽的(de)生産性能、免(mian)🙇🏻疫能力、生長(zhǎng)速度等下降(jiàng)'因此,對畜禽(qín)舍通風裝置(zhì)的流速檢測(cè)尤其重要。傳(chuan).統FIV傳感器多(duō)采用機械轉(zhuan)動🙇‍♀️結構,其結(jié)構複雜,對加(jia)工精度和機(jī)械穩定性都(dōu)有較高的📱要(yào)求7。而近.年來(lái)利用壓電材(cái)料作傳🔞感元(yuan)👈件研制的FIV傳(chuan)感器，其不需(xu)要轉動部件(jian),且😍叮與微機(ji)電系統(MEMS)集成(cheng),因此易于微(wei)型☀️化。
　　目前,VIV傳(chuan)感器主要采(cǎi)用兩種壓電(dian)材料作爲傳(chuan)感元件:锆钛(tai)🏃‍♂️酸㊙️鉛🌈壓電陶(táo)瓷(PZT)和聚偏二(er)氟乙烯(PVDF)。PVDF薄膜(mo)由于🔞其高柔(rou)性的特點,适(shì)用于交變載(zǎi)荷的感知121。然(ran)而,壓💔電式流(liú)渦激振動(PVIV)流(liu)速傳感器還(hai)有許多不完(wan)善的地方。特(tè)别是檢測低(dī)流場流速時(shí)(流速低😄于2m/s),渦(wō)街壓🈲電信号(hào)微弱㊙️,同時測(ce)量現場的噪(zao)聲十擾相對(duì)較強,造成渦(wō)街特征信号(hào)提取的困難(nán)。比如測量過(guò)程中，壓電元(yuan)件自身受流(liú)場擾🈲動産生(shēng)的🐉信号、風洞(dòng)系統産☁️生的(de)噪聲信号等(děng),會把渦街特(tè)征信号淹沒(mei)。針對這一問(wen)題,許多學者(zhe)對PVIV流速傳🥵感(gǎn)器展開了全(quan)面的研究,如(ru)繞流體的形(xíng)狀和排布、電(diàn)路檢測方式(shì)以及信号提(ti)取方法17-19,提高(gāo)了空氣流速(sù)測量精度和(he)範圍。
　　PVIV流速傳(chuan)感器的結構(gou)采用圓形或(huo)梯形旋渦繞(rao)流體和PZT或PVDF薄(báo)膜🆚爲傳感元(yuán)件組成。研究(jiū)發現,改變繞(rào)流體⛱️直徑會(huì)導緻繞流與(yǔ)🔱傳感器元件(jiàn)之間的距離(li)不同。這表明(ming),漩渦測量位(wei)置和繞流🔴體(ti)直徑将影響(xiǎng)PVIV檢測🚶精度。針(zhēn)對上述問題(ti),提出了一種(zhǒng)基于PVIV流速傳(chuan)感裝置。該裝(zhuāng)置由圓柱繞(rao)流體和PVDF壓電(dian)懸臂梁組成(chéng)。利用💃數值模(mo)拟方🐕法研究(jiū)渦街流場特(tè)性,分析傳感(gan)器結🏃構參數(shu)對渦街響應(ying)信号檢測的(de)影響規律。采(cǎi)用通過提取(qu)頻域曲線中(zhōng)渦激頻率下(xia)的功率作爲(wèi)渦街的傳感(gan)強度,增強了(le)感🐆知微弱💔的(de)流速響應信(xin)号,月能夠解(jiě)決噪聲等電(dian)路上的幹擾(rao)影響,擴大了(le)對低😘流速的(de)檢測能力。爲(wèi)高靈❗敏☔.快響(xiang)應的空氣流(liu)速傳📐感器件(jiàn)的設計及測(ce)量提供新的(de)探測方法。
1壓(yā)電渦激振動(dong)流速傳感裝(zhuang)置
1.1傳感結構(gou)
　　本文PVIV流速傳(chuán)感裝置的結(jie)構如圖1所示(shì)。該結構由圓(yuán)柱繞流體🤞和(he)PVDF壓電懸臂梁(liáng)構成,其.中懸(xuan)臂梁由表面(mian)塗有銀電🔱極(ji)層的PVDF薄膜組(zu)成;同時,靠近(jìn)圓柱繞流體(tǐ)🛀🏻一側的PVDF壓電(diàn)懸臂梁端部(bu)固支。圓柱繞(rao)流體直徑D=7mm,圓(yuán)⁉️柱體中心距(ju)PVDF壓電懸臂梁(liang)固支端距離(li)爲L,人射流速(su)爲v,其方向垂(chuí)直于圓柱體(ti)表面。仿真計(jì)算時,D值的範(fàn)圍爲30mm~70mm,u值範圍(wéi)💔爲☂️0.3m/s~2.5m/s,L值的範圍(wéi)爲50mm~170mm。爲了簡化(huà)計算和控制(zhi)多餘變量,PVDF壓(yā)電懸臂梁高(gao)度h設定爲🌏30mm。當(dang)外界來流作(zuo)🎯用時,PVDF壓電懸(xuan)臂梁結構産(chan)生振蕩,根據(ju)🤩壓電效應,壓(ya)電層的變🔴形(xíng)使其衣面♍聚(ju)集電荷,形成(cheng)響應電壓。
 
1.2流(liú)-固-電耦合模(mo)型
　　由于氣流(liu)經圓柱體産(chan)生渦旋後,後(hòu)方的氣流流(liú)動基☀️本處🔴于(yu)湍流狀态,流(liu)場的分布複(fú)雜,因此,結合(he)計算流體力(lì)🔞學(CFD)以及壓電(diàn)效應進行數(shù)值模拟,分析(xī)繞流體直徑(jìng)、與壓電傳感(gǎn)距離對低空(kōng)氣📱流速檢測(cè)的🥰影響規律(lǜ)。
1.2.1理論模型
　　壓(ya)電傳感結構(gòu)感知流體流(liu)動是--個多物(wù)理場耦合的(de)複雜過程,主(zhǔ)要包括流場(chang)、力場.和電場(chǎng)的綜合作用(yong)。流場産生的(de)壓強‼️轉化爲(wei)壓力作用在(zai)懸臂梁表面(mian)産生結構變(bian)💋形并引起其(qi)壓電層變形(xing),根據壓電效(xiào)應産生電荷(hé),計算🈲模型中(zhong)通過機電耦(ou)合方式将🔅産(chan)生的電荷全(quan)部聚集在懸(xuán)臂梁表面,最(zuì)終轉化爲✔️瞬(shùn)态電壓。變形(xíng)體形狀的改(gǎi)變💛将改變流(liú)場,其中的流(liú)固耦合面可(ke)由振動和🆚流(liú)場控制方程(chéng)水描述,當流(liú)場流速小于(yu)0.3馬赫，流場被(bei)認爲是不可(ke)壓縮，這種不(bú)可壓縮的牛(niu)頓流體介質(zhi)可🌈由連續性(xing)方程(1)和N-S(Navier-Stokes)方程(cheng)(2)描述，方程如(rú)下所示:
 
 
1.2.2仿真(zhēn)計算
　　将上述(shu)PVIV流速傳感器(qì)簡化爲一個(gè)二維物理模(mó)型,如❗圖2所示(shi),其中💋.D爲圓柱(zhù)型渦流發生(sheng)休直徑,計算(suàn)域爲25Dx5D的矩形(xing),壓電懸臂梁(liáng)位于❓圓柱的(de)中軸線上.左(zuo)端固支。模型(xing)中,範圍在0.3m/s~2.5m/s,D範(fàn)圍在30mm~70mm,即雷🤟諾(nuo)數在500~9800之間。選(xuǎn)取空氣域材(cái)料💯參數,采用(yong)SIMPLE求解器,進行(hang)瞬态分析,計(ji)算材🍓料參數(shù)如表1所示。采(cǎi)用二角形非(fei)結構化的網(wǎng)格劃分,在圓(yuán)柱和PVDF壓電梁(liáng)的核心區域(yu)網格分布較(jiao)密集。
 
2風洞試(shi)驗
　　試驗在低(di)速風洞進行(hang),測試平台如(rú)圖3所示。采集(jí)的壓電信号(hao)通過電荷放(fàng)大器與NI數據(ju)采集卡相連(lián),運♻️用LabVIEW對信号(hao)進行ADC數模轉(zhuǎn)換、濾波,頻譜(pǔ)分析(FFT變換);通(tong)過激光位移(yi)傳感器采集(jí)渦激振動時(shi)壓電梁末端(duān)的y向位移。最(zuì)終在計算機(ji)中顯示PVDF壓電(diàn)梁振動的時(shi)域🌈曲線和頻(pín)譜曲線。重點(diǎn)探尋壓電傳(chuan)感😄距離在不(bú)同☂️圓柱繞流(liu)體直徑尺寸(cùn)和流速變化(hua)的條件下對(duì)流🐅場感知特(te)性的影響規(guī)律。試驗條件(jian)如表2所示。實(shí)驗中,由50nmmn到170mm,間(jian)隔10mm依次測量(liang)不同距離下(xia)的渦街響應(yīng)信号。
 
 
3計算與(yu)測試結果分(fen)析
　　通過卡門(mén)渦街理論,獲(huò)得了渦街産(chan)生的流速條(tiáo)件和㊙️圓柱繞(rào)流體直徑範(fan)圍
 
　　式中:μ爲空(kong)氣動力學粘(zhan)度,St爲斯特勞(láo)哈爾數,ƒ爲渦(wo)街脫落頻率(lü)。當雷諾數在(zài)的範圍内，渦(wo)流會以一個(gè)相✔️對穩定的(de)頻率周期性(xìng)脫落,根據流(liu)速條件和圓(yuan)柱百徑範👨‍❤️‍👨圍(wei),可得📧出在該(gāi)條件下❗的雷(léi)諾數範圍爲(wei)500~9800,滿足産生渦(wō)🏃🏻‍♂️街脫落的條(tiao)件。
　　圖4爲流速(sù)爲2m/s,圓柱直徑(jìng)爲30mm下,産生渦(wō)街脫落的特(tè)性。由圖叮知(zhī),渦街的交替(tì)脫落需要經(jing)曆一個生長(zhang)、成💛熟.衰退的(de)過程。PVDF壓電懸(xuán)臂梁因此生(sheng)信号的傳感(gǎn)強度與傳感(gǎn)距離🏒有關,由(you)此驗證了木(mù)文利用渦街(jie)傳感的合理(li)性。
 
　　圖5展示了(le)升/阻力系數(shù)與傳感距離(lí)和雷諾數的(de)關系🆚，文中🌂PVDF壓(yā)電懸臂梁左(zuo)端固支,自由(yóu)端在渦流中(zhōng)受🐅到旋渦激(ji)💃振力🥵的作用(yong)而産生y方向(xiàng)的周期性振(zhen)蕩👈。圖5(a)爲Re=838,L=50mm時的(de)流場升/阻力(lì)曲線,由圖可(ke)知，在計算時(shi)間約3s~5s流場基(ji)本穩定。圖🌈5(b)升(sheng)力系數與雷(léi)諾數Re,1.之間的(de)仿真關系。可(ke)知🈚随Re增大,流(liu)場湍流強度(dù)增強,此時壓(yā)電♻️懸臂梁表(biao)面所⛹🏻‍♀️受的壓(yā)力增加，升力(lì)增大,在L=50mm時,幅(fú)值🆚達1.1。值得關(guān)⭐注的是，在相(xiang)同雷諾數下(xià)🌍,随傳感距離(li)的增🐆大,升力(lì)系數随之下(xia)降,升力場呈(chéng)現衰減的現(xiàn)象。其中,在L=50mm,即(ji)♍樂電懸臂梁(liang)與圓柱繞流(liú)體之間距離(li)最🙇‍♀️近時,其升(sheng)力系數最高(gao),反映流場波(bo)動最劇烈,其(qí)原因是懸臂(bì)梁的位置在(zai)渦💰街生長區(qū)，因此壓電懸(xuán)臂🈲梁靠近圓(yuán)柱體區城出(chu)現渦旋回流(liu),造成的壓力(lì)對壓電懸臂(bi)梁的受力和(he)振動産生增(zēng)強🆚的作用。此(ci)外,1.=50mm~70mm範圍内,升(shēng)力系數曲線(xian)整體下降不(bu)☀️明顯;L=70mm-110mm範圍内(nèi),升力系數曲(qu)線出現交叉(chā)的現象,說明(ming)該區域流場(chǎng)波動變化相(xiàng)似🌈,此時PVDF壓電(dian)懸臂梁的位(wèi)置往往是滿(man)街⛷️成熟區,适(shì)于形成穩定(ding)的滿街;L=110mm~130mm範圍(wei)内,共升力系(xi)數曲線整體(ti)下降明顯,場(chang)流動性大幅(fú)下降,此時雷(lei)諾數爲600,其升(sheng)刀系數下降(jiàng)至0.3,此時懸臂(bi)梁的位置往(wang)往是渦街衰(shuāi)退區。
 
　　圖6展示(shi)了在流速爲(wèi)2m/s,圓柱直徑爲(wei)30mm條件下,傳感(gan)器件位移響(xiang)應特性。由圖(tu)可知,流場作(zuo)用3s後,懸臂梁(liang)産生的y方向(xiàng)振蕩逐漸穩(wen)定,該結果驗(yàn)證了圖5(a)中流(liú)場升/阻力與(yǔ)時間的關系(xi)。受渦街作用(yong),懸臂梁自由(yóu)端部産生的(de)y向🔅位移最大(dà);對比圖5中🌈計(ji)算位移♉曲線(xian)和通過激光(guāng)位移傳感器(qi)測得的實驗(yan)位移曲線發(fa)現,實際測量(liang)的振蕩曲線(xiàn)的幅值略小(xiǎo)于計算幅值(zhí),同時前者的(de)震蕩頻率(13.8Hz)略(lue)小于後者産(chan)生的震蕩頻(pín)率(14.0Hz),原因在于(yu)計算設置的(de)阻尼比與實(shi)際值有誤差(cha)，然而由于誤(wu)差較小，實際(ji)測♻️量的震蕩(dàng)曲線與計算(suàn)♍的到的大緻(zhì)--緻,因此證實(shi)本文中流固(gù)耦合計✊算的(de)正确率。
 
　　圖7給(gěi)出了圓柱繞(rào)流體直徑爲(wei)30mm時,人射流速(sù)與PVDF懸臂梁⛱️感(gǎn)知渦街🌈頻率(lǜ)之間的關系(xì)。主要對比卡(ka)門渦街理論(lun)值,仿真計算(suàn)值與實驗值(zhí)。如圖可知,計(jì)算值相比理(li)論☔值,其與實(shí)驗值更爲接(jiē)近,其更加正(zheng)确的反映實(shi)際情況下的(de)渦激振動時(shi)産生的渦街(jie)現象,進--步說(shuo)明本文👈仿真(zhēn)計算的合理(lǐ)。其中,流速爲(wèi)1m/s時的實驗與(yu)計算時域♋曲(qǔ)線(圖7(b)和7(c))可知(zhi)🙇‍♀️,仿真計算下(xia)的👉PVDF壓電懸臂(bì)梁産生的電(dian)壓響應😍信号(hao)穩定🎯,在渦街(jiē)穩定後其電(dian)壓幅值随時(shi)間幾乎恒定(dìng).這說明此時(shí)懸臂梁在y方(fang)向的振蕩幅(fu)值穩定;而對(dui)比圖7(b)可知,實(shí)際條件☔下采(cǎi)集的電壓時(shi)域曲線在幅(fu)值大小上⛷️随(sui)時間波動較(jiào)爲明顯👄,即周(zhou)期内的Ux-Ug值往(wang)往不穩定,在(zài)該曲線上會(huì)疊加包括電(diàn)路幹擾㊙️,工頻(pín)十擾,以及流(liu)場對壓電梁(liang)産生的x方向(xiàng)的振動影響(xiang)。在此情況下(xia),若根據🔴前人(rén)叫采用提取(qǔ)電壓的Ux-Ug值,0-Ug值(zhí)或U....的方法來(lái)表征壓🚶‍♀️電梁(liang)感知渦街的(de)特性往往并(bing)🐆不正确,而通(tōng)過提取功率(lü)的方法🆚更爲(wei)正确,因此本(běn)文采用通過(guò)提取頻域曲(qǔ)線中渦激頻(pín)率下的功率(lü)表征渦街的(de)傳感強度。此(ci)外,由圖7可知(zhī),仿真中，PVDF壓電(dian)懸臂梁🌏可檢(jiǎn)測的流速爲(wei)0.3m/s,此時該懸臂(bi)梁産生的振(zhèn)動約爲2.0Hz,該值(zhi)與理✍️論🛀🏻值及(ji)實驗值接近(jin)，進♉一步說明(ming)了本文仿真(zhēn)計算的合理(lǐ)。

 
　　圖8爲傳感強(qiáng)度(功率P)在不(bu)同傳感距離(lí)下的分布曲(qǔ)㊙️線🎯。給出了✨D=30mm,人(rén)射流速依次(ci)爲0.5m/s,1.0m/s,2.0m/s時的實驗(yàn)及計算結果(guǒ)。同時😘根據式(shi)(8),P值由對應時(shí)城曲線通過(guò)傅裏葉變換(huàn)(FFT)轉換而來。
 
　　圖(tú)8(a)可知,同一繞(rào)流體直徑下(xia),流速越大,其(qí)P随傳感位👄置(zhi)的變化規律(lü)基本一緻,即(jí)均在L爲90mm附近(jin)最大.反映✉️出(chu)在✏️相同區域(yu)PVDF壓電梁測量(liang)的信号強度(dù)達到最大:同(tóng)時反映,傳感(gan)距離(L.)與人射(she)流速大小無(wu)關,分析原⭐因(yīn).根據卡門渦(wō)街理論.認爲(wei)這是由于渦(wo)街交替脫落(luo)時旋渦方🏃🏻‍♂️向(xiàng)對壓電梁産(chan)生的影響，即(jí)旋渦y方向㊙️的(de)速度引起振(zhen)蕩作用(參考(kǎo)圖⭐9周期内的(de)y方向流場速(sù)度可知),與x方(fang)向,即人射流(liu)速方向無關(guān)。值得注意的(de)是,由圖8(b)~圖8(d)發(fā)現,在相同直(zhi)徑下,随流速(sù)增大,流場對(duì)壓電梁産生(sheng)的激頻成分(fèn)更爲複雜,這(zhè)與圖5(b)相符🈲,即(jí)随Re增大,流場(chang)湍流強度增(zeng)強,反映流場(chang)波動更加㊙️劇(jù)烈。但是對于(yu)産生渦街的(de)頻率穩定且(qie)與理論(式(10))一(yī)緻,進一步說(shuō)明了本文🔞采(cǎi)用功率來表(biǎo)征傳感強度(dù)的合理性。此(ci)外,觀測圖8(a)可(kě)知,L超過110mm時,P值(zhí)🌈均下降,分析(xī)原因,根據渦(wo)街理論,由于(yú)黏性的耗散(sàn).此時旋🏃‍♂️渦逐(zhu)漸衰退,所以(yi)的傳感位置(zhi)應在渦街的(de)成熟區附🥵近(jin)。
 
　　圖10爲傳感強(qiáng)度(P)在不同傳(chuán)感距離下的(de)分布曲線,展(zhǎn)示了💜低流速(sù)情況下，即ʋ=1m/s,繞(rào)流體直徑依(yi)次爲30mm,40mm,50mm時的實(shí)驗及計算結(jie)果。由圖10(a)可知(zhi),P随傳感距離(lí)L的分布規律(lü)有所不同。當(dang)D越大..，越大,即(jí)旋渦越遠離(lí)繞流體。例如(rú)☔當D=30mm時(.=90mm;當D=40mm時,L=110mm;當(dāng)D=50mm時,Lm=130mm。值得注意(yì)的是,由圖10(b)~圖(tu)10(d)發現,在相同(tóng)👨‍❤️‍👨ʋ下,随D值增大(da).流場對壓電(dian)🤟梁産生的激(jī)頻成分更少(shǎo)💃🏻,分析原因,可(ke)能是由于随(sui)着D值🔆增.大,在(zài)CCT兩側産生的(de)交替旋渦相(xiang)互之間的作(zuò)📞用減小，使得(de)流場的波動(dòng)減小所導緻(zhi)的。
 
　　圖11展示了(le)當r=0.5m/s,D=30mm時,--個振動(dòng)周期下渦街(jiē)壓強雲紋圖(tu)以及懸💯臂梁(liang)的變形情況(kuang)。可以直接看(kàn)出,懸臂梁在(zai)渦街中受到(dào)周期🔴下的漩(xuán)渦激振力而(er)産生振蕩現(xian)象㊙️。其中懸臂(bì)梁兩側的壓(ya)強差是導緻(zhì)懸臂梁的偏(piān)轉的直接原(yuan)🤩因,而壓強差(chà)是由于渦街(jiē)通過懸臂梁(liang)産生的。與此(cǐ)同時,壓強差(chà)産生了流場(chang)的升力.使得(de)懸臂梁得到(dào)了向上及向(xiang)下運動的加(jia)速度。不僅如(rú)此,懸臂梁自(zì)由端振😍幅随(suí)時間的增長(zhǎng)最快,達到最(zuì)大振幅時,振(zhèn)動速度最小(xiǎo)。此外,一個振(zhen)動周期内,懸(xuan)臂梁産生了(le)👅兩次振動方(fang)向的改👈變,使(shǐ)得懸臂梁周(zhōu)圍流場也發(fa)生了周期性(xìng)的改變，PVDF樂電(dian)懸臂梁與流(liu)場☎️的相互作(zuò)用形成了較(jiao)爲穩定的振(zhen)動規律,振動(dòng)周期保🐇持不(bu)變。
　　圖12爲傳感(gan)距離與流速(sù)及繞流體直(zhí)徑之間的計(ji)算⭐及實驗👌關(guan)🔴系。由圖12(a)可知(zhi)随D值增大逐(zhú)漸增加，且近(jin)似線性關系(xì)。同時,測量🙇🏻曲(qǔ)線與計算曲(qǔ)線--緻。分析原(yuan)因，根據圖4及(ji)式(10),最住傳感(gan)距離應該在(zai)旋渦的成熟(shu)區,D增大時,其(qí)兩側剪切層(ceng)之間距離變(biàn)大,其相互作(zuo)用變慢,使漩(xuan)渦的脫落頻(pin)率減小，使得(de)旋🌈渦産生位(wei)置✂️距繞流體(ti)越遠,即最住(zhu)檢測位置越(yuè)遠離圓柱🏃🏻繞(rào)流體。由圖12(a)進(jìn)🌈一-步可🤩知,與(yu)ʋ無🔞關,這與圖(tú)8(a)的分布曲線(xian)一緻。
 
　　圖13爲傳(chuan)感距離下的(de)P值(P..)與o,D之間的(de)計算及實驗(yàn)關系。由圖13(a)可(ke)知,P.随。增大而(ér)遞增,同時随(suí)D增大而遞增(zēng);同時，測量曲(qǔ)線與計算曲(qǔ)線保持-緻。分(fèn)析原内.根據(jù)式(9),由Re與txD成正(zhèng)比關系,Re增加(jia)，導㊙️緻其升力(li)系數增大,即(ji)反映☔流場波(bō)動越劇烈,此(cǐ)時結構表面(miàn)所受壓力增(zēng)加,導緻PVDF壓電(diàn)梁的振蕩幅(fú)值變大,産生(sheng)的壓電功率(lü)越高✊。其中圖(tú)13(b)顯示,當v=2.5m/s,D=70mm.,P..約爲(wèi)10x10*mW;當0=0.5m/s,D=30mm,P.約爲8x102mW。可推(tui)測,若流速和(he)☂️直徑同時分(fèn)别小于0.5m/s和30mm,産(chan)生的P..，将小于(yú)8x10*mW。然而如果用(yòng)時域🔆電壓的(de)Ua-U。值、0-U2值或U的方(fang)法來表征壓(ya)電梁感知渦(wō)街的特性往(wang)往會被噪聲(sheng)幹🈲擾,難以提(tí)取特征量。這(zhè)也進🐪一步證(zhèng)明了木文采(cǎi)用提取功率(lü)來表征渦街(jie)在傳🧑🏽‍🤝‍🧑🏻感距離(lí)上傳感強度(dù)的合🈚理性。
 
4結(jie)論
　　設計和研(yan)究了一種基(jī)于渦激振動(dong)的壓電傳感(gan)裝置。通過響(xiang)應信号分析(xī)了傳感距離(lí)和功率與繞(rào)流體直徑和(hé)流速的變化(huà)規律。建立了(le)流-固-電耦合(he)數💃值模型,構(gòu)建了流速測(cè)量的新方法(fa)。采用通過提(ti)取頻域曲線(xiàn)中渦激頻率(lǜ)下的功率作(zuo)爲渦街的傳(chuán)感強度。實驗(yàn)和仿真結果(guo)表明:增大繞(rào)流體直徑可(ke)以使傳感距(ju)離和功率線(xian)性增加;然而(ér),在傳感距離(li)不變的情況(kuang)下,增大流速(su)可☀️以提高功(gong)率。通過流場(chang)分析得出了(le)采集信号在(zai)Lm下最優的木(mù)質🔱原内爲:在(zai)該處,渦街成(chéng)熟且脫落穩(wěn)定,升力系數(shu)穩定。此外,風(fēng)洞實驗驗證(zheng)該基于渦激(jī)振動的柔性(xing)壓電懸臂梁(liáng)流速感知特(te)性。結果表明(ming):該🏃🏻‍♂️傳感器件(jian)能有效地測(ce)量低至0.3m/s流速(sù);當ʋ=2.5m/s,D=70mm,P...約爲10x10*mW;當ʋ=0.5m/s,D=30mm,P.約(yuē)爲8x102mW。該提取渦(wō)街信号的方(fang)法☔和規律可(kě)⭐以解決傳統(tong)的渦街信号(hào)微弱⛹🏻‍♀️以及低(di)流速難測:量(liang)的問題,擴大(dà)了該類流速(su)傳感器的應(yīng)用🌈範圍,快響(xiǎng)應的流速傳(chuan)感器件的設(she)計及測量提(tí)供了新🏒的探(tan)測✉️方法。

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