摘要:F雙鈍體(tǐ)旋渦脫離的流體(tǐ)動力學特性以及(jí)利用雙鈍體增強(qiang)流體振動的最佳(jia)組合結構。給出了(le)🧡多種鈍體組合結(jie)構的斯特勞哈爾(ěr)數的試驗結果，表(biao)明雙鈍體結構具(ju)有🌈常定的斯特勞(lao)✉️哈爾數。用50mm口徑渦(wo)街流量計 進行的(de)試驗證明，雙鈍體(tǐ)組合在一定的條(tiáo)件下能獲得理想(xiang)的旋渦重疊，從而(ér)增強流體的振動(dòng)。在鈍🆚體的軸對💃稱(chēng)點上，還💚觀察到強(qiang)度和頻率相同，相(xiang)位相差180°的流體振(zhèn)動點，利用優化♈的(de)雙鈍❗體結構和差(cha)動傳感技術，研制(zhi)出小流量靈🌍敏度(du)和抗幹擾性能很(hen)好的新型旋渦流(liu)量計。
0前言
　　斯特勞(lao)哈爾和馮·卡門對(dui)鈍體繞流所做的(de)開拓性📞研㊙️究揭示(shi)了旋渦脫離的基(ji)本特征和規律，即(ji):當流體流經鈍體(tǐ)時，尾流中将形成(cheng)旋渦流型，旋渦從(cong)鈍體兩側交替地(di)脫離，并🌍在---個較寬(kuan)的雷諾數範圍内(nei)，有常定的量綱一(yi)的脫落頻率，即斯(si)特勞❤️哈爾爲常♉數(shu)。這表明旋渦脫落(luo)的頻率與平均流(liú)速成正比。
Roshkol21的研究(jiū)給出了更爲明确(què)的結果，即在雷諾(nuo)數處于300<Re<2X105的範圍内(nèi)時，斯特勞哈爾數(shù)保持在0.2左右，他還(hai)首次提出了利用(yòng)斯特勞哈爾數的(de)常定範圍來制造(zào)流量計的設想。20世(shì)紀70年代初，商品化(hua)的渦☂️街流量計在(zài)日本出現🔱。近30年的(de)工業應用證明了(le)渦街流量計在穩(wen)定流體計量中的(de)可靠性和精确性(xìng)，它的主要優💁點還(hái)包括精度高、線性(xìng)度好、介質适應性(xing)寬和性能可靠(無(wu)運動部件🌈)3]。然而，渦(wō)街流量計👈存在的(de)流量下限高和抗(kang)幹擾性能💯差等問(wen)題，使它喪💔失了許(xu)多潛☔在的應用領(lǐng)域，如:量大面廣的(de)天然氣商業計⚽量(liang)以及流速和壓力(li)不☔穩定的測量系(xi)統。
爲了将渦街流(liú)量計應用于不穩(wěn)定流體的計量，本(ben)文利用鈍體組合(he)強化旋渦脫落誘(you)發流體振動的理(lǐ)論研究基礎上，設(she)🤞計出雙鈍體渦街(jie)流量計 試驗樣機(jī):通過試驗獲得了(le)雙鈍體的最優組(zu)合結構及參數;分(fèn)析了鈍體組合對(duì)斯特勞哈爾數的(de)影🔴響;同時在後鈍(dun)體的軸對稱點上(shàng)，還觀察到強度和(he)頻率相同，相位相(xiang)差180°的流體振動點(diǎn)，這些研究結果🐉爲(wèi)研制具有良好抗(kang)⭐幹擾性能和小流(liú)量靈敏度的雙鈍(dun)體差動式渦街流(liú)量計提供了依據(jù)。
1雙鈍體渦街流量(liang)計的原理
雙鈍體(ti)渦街流量計的基(ji)本設計思路是利(lì)用前鈍體和後鈍(dun)🌈體引發的旋渦脫(tuō)離現象，通過試驗(yàn)獲得使旋渦在後(hòu)鈍體周圍實現同(tong)相位疊加的最佳(jiā)鈍體組合，使流體(ti)振動得⁉️到加強，降(jiang)低計量的下限，同(tóng)時利用鈍體兩側(ce)的流體振動具有(yǒu)180°相位🈲差的特點，用(yòng)差動式傳感器抑(yì)制共模幹擾信号(hao)的方法，提高流量(liang)計的抗幹擾性能(néng)，圖1所示爲雙鈍體(tǐ)渦街流量計的原(yuan)理。
 
2試驗裝置
圖2所(suo)示爲試驗裝置及(jí)測試系統原理。
 
試(shì)驗裝置爲氣體流(liú)量試驗系統，它由(you)5個部分組成。I一👌流(liú)場波動模拟裝置(zhi)，用于實驗室條件(jiàn)下模拟流場波動(dong);II一試驗表體;II一标(biāo)準流量校正裝置(zhì)，本試驗台采用👄臨(lín)界流文丘利噴嘴(zui)流量計作爲校準(zhun)其他儀表的基準(zhǔn);IV一負壓産生裝置(zhi)，本試驗台通過真(zhēn)空泵産生負壓，使(shǐ)試驗台的入口和(he)出口⛷️之間産生一(yī)個壓差，這樣就🔞形(xing)成一個小型風洞(dòng)。真空泵電動機⭐額(e)定功率爲11kW,額定⛱️轉(zhuǎn)速爲1450r/min;V一計算機測(cè)試系統，主要由電(dian)荷放大器、DAC-TRON公司Photo便(biàn)攜式動态信号分(fen)🏃‍♀️析儀(該分👨‍❤️‍👨析儀的(de)主要特性和性能(neng)指标:4個輸入通道(dào)，一個輸出通道;120MHzTMS320VC33DSP，21kHz處(chu)理率;32位🚶‍♀️浮點DSP;ICP傳感(gǎn)器供電;USB接口👅，支持(chí)熱插拔;質量小于(yu)200g，抗振動外殼✔️)及計(ji)算機所組成。
試驗(yàn)台的臨界流文丘(qiū)利噴嘴測定裝置(zhì)由5個标準的不同(tong)噴嘴流:量計組成(cheng)，通過不同的組合(he)方式可得到🔆5.5--220.5m³/h之間(jiān)👣的流💘量。試驗的🍓管(guǎn)道内徑50mm。
3試驗結果(guo)
試驗分爲兩個部(bu)分，1一雙鈍體組合(he)渦街振動頻率🏃‍♂️試(shì)驗;2一💯雙鈍💯體組合(he)方式對渦街強度(dù)的影響。試驗🌈傳感(gǎn)器如圖1所示對稱(cheng)于後鈍體安裝。試(shi)驗表體直徑爲50mm。
 
典(diǎn)型的渦街脈動信(xìn)号如圖3所示。從信(xin)号的時域信号可(kě)以看出。對稱于後(hòu)鈍體兩側渦街的(de)脈動是反相的，并(bing)有明顯的周期性(xìng)，其功率譜的頻率(lǜ)分布很廣并有一(yī)個明顯的峰值，該(gāi)峰值處頻率和時(shi)域信号的主波動(dòng)是頻率是相同的(de)。定義功率😄譜中該(gāi)峰💜值處的頻率㊙️爲(wei)渦街的主⛹🏻‍♀️頻。下面(mian)所讨☁️論的渦街頻(pín)🌐率指的就是渦街(jie)的主頻。
3.1雙鈍體組(zǔ)合渦街振動頻率(lü)試驗研究
對于單(dān)鈍體渦街，在臨界(jie)雷諾數之上斯特(tè)勞哈爾數是恒定(dìng)的，這是單鈍體渦(wo)街流量計的測量(liàng)基礎。雙鈍體渦🏃街(jie)是💔否存在同樣的(de)規律是雙鈍體渦(wō)街♈流量計的關鍵(jiàn)。本部分的試驗🆚研(yán)究是爲尋找當旋(xuan)渦發生體是兩個(ge)三角形時渦街的(de)斯特勞哈爾數是(shi)否發生變化。本部(bu)分的😘另一個目的(de)是研究鈍體🧑🏾‍🤝‍🧑🏼的平(ping)行組合對渦街斯(si)特勞哈爾數的影(ying)響。
試驗所用雙鈍(dun)體組合圖1所示，圖(tu)中的前後.鈍體的(de)📞互相平行的⭕，鈍體(tǐ)的組合方式是指(zhi)兩個鈍體之間的(de)距離不同情況的(de)組合。
試驗的設計(jì)是對相同的鈍體(ti)組合在不同的流(liu)量情況下進行👨‍❤️‍👨試(shi)驗。以得到不同組(zǔ)合下不同流量的(de)測量數據🈲。試驗的(de)采用數據如表所(suǒ)示。
流量的選取不(bú)少于5個點，并通過(guò)流量不完全相同(tóng)的選取來達到覆(fu)蓋較多流量範圍(wei)的目的。圖4a爲試🏃🏻‍♂️驗(yan)所得的🔅各組雙鈍(dùn)體和單鈍體斯特(te)勞哈爾數;圖🚶‍♀️4b是流(liú)量和渦街頻率的(de)關系曲線:圖4c爲各(gè)組雙鈍體和單鈍(dùn)體斯特勞哈爾數(shu)标準偏差曲線⭐。
從(cóng)圖4a和圖4b中可以得(dé)出如下結論。
雙鈍(dùn)體的斯特勞哈爾(er)數比單鈍體斯特(tè)勞哈爾數大，不同(tong)組合雙鈍體的斯(sī)特勞哈爾數是不(bú)相同.的。不同的雙(shuāng)鈍體組合的斯特(te)勞哈爾數的波動(dòng)不相
同的，其斯特(tè)勞哈爾數的标準(zhǔn)偏差如圖4c所示。從(cóng)圖4c中📱可以知道，雙(shuāng)鈍體的斯特勞哈(hā)爾數波動是比較(jiào)大的，在L=50~46mm之間偏差(cha)與📱單鈍體偏差相(xiàng)當。
由4b圖，該曲線的(de)線性度與斯特勞(lao)哈爾數标準偏差(chà)相對✊應，當L=50~46mm時雙鈍(dùn)體流量--頻率曲線(xian)的線性度較好。
綜(zōng)上所述，對于雙鈍(dùn)體渦街流量計從(cong)測量的線性範圍(wéi)㊙️角度考慮應選擇(zé)L=50~46mm之間的組合方式(shi)。
 
3.2雙鈍體組合方式(shi)對渦街強度的影(yǐng)響
上面得出雙鈍(dùn)體流量計最佳線(xian)性範圍條件。流量(liang)計的另-一個重要(yào)的問題是渦街強(qiang)度，其直接影響🚩測(cè):量⚽信号的信噪比(bi)🤞。其對降低量程下(xia)限有重要的意義(yi)。
爲研究雙鈍體組(zu)合對渦街強度的(de)影響。設計了如💰下(xià)試驗。試驗裝置如(rú)圖1所示;通過改變(biàn)距離L對鈍體進行(háng)組合并對該組鈍(dun)體㊙️在不同流量下(xia)進行試驗。試驗所(suǒ)使用的流量是220.5m3/h,178.3m'/h,111.7m3/h,66.6m3/h等(děng)4組。使🙇‍♀️用的鈍體組(zu)合有L=60mm,55mm，54mm，51mm，49mm,47mm,45mm,43mm,41mm,39mm,37mm,35mm，33mm,32mm，29mm等15個組合。
進(jin)行強度比較之前(qián)，需要對渦街的信(xin)号特點進行分析(xī)并定出可以度量(liang)強度的量。如圖3渦(wō)街信号是周期性(xìng)的但其波動的幅(fú)值不等，故渦街的(de)強度需🤟要從統計(jì).上進行比較。試驗(yan)中制定的渦街強(qiáng)度的統計量爲.
 
這(zhe)裏`y表示的是脈動(dong)壓力信号平均的(de)波動幅值，通過換(huàn)算可得到渦街的(de)平均脈動強度。以(yǐ)後的所有有關強(qiang)度比較🌐都是以`y爲(wèi)的度量。
圖5a是試驗(yan)得到渦街的程度(dù)在不同組合在不(bu)同流💰量🥵下的比較(jiao)曲線，圖上的P0是通(tōng)過`y換算而.來的，可(kě)以認爲是渦街的(de)平均💁脈動強度。
圖(tú)5b是不同流量下的(de)渦街平均脈動強(qiang)度最大的放大倍(bèi)☎️數，這時定義
 
從不(bú)同組合在不同流(liú)量渦街強度比較(jiào)曲線可以得💃🏻到以(yǐ)下結💯論:
雙鈍體對(dui)渦街的強度有加(jiā)強的作用。在不同(tong)的流量下雙鈍體(tǐ)對渦街的加強程(chéng)度是不一樣的如(rú)圖6a所示。從qv---β可以知(zhī)道在不同流量下(xià)渦街平均強度最(zui)大的放大倍數💋是(shi)不相同的，β在🏃‍♂️qv=130m3/h時達(da)到最大。
P0随L非線性(xing)變化，在L=45~54mm之間P0梯度(dù)很小，即在該區域(yu)内L的變化對✏️渦街(jie)強度的影響不顯(xiǎn)著。
渦街的強度有(yǒu)一個峰值區域。當(dang)偏離這個區域後(hòu)渦街的❓強度發生(sheng)明顯的衰減。該峰(feng)值區域與較小P0梯(ti)度區域重合🌈。
相同(tóng)流量下，雙鈍體渦(wō)街強度始終比單(dān)鈍體渦街🔞大。在流(liu)量不變情況下，當(dang)雙鈍體渦街強度(du)接近單🍉鈍體🔞渦街(jie)強度時，微小的✏️L變(biàn)化會導緻雙鈍體(tǐ)卡門渦街現☎️象的(de)消失，即存💛在一個(ge)🏃🏻‍♂️産生雙鈍體卡門(mén)渦街的臨界距離(li)Le，且Le與流量有關，在(zài)Le處雙鈍❤️體渦街強(qiang)度和單鈍體渦街(jiē)強度相等。當L<Le該流(liú)量下雙鈍體卡]渦(wo)街現象将消失。但(dàn)Le是否與尺度相關(guān)需要進一-步的研(yan)究。同樣随L不斷增(zeng)長是否也存在一(yī)個臨界距離也需(xū)要進一步研究。
 
4結(jie)論
通過上述的試(shi)驗研究，可以得出(chū)以下的結論:用雙(shuāng)鈍🔴體誘🐉發卡門渦(wo)街可以增強渦街(jiē)的脈動平均強🚩度(dù)，有利于提高測量(liang)🎯的信噪比，降低渦(wo)街流量計的測量(liang)下限。最大強度鈍(dùn)體的組合L=45~-54mm。
通過适(shi)當的選擇鈍體的(de)組合，雙鈍體渦街(jiē)流量計的精度和(he)單鈍體渦街流量(liàng)計是相當的。最佳(jiā)線性度鈍體組合(hé)爲L=46~50mm。
綜上述，通過兩(liang)個三角型鈍體組(zǔ)合可以得到與單(dan)鈍體渦街流量計(jì)測量精度相當但(dan)信号信噪比高、測(ce)量下限較低的雙(shuang)鈍體渦街流量計(jì)。雙鈍體的最佳組(zu)合方法是L=45~50mm之間。

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