摘(zhāi)要：渦街(jiē)流量計(jì) 所在截(jié)面流速(sù)分布的(de)要求、拟(ni)合公式(shi)的選用(yong)和數據(ju)處理,以(yǐ)✨及使用(yong)标定結(jié)果時所(suo)要注意(yì)的問題(tí)。提出了(le)一種🔴以(yi)測試手(shou)段和🏃‍♀️分(fèn)析辦法(fǎ)相結合(he)的關于(yú)标定渦(wō)街流量(liàng)計的新(xin)的技術(shu)途徑,以(yǐ)縮短标(biāo)定裝置(zhì)的軸向(xiàng)尺寸,降(jiang)低标定(ding)費用。對(dui)于充分(fen)端流的(de)圓管流(liú)動,根據(jù)結果，給(gei)出了截(jie)面平均(jun)流速與(yu)最大流(liu)💃速之比(bǐ)随雷諾(nuo)數變化(hua)的簡潔(jie)計算公(gōng)式。
1引言(yan)
　　渦街流(liu)量計是(shi)一種近(jìn)20年來迅(xùn)速發展(zhǎn)起來的(de)流量計(ji)量儀表(biǎo)，與當前(qian)在流量(liàng)計量中(zhōng)廣泛應(ying)用的節(jiē)流式流(liu)量儀表(biao)相比，有(yǒu)一系列(liè)獨特的(de)優點。它(tā)在使用(yong)過程中(zhōng)，損耗低(di)，性能好(hǎo),而且适(shì)用範圍(wei)廣，是很(hen)有發展(zhǎn)前途的(de)節能計(jì)量儀表(biao)。因此，生(shēng)産、選用(yòng)和标定(ding)渦街流(liu)量計，具(jù)有很大(dà)的現實(shi)意義。
　　力(li)學所受(shòu)流量計(jì)廠商委(wěi)托，對其(qi)産品渦(wo)街流量(liàng)計進行(hang)過标定(ding)，現已具(jù)備基本(ben)标定設(shè)備和儀(yí)器。通過(guo)㊙️标定🙇‍♀️實(shi)驗我們(men)積累了(le)經‼️驗，也(yě)有一些(xie)體會和(hé)設想。将(jiāng)這些整(zheng)理成文(wen)，以便同(tong)從事渦(wō)街流量(liàng)計标定(dìng)工作的(de)同事進(jin)行交流(liu)和磋商(shāng)，使标定(dìng)工作有(you)所改進(jìn)和提高(gāo)。
2對截面(mian)流速分(fèn)布的相(xiang)似性要(yao)求
　　在易(yi)定的雷(léi)諾數範(fàn)圍内，流(liú)體流過(guo)柱體時(shi)，産生卡(kǎ)門渦街(jiē)現象。渦(wō)街流量(liang)計是根(gēn)據卡門(men)渦街原(yuán)理研制(zhi)的一種(zhong)流體振(zhèn)蕩儀表(biao)👄，當流體(ti)流過與(yu)介質流(liú)向垂直(zhí)的旋渦(wō)發❗生體(tǐ)時，在其(qí)後方兩(liǎng)側交替(ti)産生兩(liǎng)列旋渦(wō)。旋渦脫(tuo)落頻率(lü)ƒ和流速(su)U之間有(yǒu)如下關(guan)系式📐
 
　　式(shì)中，U爲旋(xuan)渦發生(sheng)體前方(fang)的流速(su)，d爲旋渦(wō)發生體(tǐ)的迎流(liú)面最❤️大(da)寬度，Sl爲(wei)Strouhal數。研究(jiū)表明，當(dāng)旋渦發(fā)生休幾(jǐ)何形🧡狀(zhuang)确定時(shi)🚶，Si在一定(dìng)的♻️雷諾(nuò)數範圍(wei)内爲常(cháng)數。因🏃🏻‍♂️此(cǐ)，當特征(zhēng)長度一(yī)定時💁，對(duì)流速、流(liu)量的💔測(ce)量,歸結(jié)爲📱付旋(xuán)渦脫落(luò)頻率的(de)測量。爲(wei)了避免(miǎn)或減🌏少(shǎo)管壁邊(biān)♊界層的(de)影響，必(bì)須使渦(wo)街流量(liang)計的旋(xuan)渦發生(sheng)體位🐉于(yu)管道截(jié)面的中(zhōng)心位置(zhi)。
　　一般來(lai)說，渦街(jie)流量計(ji)出庫後(hòu)，在管道(dào)上安裝(zhuang)使用前(qián)應㊙️進🏒行(hang)标定。然(rán)而将渦(wo)街流量(liàng)計标定(dìng)結果用(yòng)于實際(ji)🐉管流的(de)流量計(ji)量是有(you)條件的(de)。根據流(liu)體力學(xué)的相似(sì)準則，對(duì)⛷️于渦街(jiē)🔱流量計(jì)及其所(suo)在截面(mian)的管道(dào)流動，标(biao)定時的(de)流動狀(zhuàng)态和☂️實(shí)際的流(liu)動狀态(tài)要滿足(zú)幾何相(xiàng)似、運動(dong)相似🛀🏻和(he)動力相(xiàng)似條件(jian)。由于對(duì)🏒流遣汁(zhī)實物進(jin)行标定(dìng)，因此其(qi)💃幾何相(xiàng)似能自(zì)動保證(zheng)，動力相(xiang)似便要(yao)求流動(dong)雷諾數(shù)相等,運(yùn)動相似(si)則要求(qiú)在标定(ding)和實際(ji)💔管流中(zhong)渦街流(liu)量計所(suǒ)在截面(miàn)的流速(su)分布幾(jǐ)何相似(si)✍️，即
 
　　式中(zhong)，u爲截面(mian)流速分(fèn)布，它是(shì)從截面(miàn)得心量(liàng)起的無(wú)量綱矢(shǐ)徑💘r=r/R的函(han)數，U爲截(jié)面中心(xīn)附近流(liu)速，R爲管(guan)道半徑(jing)。一般情(qíng)況下，渦(wō)街流量(liàng)計安裝(zhuāng)、使用時(shi)要求上(shang)遊直管(guan)段㊙️長度(du)L≥20D,下遊直(zhi)管🎯段長(zhang)度Ɩ≥5D(D爲管(guan)道直徑(jìng))，以保證(zheng)流體流(liu)過旋渦(wō)發生體(tǐ)時能達(dá)到産生(sheng)穩🌈定渦(wo)街所必(bì)要的流(liú)動條件(jian)。此時在(zài)渦街流(liu)量計安(ān)裝截面(mian)上已形(xing)成穩定(ding)的流速(su)分布，且(qie)管道内(nèi)的流動(dong)爲充分(fen)🌈發展的(de)端流，爲(wèi)了能夠(gòu)模🔞拟該(gai)截面的(de)流速分(fen)布，标🔆定(ding)裝置的(de)上下遊(yóu)直管段(duàn)長度和(hé)管道直(zhí)徑應與(yǔ)實際管(guǎn)道相🚶一(yī)緻。運動(dong)相似條(tiáo)件式(2)表(biao)明,标定(ding)時✂️僅僅(jin)給出流(liu)量Q與旋(xuán)渦頻率(lü)ƒ的定量(liang)關系是(shì)不夠約(yue)，同時👅還(hai)要保證(zheng)渦街流(liú)量計所(suo)在截面(mian)上，标定(dìng)的和實(shí)際☂️管流(liú)的
 
值相(xiang)等。式中(zhong)`u=Q/S爲平均(jun)流速，S爲(wèi)管道截(jié)面積。從(cong)本質上(shang)說，渦街(jiē)流量計(jì)是一種(zhǒng)流速測(cè)量儀表(biǎo),旋渦頻(pín)率隻與(yu)流⭐速有(yǒu)關。在一(yi)定的雷(léi)♌諾數下(xià)，當速度(dù)剖面較(jiao)爲飽滿(man)時,旋渦(wo)頻🧡率主(zhu)要依賴(lài)于最大(da)流速U,因(yin)此隻要(yao)U相等則(ze)旋渦頻(pin)率也就(jiu)大緻相(xiàng)等，即使(shǐ)是截面(mian)的流速(sù)分布有(you)較大差(chà)異。而流(liú)經某一(yī)截面💁的(de)介質體(ti)積流量(liang)則取決(jue)于🤟該截(jié)面的平(píng)均流速(sù)`u。因此，要(yào)從U與ƒ的(de)基本測(cè)量數據(ju)導出Q與(yǔ)ƒf的㊙️關系(xì)需引進(jin)無量綱(gāng)流速🈲分(fen)布參數(shu)。爲便于(yu)叙述和(he)讨論，考(kao)慮一維(wei)定常不(bu)可壓等(děng)截面管(guan)流情形(xing)。顯然沿(yan)管流的(de)軸線方(fang)向🌂截面(miàn)平均流(liu)速雲、流(liú)量Q和雷(léi)諾數RD=`uDρ/μ都(dou)是不變(biàn)的。然而(er)當渦街(jiē)流量計(ji)位于管(guǎn)流的不(bú)同軸向(xiang)位置時(shi)，流量計(ji)儀♉表所(suǒ)顯示的(de)旋渦脫(tuō)落頻率(lü)卻是不(bú)同的。這(zhè)是由于(yú)截面中(zhōng)心附近(jìn)最大流(liu)速U在管(guǎn)道軸線(xian)方向變(biàn)化所緻(zhi)。因此，将(jiāng)實驗室(shi)标⛷️定的(de)渦街流(liu)量計用(yòng)于現場(chang)🐪時由于(yu)ξ值不一(yi)緻而引(yǐn)起的計(ji)量誤差(chà)是必須(xū)予以注(zhu)意的✊一(yi)個重要(yào)問題。
　　當(dāng)然，我們(men)也可以(yi)設計一(yi)種吸氣(qi)式的組(zǔ)合式标(biāo)定裝置(zhi)，使⭐其👣上(shàng)遊和下(xia)遊直管(guan)段長度(du)符合标(biao)定要求(qiu)，并在其(qi)下遊直(zhí)管段後(hou)部裝接(jiē)不同喉(hóu)部直徑(jing)的文💋丘(qiū)利音速(sù)噴管與(yu)真空鹾(cuo)連通。當(dāng)管道穩(wen)定流場(chang)建立後(hou)測量噴(pēn)管喉部(bù)㊙️的氣流(liú)總壓P0和(he)總溫T0(已(yi)知噴管(guan)喉部面(miàn)積A*)，便可(ke)求出管(guan)流的質(zhi)量流量(liàng)🈲，再除以(yi)噴管🏃‍♀️前(qián)方粗管(guǎn)段低✌️速(sù)流的空(kong)氣密度(du)而得到(dao)體積流(liu)量Q;與此(ci)同時，測(cè)量渦街(jiē)流量計(ji)的旋渦(wō)頻率f，使(shǐ)流量Q與(yǔ)旋渦頻(pin)率ƒ一一(yī)對應,.經(jīng)數據拟(ni)合便給(gěi)出🌈Q與ƒ的(de)關系式(shì)。這種标(biao)定方式(shì)似乎不(bú)必求參(can)數ξ而直(zhi)接建立(li)起🌈Q與ƒ的(de)關系，然(ran)而它對(duì)渦街流(liú)量計上(shang)遊和下(xia)遊的直(zhí)管段長(zhǎng)度卻有(yǒu)嚴格的(de)要求，這(zhe)樣才能(néng)模拟實(shi)際管🔴流(liu)的流速(su)分布。
3标(biao)定公式(shì)的選用(yòng)及數據(ju)處理
　　關(guān)于渦街(jiē)流量計(ji)的标定(dìng)公式，目(mu)前計量(liàng)部門和(hé)用戶普(pu)遍🙇‍♀️使用(yong)的公式(shì)爲
 
　　事實(shí)上，式(4)是(shì)理想化(hua)了的結(jie)果，頻率(lü)ƒ爲零時(shi)，流量Q也(ye)💃爲零。而(ér)實際🏃‍♂️情(qíng)況總是(shi)偏離上(shang)式。對渦(wo)街流量(liang)計的測(cè)量數據(jù)表明，采(cai)用式(4)時(shí)，對低速(su)即低頻(pín)情況數(shù)據㊙️的拟(ni)合誤差(cha)較大。故(gu)标定公(gong)式應該(gāi)采用不(bú)經過坐(zuo)标原點(dian)的直線(xian)方程,并(bìng)給出其(qi)适用範(fàn)圍。
　　标定(ding)時，将渦(wo)街流最(zui)計豎直(zhi)地插入(rù)實驗裝(zhuang)置的來(lái)💃流中，使(shi)旋渦發(fa)生體的(de)迎流面(mian)垂直于(yú)流向。用(yong)皮托管(guan)或熱線(xiàn)風速儀(yí)測量截(jie)面最大(dà)流速U,用(yòng)計數器(qì)測量所(suo)對應的(de)流量計(ji)旋渦頻(pín)率ƒ,然後(hòu)對📐所得(dé)數據用(yòng)最小二(er)乘法進(jin)行拟合(he)，給出
 
　　式(shì)中ƒ≥fo,fo是對(dui)應于下(xia)臨界雷(léi)諾數的(de)旋渦頻(pin)率。當雷(léi)諾數Rd(特(tè)👅征長度(du)取爲旋(xuan)渦發生(shēng)體迎流(liú)面最大(dà)寬度d)大(dà)于此臨(lin)界雷諾(nuo)數時，Strouhal數(shù)St保持不(bú)變。
　　從上(shang)述讨論(lùn)和公式(shi)推導可(ke)以看出(chu)，對于标(biao)定渦街(jie)⭐流💞量計(jì)，最✂️主🌈要(yào)的有兩(liǎng)點:一是(shi)經測試(shi)提供最(zuì)大流速(sù)U與旋渦(wo)頻率ƒ的(de)關系，二(èr)是以測(ce)試或分(fen)析辦法(fa)提⛷️供ξ值(zhí)。而ξ則用(yong)以計人(ren)流速分(fen)布、管道(dào)形狀及(jí)雷諾數(shu)的影響(xiǎng)。因此，若(ruo)已确定(ding)ξ值，标定(dìng)工作便(bian)可🔴大爲(wèi)簡化⁉️，隻(zhi)需給出(chū)U與ƒ的關(guan)系而沒(mei)🈲有必要(yào)再去考(kao)慮流速(su)分布的(de)影響。如(ru)前💛所述(shu)，當截面(mian)速✔️度剖(pōu)面較爲(wei)飽滿時(shí)，旋渦頻(pin)率隻與(yu)截面最(zuì)大流速(sù)有關，且(qiě)爲線性(xing)。因此，對(dui)于某一(yi)流量計(jì),原則上(shàng)旋渦頻(pin)率ƒ對最(zuì)大流速(su)U的變化(huà)率即dƒ/dU，在(zai)沿标定(dìng)裝置的(de)軸線方(fāng)向,其數(shù)值是基(jī)♈本不變(bian)的。這對(duì)于适當(dāng)縮短标(biāo)定裝置(zhì)的軸向(xiàng)尺寸，降(jiang)低标定(dìng)費用是(shì)很有實(shi)際💜意義(yì)的。
4湍流(liu)時圓管(guǎn)的流速(su)分布參(can)數
　　要确(que)定流速(su)分布參(cān)數ξ值主(zhǔ)要有兩(liǎng)種途徑(jing)，即現場(chang)測量和(hé)分析辦(ban)法，而後(hòu)者又分(fèn)爲邊界(jiè)層理論(lun)分析辦(ban)法和基(ji)于測量(liàng)數據的(de)半經驗(yan)分析辦(ban)法。下面(miàn)分❤️别予(yǔ)以叙述(shù)。
4.1現場測(cè)量t
　　現場(chǎng)測定大(da)口徑管(guan)流的ξ值(zhi),一個較(jiao)爲簡單(dan)的辦法(fǎ)是用傳(chuán)感器測(cè)量渦街(jie)流量計(jì)安裝截(jie)面的流(liu)速分🔞布(bu)，然後積(jī)❗分求出(chu)介👄質流(liu)量,再用(yong)管道截(jié)面積S除(chu)此積分(fen)值👉，給出(chu)其平均(jun1)流速日(ri)，而💰截面(mian)最大流(liu)速`U則是(shì)由該截(jié)面流速(su)分布的(de)最大測(ce)量值給(gei)出，從而(er)确定其(qí)某一流(liú)速下的(de)ξ值。
4.2邊界(jiè)層瑪論(lùn)分析辦(ban)法.
　　标定(ding)渦街流(liu)計時要(yào)求幾何(he)相似、運(yun)動相似(sì)和動力(li)💋相似，這(zhe)--切具🔞體(ti)實施起(qǐ)來實屬(shǔ)不易。例(lì)如，當管(guan)徑較大(da)時，由于(yu)受實驗(yàn)場地的(de)限制，标(biao)定裝置(zhi)的上遊(yóu)和下遊(yóu)直管段(duàn)長度難(nán)以達到(dào)标定要(yào)求。若在(zai)風洞中(zhōng)标定，因(yin)風洞實(shí)驗段較(jiao)短而氣(qi)流接近(jìn)于均勻(yun)流，與實(shí)際管流(liu)的流速(sù)分布差(cha)别較大(da)。而現🌈場(chang)測量不(bú)僅📞把所(suǒ)需的測(ce)👉量儀器(qi)和微機(ji)等要帶(dai)到現場(chǎng)去，而且(qie)還應備(bèi)有必要(yào)的測試(shì)條件和(he)環境(如(ru)電源、工(gōng)作間等(deng)),因而常(cháng)受到較(jiào)大限制(zhi)。因此，在(zài)很多🈲情(qíng)況下，我(wǒ)們卻不(bú)得不惜(xī)助于分(fèn)析辦法(fǎ)來确定(dìng)ξ值。對于(yú)充分發(fā)展爲端(duān)流.的圓(yuán)管💰内的(de)流🚩動，由(you)邊界層(ceng)理論給(gěi)出“
 
　　其中(zhōng)ue爲摩阻(zu)速度，`R=D/2。若(ruo)已知管(guan)道直徑(jìng)D、平均流(liu)速`u、介質(zhì)密度🌂ρ和(hé)🌈粘👄性🐅系(xi)數u,則由(you)式(12)分别(bie)确定RD、λ、u，求(qiú)出`Ru*ρ/u,最後(hòu)由式(11)給(gěi)出截面(mian)流速分(fèn)布參數(shù)5ξ值。
　　對于(yu)矩形截(jie)面的管(guan)流，目前(qian)還沒有(yǒu)較爲成(cheng)熟而簡(jian)便的理(lǐ)論分析(xī)方法可(ke)供使用(yòng)。作爲工(gōng)程估算(suan),以該矩(ju)形截面(mian)的水✉️力(lì)學⛷️直徑(jing)來代替(tì)圓管直(zhi)徑，然後(hòu)按上述(shu)步🙇🏻驟計(ji)算即可(ke)。式中S爲(wèi)截面積(jī)，C爲👨‍❤️‍👨截面(mian)周長。在(zai)圓截面(miàn)情況下(xia)，水力學(xué)直徑等(deng)于圓的(de)直徑。
 
　　因(yin)爲在推(tuī)導式(9)時(shí)截面速(sù)度剖面(miàn)包括粘(zhān)性底層(céng)均用了(le)🚩對👨‍❤️‍👨數律(lü)，所以式(shì)(11)給出的(de)ξ值在相(xiang)同雷諾(nuo)數下較(jiào)📐之後面(miàn)的☔半經(jing)驗公式(shi)(15)略高2%左(zuo)右。
4.3半經(jing)驗分析(xī)辦法
　　在(zài)很寬的(de)雷諾數(shu)範圍内(nei)，即4×103≤RD≤3.2×106,對光(guāng)滑圓管(guǎn)的摩擦(ca)律和速(su)度剖面(miàn)🈲進行了(le)很全面(mian)的實驗(yàn)研究[41。表(biǎo)明當雷(lei)諾數🔴增(zēng)大💜時，速(sù)度剖面(miàn)更加飽(bǎo)滿。當管(guǎn)道内的(de)流動爲(wèi)端流時(shi)，在半徑(jing)方向上(shàng)距管道(dào)中心🐇軸(zhou)爲r處的(de)流速可(ke)用經驗(yàn)公式表(biǎo)示如下(xià)
 
　　其中指(zhi)數n随雷(lei)諾數稍(shāo)有變化(huà)。根據測(cè)量結果(guo)制成了(le)🐉表1。這🈲裏(li)應該注(zhù)意的問(wen)題是，流(liu)體要流(liu)經足夠(gòu)長的直(zhí)管段後(hòu)，才能成(chéng)爲式❌(14)表(biǎo)示的流(liu)速分布(bù)。在彎管(guǎn)和閥門(men)的前後(hòu)不會形(xíng)成這樣(yàng)的流速(su)分布。在(zài)渦街流(liú)量計的(de)😄上遊側(ce)和下遊(you)側需要(yào)适當長(zhǎng)度的直(zhi)管段，其(qí)理由就(jiu)🔱在于此(cǐ)。
　　由式(14)容(rong)易推導(dao)出圓管(guan)流動中(zhōng)平均流(liú)速與最(zui)大流速(su)之比

　　諾(nuò)數範圍(wei)内式(16)與(yu)表1數據(ju)的符合(he)程度是(shì)使人能(néng)夠接受(shou)的,是對(dui)實驗數(shù)據的較(jiào)好逼近(jìn)，可與式(shi)(15)聯用，求(qiu)出ξ随☀️RD的(de)變化。
5結(jié)論
　　 根據(ju)上述詳(xiáng)細的分(fen)析讨論(lùn)，可得出(chū)如下主(zhǔ)要結論(lùn):
(1)對管流(liú)引進一(yī)相似參(can)數，即截(jie)面平均(jun)流速`u與(yǔ)最大流(liu)速U之比(bǐ)ξ=`u/U。運🥵
動相(xiang)似則要(yao)求在渦(wō)街流量(liang)計所在(zài)截面上(shàng)，标定的(de)和🤩實際(jì)管流的(de)5值相等(deng)。
(2)探讨了(le)一種以(yǐ)測試手(shou)段和分(fèn)析辦法(fǎ)相結合(he)的标定(ding)渦街流(liú)🔴量計的(de)新的技(ji)術途徑(jìng),
旨在縮(suō)短大口(kǒu)徑管流(liu)标定裝(zhuāng)置的軸(zhou)向尺寸(cùn),降低标(biāo)定費用(yòng)。
(3)對于充(chong)分湍流(liú)的圓管(guan)流動，根(gēn)據結果(guo)，給出了(le)截面流(liu)速分♋布(bù)
參數ξ随(suí)雷諾數(shù)變化的(de)簡潔計(jì)算公式(shì)。
(4)關于流(liu)量Q與旋(xuán)渦頻率(lü)f的标定(dìng)公式，似(si)應采用(yong)不經過(guò)坐标原(yuán)點的直(zhí)線方程(chéng)，并給出(chū)其适用(yong)範圍。

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