摘要:F雙鈍體旋渦脫離的流體動(dòng)力學(xué)特性以及利用雙鈍體增強(qiáng)流體振動(dòng)的最佳組合結(jié)構(gòu)。給出了多種鈍體組合結(jié)構(gòu)的斯特勞哈爾數(shù)的試驗(yàn)結(jié)果，表明雙鈍體結(jié)構(gòu)具有常定的斯特勞哈爾數(shù)。用50mm口徑渦街流量計(jì)進(jìn)行的試驗(yàn)證明，雙鈍體組合在一定的條件下能獲得理想的旋渦重疊，從而增強(qiáng)流體的振動(dòng)。在鈍體的軸對(duì)稱點(diǎn)上，還觀察到強(qiáng)度和頻率相同，相位相差180°的流體振動(dòng)點(diǎn)，利用優(yōu)化的雙鈍體結(jié)構(gòu)和差動(dòng)傳感技術(shù)，研制出小流量靈敏度和抗干擾性能很好的新型旋渦流量計(jì)。
0前言
斯特勞哈爾和馮·卡門對(duì)鈍體繞流所做的開拓性研究揭示了旋渦脫離的基本特征和規(guī)律，即:當(dāng)流體流經(jīng)鈍體時(shí)，尾流中將形成旋渦流型，旋渦從鈍體兩側(cè)交替地脫離，并在---個(gè)較寬的雷諾數(shù)范圍內(nèi)，有常定的量綱一的脫落頻率，即斯特勞哈爾為常數(shù)。這表明旋渦脫落的頻率與平均流速成正比。
Roshkol21的研究給出了更為明確的結(jié)果，即在雷諾數(shù)處于300<Re<2X105的范圍內(nèi)時(shí)，斯特勞哈爾數(shù)保持在0.2左右，他還首次提出了利用斯特勞哈爾數(shù)的常定范圍來(lái)制造流量計(jì)的設(shè)想。20世紀(jì)70年代初，商品化的渦街流量計(jì)在日本出現(xiàn)。近30年的工業(yè)應(yīng)用證明了渦街流量計(jì)在穩(wěn)定流體計(jì)量中的可靠性和精確性，它的主要優(yōu)點(diǎn)還包括精度高、線性度好、介質(zhì)適應(yīng)性寬和性能可靠(無(wú)運(yùn)動(dòng)部件)3]。然而，渦街流量計(jì)存在的流量下限高和抗干擾性能差等問(wèn)題，使它喪失了許多潛在的應(yīng)用領(lǐng)域，如:量大面廣的天然氣商業(yè)計(jì)量以及流速和壓力不穩(wěn)定的測(cè)量系統(tǒng)。
為了將渦街流量計(jì)應(yīng)用于不穩(wěn)定流體的計(jì)量，本文利用鈍體組合強(qiáng)化旋渦脫落誘發(fā)流體振動(dòng)的理論研究基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)出雙鈍體渦街流量計(jì)試驗(yàn)樣機(jī):通過(guò)試驗(yàn)獲得了雙鈍體的最優(yōu)組合結(jié)構(gòu)及參數(shù);分析了鈍體組合對(duì)斯特勞哈爾數(shù)的影響;同時(shí)在后鈍體的軸對(duì)稱點(diǎn)上，還觀察到強(qiáng)度和頻率相同，相位相差180°的流體振動(dòng)點(diǎn)，這些研究結(jié)果為研制具有良好抗干擾性能和小流量靈敏度的雙鈍體差動(dòng)式渦街流量計(jì)提供了依據(jù)。
1雙鈍體渦街流量計(jì)的原理
雙鈍體渦街流量計(jì)的基本設(shè)計(jì)思路是利用前鈍體和后鈍體引發(fā)的旋渦脫離現(xiàn)象，通過(guò)試驗(yàn)獲得使旋渦在后鈍體周圍實(shí)現(xiàn)同相位疊加的最佳鈍體組合，使流體振動(dòng)得到加強(qiáng)，降低計(jì)量的下限，同時(shí)利用鈍體兩側(cè)的流體振動(dòng)具有180°相位差的特點(diǎn)，用差動(dòng)式傳感器抑制共模干擾信號(hào)的方法，提高流量計(jì)的抗干擾性能，圖1所示為雙鈍體渦街流量計(jì)的原理。
2試驗(yàn)裝置
圖2所示為試驗(yàn)裝置及測(cè)試系統(tǒng)原理。
試驗(yàn)裝置為氣體流量試驗(yàn)系統(tǒng)，它由5個(gè)部分組成。I一流場(chǎng)波動(dòng)模擬裝置，用于實(shí)驗(yàn)室條件下模擬流場(chǎng)波動(dòng);II一試驗(yàn)表體;II一標(biāo)準(zhǔn)流量校正裝置，本試驗(yàn)臺(tái)采用臨界流文丘利噴嘴流量計(jì)作為校準(zhǔn)其他儀表的基準(zhǔn);IV一負(fù)壓產(chǎn)生裝置，本試驗(yàn)臺(tái)通過(guò)真空泵產(chǎn)生負(fù)壓，使試驗(yàn)臺(tái)的入口和出口之間產(chǎn)生一個(gè)壓差，這樣就形成一個(gè)小型風(fēng)洞。真空泵電動(dòng)機(jī)額定功率為11kW,額定轉(zhuǎn)速為1450r/min;V一計(jì)算機(jī)測(cè)試系統(tǒng)，主要由電荷放大器、DAC-TRON公司Photo便攜式動(dòng)態(tài)信號(hào)分析儀(該分析儀的主要特性和性能指標(biāo):4個(gè)輸入通道，一個(gè)輸出通道;120MHzTMS320VC33DSP，21kHz處理率;32位浮點(diǎn)DSP;ICP傳感器供電;USB接口，支持熱插拔;質(zhì)量小于200g，抗振動(dòng)外殼)及計(jì)算機(jī)所組成。
試驗(yàn)臺(tái)的臨界流文丘利噴嘴測(cè)定裝置由5個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的不同噴嘴流:量計(jì)組成，通過(guò)不同的組合方式可得到5.5--220.5m³/h之間的流量。試驗(yàn)的管道內(nèi)徑50mm。
3試驗(yàn)結(jié)果
試驗(yàn)分為兩個(gè)部分，1一雙鈍體組合渦街振動(dòng)頻率試驗(yàn);2一雙鈍體組合方式對(duì)渦街強(qiáng)度的影響。試驗(yàn)傳感器如圖1所示對(duì)稱于后鈍體安裝。試驗(yàn)表體直徑為50mm。
典型的渦街脈動(dòng)信號(hào)如圖3所示。從信號(hào)的時(shí)域信號(hào)可以看出。對(duì)稱于后鈍體兩側(cè)渦街的脈動(dòng)是反相的，并有明顯的周期性，其功率譜的頻率分布很廣并有一個(gè)明顯的峰值，該峰值處頻率和時(shí)域信號(hào)的主波動(dòng)是頻率是相同的。定義功率譜中該峰值處的頻率為渦街的主頻。下面所討論的渦街頻率指的就是渦街的主頻。
3.1雙鈍體組合渦街振動(dòng)頻率試驗(yàn)研究
對(duì)于單鈍體渦街，在臨界雷諾數(shù)之上斯特勞哈爾數(shù)是恒定的，這是單鈍體渦街流量計(jì)的測(cè)量基礎(chǔ)。雙鈍體渦街是否存在同樣的規(guī)律是雙鈍體渦街流量計(jì)的關(guān)鍵。本部分的試驗(yàn)研究是為尋找當(dāng)旋渦發(fā)生體是兩個(gè)三角形時(shí)渦街的斯特勞哈爾數(shù)是否發(fā)生變化。本部分的另一個(gè)目的是研究鈍體的平行組合對(duì)渦街斯特勞哈爾數(shù)的影響。
試驗(yàn)所用雙鈍體組合圖1所示，圖中的前后.鈍體的互相平行的，鈍體的組合方式是指兩個(gè)鈍體之間的距離不同情況的組合。
試驗(yàn)的設(shè)計(jì)是對(duì)相同的鈍體組合在不同的流量情況下進(jìn)行試驗(yàn)。以得到不同組合下不同流量的測(cè)量數(shù)據(jù)。試驗(yàn)的采用數(shù)據(jù)如表所示。
流量的選取不少于5個(gè)點(diǎn)，并通過(guò)流量不完全相同的選取來(lái)達(dá)到覆蓋較多流量范圍的目的。圖4a為試驗(yàn)所得的各組雙鈍體和單鈍體斯特勞哈爾數(shù);圖4b是流量和渦街頻率的關(guān)系曲線:圖4c為各組雙鈍體和單鈍體斯特勞哈爾數(shù)標(biāo)準(zhǔn)偏差曲線。
從圖4a和圖4b中可以得出如下結(jié)論。
雙鈍體的斯特勞哈爾數(shù)比單鈍體斯特勞哈爾數(shù)大，不同組合雙鈍體的斯特勞哈爾數(shù)是不相同.的。不同的雙鈍體組合的斯特勞哈爾數(shù)的波動(dòng)不相
同的，其斯特勞哈爾數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)偏差如圖4c所示。從圖4c中可以知道，雙鈍體的斯特勞哈爾數(shù)波動(dòng)是比較大的，在L=50~46mm之間偏差與單鈍體偏差相當(dāng)。
由4b圖，該曲線的線性度與斯特勞哈爾數(shù)標(biāo)準(zhǔn)偏差相對(duì)應(yīng)，當(dāng)L=50~46mm時(shí)雙鈍體流量--頻率曲線的線性度較好。
綜上所述，對(duì)于雙鈍體渦街流量計(jì)從測(cè)量的線性范圍角度考慮應(yīng)選擇L=50~46mm之間的組合方式。
3.2雙鈍體組合方式對(duì)渦街強(qiáng)度的影響
上面得出雙鈍體流量計(jì)最佳線性范圍條件。流量計(jì)的另-一個(gè)重要的問(wèn)題是渦街強(qiáng)度，其直接影響測(cè):量信號(hào)的信噪比。其對(duì)降低量程下限有重要的意義。
為研究雙鈍體組合對(duì)渦街強(qiáng)度的影響。設(shè)計(jì)了如下試驗(yàn)。試驗(yàn)裝置如圖1所示;通過(guò)改變距離L對(duì)鈍體進(jìn)行組合并對(duì)該組鈍體在不同流量下進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)所使用的流量是220.5m3/h,178.3m'/h,111.7m3/h,66.6m3/h等4組。使用的鈍體組合有L=60mm,55mm，54mm，51mm，49mm,47mm,45mm,43mm,41mm,39mm,37mm,35mm，33mm,32mm，29mm等15個(gè)組合。
進(jìn)行強(qiáng)度比較之前，需要對(duì)渦街的信號(hào)特點(diǎn)進(jìn)行分析并定出可以度量強(qiáng)度的量。如圖3渦街信號(hào)是周期性的但其波動(dòng)的幅值不等，故渦街的強(qiáng)度需要從統(tǒng)計(jì).上進(jìn)行比較。試驗(yàn)中制定的渦街強(qiáng)度的統(tǒng)計(jì)量為.
這里`y表示的是脈動(dòng)壓力信號(hào)平均的波動(dòng)幅值，通過(guò)換算可得到渦街的平均脈動(dòng)強(qiáng)度。以后的所有有關(guān)強(qiáng)度比較都是以`y為的度量。
圖5a是試驗(yàn)得到渦街的程度在不同組合在不同流量下的比較曲線，圖上的P0是通過(guò)`y換算而.來(lái)的，可以認(rèn)為是渦街的平均脈動(dòng)強(qiáng)度。
圖5b是不同流量下的渦街平均脈動(dòng)強(qiáng)度最大的放大倍數(shù)，這時(shí)定義
從不同組合在不同流量渦街強(qiáng)度比較曲線可以得到以下結(jié)論:
雙鈍體對(duì)渦街的強(qiáng)度有加強(qiáng)的作用。在不同的流量下雙鈍體對(duì)渦街的加強(qiáng)程度是不一樣的如圖6a所示。從qv---β可以知道在不同流量下渦街平均強(qiáng)度最大的放大倍數(shù)是不相同的，β在qv=130m3/h時(shí)達(dá)到最大。
P0隨L非線性變化，在L=45~54mm之間P0梯度很小，即在該區(qū)域內(nèi)L的變化對(duì)渦街強(qiáng)度的影響不顯著。
渦街的強(qiáng)度有一個(gè)峰值區(qū)域。當(dāng)偏離這個(gè)區(qū)域后渦街的強(qiáng)度發(fā)生明顯的衰減。該峰值區(qū)域與較小P0梯度區(qū)域重合。
相同流量下，雙鈍體渦街強(qiáng)度始終比單鈍體渦街大。在流量不變情況下，當(dāng)雙鈍體渦街強(qiáng)度接近單鈍體渦街強(qiáng)度時(shí)，微小的L變化會(huì)導(dǎo)致雙鈍體卡門渦街現(xiàn)象的消失，即存在一個(gè)產(chǎn)生雙鈍體卡門渦街的臨界距離Le，且Le與流量有關(guān)，在Le處雙鈍體渦街強(qiáng)度和單鈍體渦街強(qiáng)度相等。當(dāng)L<Le該流量下雙鈍體卡]渦街現(xiàn)象將消失。但Le是否與尺度相關(guān)需要進(jìn)一-步的研究。同樣隨L不斷增長(zhǎng)是否也存在一個(gè)臨界距離也需要進(jìn)一步研究。
4結(jié)論
通過(guò)上述的試驗(yàn)研究，可以得出以下的結(jié)論:用雙鈍體誘發(fā)卡門渦街可以增強(qiáng)渦街的脈動(dòng)平均強(qiáng)度，有利于提高測(cè)量的信噪比，降低渦街流量計(jì)的測(cè)量下限。最大強(qiáng)度鈍體的組合L=45~-54mm。
通過(guò)適當(dāng)?shù)倪x擇鈍體的組合，雙鈍體渦街流量計(jì)的精度和單鈍體渦街流量計(jì)是相當(dāng)?shù)�。最佳線性度鈍體組合為L(zhǎng)=46~50mm。
綜上述，通過(guò)兩個(gè)三角型鈍體組合可以得到與單鈍體渦街流量計(jì)測(cè)量精度相當(dāng)?shù)盘?hào)信噪比高、測(cè)量下限較低的雙鈍體渦街流量計(jì)。雙鈍體的最佳組合方法是L=45~50mm之間。
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