摘(zhāi)要(yào)：蒸汽流(liú)量量值(zhí)體(tǐ)系的(de)溯源(yuán)是保證蒸(zhēng)汽流量(liàng)測量準确的關鍵。基于(yú)流體力學、熱力(lì)學以及渦街流(liú)量計旋渦的産(chǎn)生機理，分析不(bú)同介質對(duì)渦街流量計的計量(liàng)特性的影(yǐng)響，介(jiè)質粘度的不(bú)同(tóng)導緻(zhì)了三(sān)種介(jiè)質測(cè)試下雷諾(nuò)數的(de)不同，影響到(dào)斯(sī)特(tè)勞哈數(shù)差異。但對渦(wō)街(jiē)流量計的(de)儀表系數(shù)影(yǐng)響不大(dà)，可忽(hū)略其(qí)影響(xiǎng)。介質粘度的不(bú)同會導(dǎo)緻流量(liàng)範圍的(de)不(bú)同。該分析(xī)将有利于(yú)提高渦街流量計(jì)測量蒸汽流(liú)量的計量精(jīng)度(dù)。
1 蒸汽介質的影(yǐng)響因素(sù)
　　所(suǒ)謂渦(wō)街流量計(亦稱(chēng)旋渦流量(liàng)計)，其(qí)工作機理是“卡門渦(wō)街(jiē)”，是(shì)一類(lèi)流體振(zhèn)蕩式的(de)測量(liàng)儀器。“卡門(mén)渦(wō)街(jiē)”的原理是(shì)：待測管道(dào)流體(tǐ)中放(fàng)進一(yī)根(或數根)非(fēi)流線型截面(miàn)的旋(xuán)渦發(fā)生體(tǐ)，等到(dào)雷諾(nuò)數到達特定數(shù)值，在旋(xuán)渦(wō)發生(shēng)體兩(liǎng)側(cè)分(fèn)離出(chū)兩串交錯(cuò)有序(xù)的旋(xuán)渦，此過程(chéng)具有交(jiāo)替性(xìng)，我們将這種旋渦(wō)叫作卡門渦街(jiē)[3]。在特定雷諾數(shù)範圍之間，旋渦(wō)的分(fèn)離頻(pín)率同(tóng)旋渦(wō)發生體與管道的(de)幾何尺(chǐ)寸息息(xī)相關。數據表明，旋渦的(de)分離頻率(lǜ)同流(liú)量存在正(zhèng)相關(guān)性，此頻率可通過傳(chuán)感器獲得(dé)。以上渦(wō)街流量計與卡門渦街(jiē)的關系(xì)可從圖1看出(chū)，二者(zhě)有如(rú)下邏輯關系：

式(shì)中：
f 爲(wèi)旋渦分離(lí)頻率，hz ；
sr爲斯特勞哈爾數；
u1爲旋渦(wō)發生(shēng)體兩側的平均流速，m/s ；
d爲旋(xuán)渦(wō)發(fā)生體(tǐ)迎流(liú)面的寬度，m；
u爲被(bèi)測介質來(lái)流的(de)平均流速，m/s ；
m爲旋(xuán)渦發生體(tǐ)兩側(cè)弓形面積與管(guǎn)道橫截面面積(jī)之比(bǐ)。不可(kě)壓縮(suō)流體中，由于流(liú)體密(mì)度?不變，由連續性方(fāng)程可得到(dào)：m=u/u1 。

式中：
k爲(wèi)渦(wō)街流(liú)量計的儀(yí)表系數，1 /m3。
　　通(tōng)過式（3）不難(nán)看出，儀表(biǎo)系數(shù)k是渦街流(liú)量計(jì)的計量(liàng)特性的(de)定量表征(zhēng)，數據(jù)表明，其儀表系(xì)數隻和其機械(xiè)結構與斯(sī)特勞哈爾數有(yǒu)關，同(tóng)來流流量并無相關(guān)性(xìng)。
蒸汽對(duì)渦街流(liú)量計計(jì)量特(tè)性存在較(jiào)大影響。可總結(jié)爲三(sān)個方面：
第(dì)一，從公式（3）中能(néng)夠得出，機(jī)械(xiè)結(jié)構尺寸d、m、d 以(yǐ)及斯特勞哈爾數sr這(zhè)些參數與k值大小存(cún)在較大關(guān)聯性。基于(yú)物理原理研究發現，在流體(tǐ)介(jiè)質條件存在(zài)差異情(qíng)況下，機械結構(gòu)尺寸的改(gǎi)變一(yī)般是與溫(wēn)度的(de)改變引(yǐn)發的熱(rè)脹冷縮效應息(xī)息相關。
第二，雷(léi)諾數對(duì)斯特勞哈爾(ěr)數sr産(chǎn)生較大影(yǐng)響，前者又(yòu)與粘度(dù)密切相(xiàng)關，而粘度(dù)的差(chà)異性(xìng)又取決于(yú)流體的(de)差異，既(jì)而引(yǐn)發(fā)斯(sī)特勞哈爾數sr的(de)區别(bié)。
第三(sān)，公式（3）的推(tuī)導過程是(shì)以不(bú)可壓縮流體爲(wèi)前提的，當換作(zuò)氣體(tǐ)介質(zhì)時，由(yóu)于可(kě)壓縮性的(de)區别或許(xǔ)會引(yǐn)發儀表系(xì)數産生誤差。以上三(sān)個因(yīn)素對于渦(wō)街(jiē)流(liú)量(liàng)計的影(yǐng)響将在(zài)下一(yī)節(jiē)進一(yī)步探(tàn)讨。
2 蒸(zhēng)汽介質斯特勞哈爾(ěr)數的影響(xiǎng)
　　嚴格而言(yán)，斯特(tè)勞哈爾(ěr)數是一(yī)種相(xiàng)似準則，是在讨(tǎo)論(lùn)流體力(lì)學中(zhōng)物(wù)理(lǐ)相似和模(mó)化是引入(rù)的概念[4]。其是(shì)用來表(biǎo)征旋(xuán)渦頻率和(hé)阻(zǔ)流(liú)體特(tè)征尺寸(cùn)、流(liú)速關(guān)系的(de)。在特(tè)定雷(léi)諾數(shù)區間中，旋渦的分離(lí)頻率(lǜ)和旋渦發生體(tǐ)與管(guǎn)道(dào)的幾何(hé)尺寸密(mì)切相關(guān)，換言之斯(sī)特勞哈數可視(shì)爲定(dìng)量。由圖2可看出，在re d=2×104 7×106區間内，斯特(tè)勞哈數是定值(zhí)，此也是儀(yí)表的(de)正常工(gōng)作(zuò)區間(jiān)。
　　現實(shí)情(qíng)形下，sr即(jí)便在(zài)re d=2×104 7×106區間内，也與re d的改變發生(shēng)變化，參(cān)照1989年日本制(zhì)訂的渦街(jiē)流量(liàng)計工業标(biāo)準jisz8766《渦(wō)街(jiē)流(liú)量計——流(liú)量測量方法》。2002年加(jiā)以修訂，把(bǎ)渦街流量(liàng)計發生體的固(gù)定形(xíng)式歸爲(wèi)兩(liǎng)種，《标(biāo)準》規定的旋渦(wō)設計，發生體依(yī)據插入測(cè)量管(guǎn)頂端固(gù)定與否(fǒu)區别(bié)爲标準1型(xíng)與(yǔ)标準2型，它們(men)的sr值存在較小(xiǎo)區别，詳見表1數據。


　　标(biāo)準(zhǔn)2型(xíng)sr的平均值(zhí)是0.25033，它(tā)的标(biāo)準偏差是0.12%；而标(biāo)準1型(xíng)爲0.3%，現階段我國一般廣泛采用标準1型。而(ér)标準(zhǔn)2型在(zài)日本(běn)橫河儀表(biǎo)研制(zhì)的渦街流量計(jì)普遍采用(yòng)。
　　通過雷諾數的推導(dǎo)公式不(bú)難(nán)得出(chū)，檢(jiǎn)測(cè)時，蒸汽和(hé)空氣因爲粘度(dù)的區(qū)别，會引發(fā)雷諾數(shù)存在差(chà)異。參(cān)照(zhào)一(yī)般實(shí)驗情況下三類(lèi)流體介(jiè)質(zhì)的(de)工況差(chà)異(yì)，它們的(de)運動粘(zhān)度詳見(jiàn)表2：

式(shì)中：
ρ表征介(jiè)質密(mì)度；
d 表征管(guǎn)徑；
u 表(biǎo)征流(liú)速；η表征介質動(dòng)力粘(zhān)度；
v 表征介質運(yùn)動粘(zhān)度。

　　通(tōng)過以上各參數(shù)數據(jù)不難(nán)發現，水的(de)運動粘(zhān)度(dù)最低(dī)，空氣最(zuì)高(gāo)，蒸汽(qì)介于二者之間(jiān)。三者(zhě)比例是1：15：4。所(suǒ)以若使雷諾數(shù)一緻(zhì)，應使水的(de)流速最小(xiǎo)，空氣(qì)最大，蒸汽在區(qū)間取(qǔ)值。在(zài)對儀(yí)表的(de)系數(shù)進(jìn)行(háng)檢定(dìng)過程(chéng)中，通(tōng)常應(yīng)考(kǎo)慮雷諾(nuò)數一緻時，真實(shí)測量過程(chéng)中的(de)差異性(xìng)誤差。尤(yóu)其在(zài)蒸汽(qì)的測量時，儀(yí)表量程(chéng)的選(xuǎn)型(xíng)是參照(zhào)在(zài)空氣介質下測量獲(huò)得的體(tǐ)積流量(liàng)區(qū)間與(yǔ)蒸汽(qì)的(de)密(mì)度乘積，推導(dǎo)出(chū)蒸汽的(de)體(tǐ)積流(liú)量區(qū)間。這種算法會(huì)引發差異性介(jiè)質下(xià)雷諾數的(de)區間差(chà)異。細緻(zhì)分析上表可得出，隻(zhī)要雷諾數(shù)在既(jì)定範(fàn)圍内(nèi)，檢定(dìng)過程(chéng)中并(bìng)不會(huì)由于(yú)介質(zhì)的不(bú)同造(zào)成較(jiào)大的誤(wù)差，這個(gè)影響(xiǎng)可不考慮(lǜ)。但雷諾(nuò)數(shù)不可(kě)超出規(guī)定(dìng)區間(jiān)，否則(zé)會引發sr的(de)較大差異(yì)，造(zào)成(chéng)誤差。
　　通過(guò)表3不(bú)難發現，要(yào)得出(chū)渦街流量(liàng)計基于最低流量的(de)限雷諾數，口徑一緻情況(kuàng)下三(sān)類介質(zhì)的(de)最小(xiǎo)流速(sù)應滿足1.0：4.0：15.0的(de)大緻比(bǐ)例。所以(yǐ)不可以将空氣(qì)介質下的體積(jī)流量區間(jiān)等同(tóng)于蒸(zhēng)汽介(jiè)質下(xià)的(de)數值(zhí)。
3 蒸汽介(jiè)質物理特(tè)性影(yǐng)響分(fèn)析
　　物(wù)理學家範(fàn)德瓦爾斯(sī)特實(shí)驗(yàn)室中，發現了水蒸氣的(de)物理性質，得(dé)出(chū)氣體(tǐ)分子(zǐ)間有(yǒu)着一定作用力(lì)，繼而(ér)推導(dǎo)出氣體的狀态(tài)方程(chéng)以輔助(zhù)理(lǐ)論驗(yàn)證，這(zhè)就是著名(míng)的範德(dé)瓦爾斯(sī)特氣(qì)體狀态方程[5]。進一步研究(jiū)發現，水蒸(zhēng)汽的(de)分子(zǐ)的體積和(hé)相互(hù)的作(zuò)用力(lì)比較(jiào)大，無法以理想的氣體狀(zhuàng)态方程加以表(biǎo)征。參照範(fàn)德瓦(wǎ)爾斯特公(gōng)式（5）的(de)計算過程：

式中：?
p爲壓(yā)強；
v爲1摩爾(ěr)氣體(tǐ)的體積；
r爲(wèi)普适氣(qì)體(tǐ)常數；
a爲度量(liàng)分(fèn)子間引力(lì)的參數；
b爲(wèi)1摩爾分子本身(shēn)包含的(de)體(tǐ)積(jī)之和。
　　以(yǐ)上(shàng)公(gōng)式（5）中(zhōng)因子a和(hé)b的值因(yīn)氣體的性質不(bú)同而存(cún)在差異，一般地，氣(qì)體的(de)分子間引力參(cān)數a與b分子體積(jī) 表述(shù)如表3所示。

　　氣體分子間的(de)吸引力與間距存在負相(xiàng)關性(xìng)，也就是密度的(de)概念。把此(cǐ)理論使用在渦街流(liú)量計的測量過程中，通過表中的數據不難發(fā)現，水蒸汽分子(zǐ)間的(de)吸引力a的(de)數值(zhí)較(jiào)大(dà)，相當于氧氣與(yǔ)氮氣的4倍多(duō)。所以，在(zài)測量(liàng)實際氣體(tǐ)時(shí)，基于(yú)同(tóng)等壓(yā)力條件，水的(de)分(fèn)子間的吸(xī)引力(lì)的數(shù)值較(jiào)蒸汽(qì)與空氣(qì)大得多，而蒸汽又顯著(zhe)大于空(kōng)氣。用渦(wō)街流量計進行(háng)測量時，發生體兩側的位置因(yīn)爲流速加大，引(yǐn)起靜壓(yā)力減(jiǎn)小，體積擴張(zhāng)，流體密度随之減小(xiǎo)，而水(shuǐ)介質(zhì)由于分子(zǐ)間作用力(lì)大，并無(wú)明顯膨(péng)脹情況。蒸(zhēng)汽的(de)分子間(jiān)的吸引(yǐn)力比(bǐ)空氣大，所以前者膨(péng)脹性(xìng)更低，密度變化也更小。參(cān)考流量的連續(xù)性方(fāng)程得(dé)出，因(yīn)爲空氣密度(dù)變化更(gèng)大，所以它的發(fā)生體(tǐ)兩側的流(liú)量變化較(jiào)蒸汽(qì)介質(zhì)更大，所以(yǐ)它的(de)儀表系數(shù)比蒸汽介質變(biàn)化更顯著。

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