摘要:f雙鈍(dùn)體旋渦脫離的(de)流體動力(lì)學特(tè)性以及利用雙(shuāng)鈍體增強(qiáng)流體振動(dòng)的最佳組(zǔ)合結構。給出了(le)多種鈍(dùn)體組合結構(gòu)的斯(sī)特勞(láo)哈爾(ěr)數的試驗(yàn)結果(guǒ)，表明(míng)雙鈍(dùn)體(tǐ)結構具有常(cháng)定的斯特勞哈(hā)爾數。用50mm口徑渦(wō)街流量(liàng)計 進行(háng)的試驗證明，雙(shuāng)鈍體(tǐ)組合在一(yī)定的條件(jiàn)下能(néng)獲得理想的旋(xuán)渦重疊，從而增(zēng)強流體的(de)振動(dòng)。在鈍(dùn)體的軸對(duì)稱點(diǎn)上，還(hái)觀察(chá)到強度和頻率(lǜ)相同(tóng)，相位(wèi)相差(chà)180°的流體振動點(diǎn)，利用優化的雙鈍體(tǐ)結構(gòu)和差(chà)動傳感(gǎn)技術，研制出(chū)小流量靈(líng)敏度(dù)和抗幹擾性(xìng)能(néng)很(hěn)好的新(xīn)型旋(xuán)渦流量計。
0前言
　　斯特(tè)勞哈爾和馮·卡門對(duì)鈍體(tǐ)繞流(liú)所做的(de)開拓性(xìng)研究揭示了旋渦脫(tuō)離的基本特征(zhēng)和規律，即:當流(liú)體流(liú)經鈍體時(shí)，尾流中(zhōng)将(jiāng)形成(chéng)旋渦流型，旋(xuán)渦(wō)從鈍體兩側交替地脫(tuō)離，并在---個較寬的雷諾數範圍内，有常(cháng)定的(de)量綱一的(de)脫落頻(pín)率，即斯特勞哈爾(ěr)爲常(cháng)數。這(zhè)表(biǎo)明旋渦脫落(luò)的頻率與(yǔ)平均流速(sù)成正(zhèng)比。
roshkol21的研究給出了更爲明确的(de)結果，即在雷諾(nuò)數處于300<re<2x105的範圍(wéi)内時(shí)，斯特勞(láo)哈爾數保持(chí)在0.2左右，他還首次提(tí)出了利用斯特(tè)勞哈(hā)爾數(shù)的常(cháng)定範圍來制(zhì)造流量計的設想(xiǎng)。20世紀70年(nián)代(dài)初，商(shāng)品化(huà)的渦街流(liú)量計在日本出(chū)現。近(jìn)30年的工業應用證明了渦(wō)街流量計在穩(wěn)定流體(tǐ)計(jì)量中(zhōng)的可(kě)靠(kào)性和精(jīng)确性，它(tā)的主要(yào)優點還包括精度高、線性度好、介質(zhì)适應性寬和性能可(kě)靠(無(wú)運動部件)3]。然而(ér)，渦街流(liú)量(liàng)計存在的(de)流(liú)量下限(xiàn)高和抗幹(gàn)擾性能差等問題，使(shǐ)它喪失了(le)許多(duō)潛在(zài)的應用領(lǐng)域，如(rú):量(liàng)大(dà)面廣的天(tiān)然氣商業計量(liàng)以及流速(sù)和壓力不穩定(dìng)的測(cè)量系(xì)統。
爲(wèi)了将(jiāng)渦街流量(liàng)計應用于(yú)不穩(wěn)定流(liú)體的計量(liàng)，本文(wén)利(lì)用(yòng)鈍體(tǐ)組合強化(huà)旋渦(wō)脫落誘(yòu)發(fā)流體(tǐ)振動(dòng)的理論研究基礎(chǔ)上(shàng)，設計(jì)出雙鈍體(tǐ)渦街流量計(jì) 試驗樣機:通過試驗獲(huò)得了雙鈍體的(de)最優(yōu)組合結構(gòu)及參數;分(fèn)析了鈍體(tǐ)組合(hé)對斯(sī)特勞哈爾數的(de)影響;同時在後(hòu)鈍體的軸(zhóu)對稱(chēng)點上，還觀察到(dào)強度和頻率相(xiàng)同，相(xiàng)位相(xiàng)差180°的(de)流體(tǐ)振動(dòng)點，這(zhè)些(xiē)研(yán)究(jiū)結果爲(wèi)研制具有(yǒu)良好抗幹(gàn)擾(rǎo)性(xìng)能和(hé)小流量靈敏度的雙鈍體差動(dòng)式渦街流(liú)量計(jì)提供了依據。
1雙鈍體(tǐ)渦(wō)街(jiē)流量計的原(yuán)理
雙鈍(dùn)體渦街流量計(jì)的基本設計思(sī)路是利用前鈍(dùn)體和後鈍體引(yǐn)發的旋(xuán)渦脫離(lí)現象(xiàng)，通過試驗(yàn)獲(huò)得使旋(xuán)渦在(zài)後鈍體周(zhōu)圍實(shí)現同相(xiàng)位(wèi)疊加(jiā)的最佳鈍體組(zǔ)合，使(shǐ)流體振動(dòng)得到(dào)加強，降低(dī)計量的下(xià)限，同(tóng)時利(lì)用鈍(dùn)體兩(liǎng)側的流(liú)體振動(dòng)具有180°相位差的(de)特點，用差(chà)動式(shì)傳感器(qì)抑制共(gòng)模幹擾(rǎo)信号的方法，提(tí)高(gāo)流量(liàng)計的(de)抗(kàng)幹擾性能，圖(tú)1所示爲雙(shuāng)鈍體渦街流量計的原(yuán)理(lǐ)。
 
2試驗(yàn)裝置
圖(tú)2所示爲試驗(yàn)裝置(zhì)及測(cè)試(shì)系統原理。
 
試驗裝置爲氣(qì)體(tǐ)流量(liàng)試驗(yàn)系統(tǒng)，它由5個部(bù)分組(zǔ)成。i一(yī)流場波動模拟(nǐ)裝(zhuāng)置，用于(yú)實驗(yàn)室條(tiáo)件下模拟流場波動(dòng);ii一試驗(yàn)表體;ii一(yī)标準流量校正(zhèng)裝置(zhì)，本試(shì)驗台采用臨界流文(wén)丘利噴嘴(zuǐ)流量(liàng)計作爲(wèi)校(xiào)準其他儀表的基準(zhǔn);iv一負(fù)壓(yā)産生裝(zhuāng)置，本試驗(yàn)台通(tōng)過真(zhēn)空泵産生負壓，使試驗台(tái)的入(rù)口和出口(kǒu)之間(jiān)産生一個(gè)壓差，這(zhè)樣就形成一個(gè)小(xiǎo)型風洞。真空(kōng)泵電動(dòng)機額定功率爲(wèi)11kw,額定(dìng)轉(zhuǎn)速(sù)爲1450r/min;v一(yī)計算機測(cè)試(shì)系(xì)統，主(zhǔ)要(yào)由電荷(hé)放大(dà)器(qì)、dac-tron公司photo便(biàn)攜式動态信号(hào)分析儀(該分析(xī)儀的主要特(tè)性(xìng)和性(xìng)能指(zhǐ)标:4個(gè)輸入通(tōng)道，一個(gè)輸出通道;120mhztms320vc33dsp，21khz處理率;32位浮點(diǎn)dsp;icp傳感(gǎn)器供(gòng)電;usb接口，支持熱插拔(bá);質量(liàng)小于200g，抗振(zhèn)動外殼)及計算機所(suǒ)組成。
試驗(yàn)台的(de)臨界流(liú)文丘(qiū)利噴嘴測定(dìng)裝置(zhì)由5個(gè)标(biāo)準的不(bú)同噴嘴流(liú):量計組成，通(tōng)過不同(tóng)的組合方(fāng)式可得到5.5--220.5m³/h之間的流(liú)量。試(shì)驗(yàn)的(de)管道内徑(jìng)50mm。
3試驗結果
試驗分爲兩個(gè)部分，1一雙鈍體(tǐ)組合渦街振動頻率試(shì)驗;2一雙(shuāng)鈍體組合(hé)方式(shì)對渦街強度的(de)影響。試驗(yàn)傳感(gǎn)器如圖1所示對(duì)稱于(yú)後(hòu)鈍體安(ān)裝。試(shì)驗表體直(zhí)徑爲50mm。
 
典型(xíng)的渦(wō)街脈(mò)動信号如圖3所示。從(cóng)信号的時域信号可(kě)以看出。對稱于(yú)後(hòu)鈍體兩側渦(wō)街的(de)脈動是(shì)反相的(de)，并有(yǒu)明顯(xiǎn)的周期(qī)性，其功(gōng)率譜(pǔ)的頻率分(fèn)布很廣并(bìng)有一個明顯的峰值(zhí)，該峰值(zhí)處頻率(lǜ)和時(shí)域信(xìn)号的(de)主波動是(shì)頻率(lǜ)是相同的(de)。定義(yì)功率譜中該峰(fēng)值處的頻率爲渦街的主頻。下(xià)面所(suǒ)讨論的渦(wō)街(jiē)頻率指(zhǐ)的就(jiù)是渦街(jiē)的主頻。
3.1雙鈍體組合渦(wō)街振(zhèn)動(dòng)頻(pín)率試(shì)驗研究
對(duì)于單鈍體渦街，在臨(lín)界雷(léi)諾(nuò)數之上(shàng)斯特(tè)勞哈(hā)爾數(shù)是恒定的，這是(shì)單鈍體渦街流(liú)量計的測量基礎。雙(shuāng)鈍體(tǐ)渦街(jiē)是否存(cún)在(zài)同樣(yàng)的規律是雙鈍(dùn)體渦(wō)街流量計(jì)的關(guān)鍵。本(běn)部分(fèn)的試驗研究是(shì)爲尋找當旋渦(wō)發生體(tǐ)是兩個(gè)三角形時渦街(jiē)的斯特勞(láo)哈爾(ěr)數是否(fǒu)發生(shēng)變(biàn)化。本(běn)部分(fèn)的另一個目(mù)的是研(yán)究鈍(dùn)體的(de)平行(háng)組(zǔ)合(hé)對渦街斯(sī)特勞哈爾數的(de)影響。
試(shì)驗所用(yòng)雙鈍(dùn)體(tǐ)組(zǔ)合圖(tú)1所示(shì)，圖中的前(qián)後.鈍體(tǐ)的互相(xiàng)平行的，鈍體的組合方式是指兩個鈍體之間(jiān)的距(jù)離不同情(qíng)況的組合。
試驗(yàn)的設計是(shì)對相同的(de)鈍體組合在不同的(de)流量情況下進(jìn)行試(shì)驗。以得到(dào)不同(tóng)組合下不同流(liú)量的測量數據(jù)。試驗的(de)采用數(shù)據如表所示。
流量(liàng)的選取不少(shǎo)于5個(gè)點，并(bìng)通過流量不完全相(xiàng)同的選取來達(dá)到覆(fù)蓋較(jiào)多流(liú)量範圍的(de)目的(de)。圖4a爲試驗(yàn)所得(dé)的各組雙(shuāng)鈍體(tǐ)和單鈍體(tǐ)斯特勞哈爾數(shù);圖4b是(shì)流量(liàng)和渦街頻(pín)率的關(guān)系(xì)曲線:圖4c爲各組雙鈍體和單(dān)鈍體斯特勞哈(hā)爾數标(biāo)準偏差(chà)曲(qǔ)線。
從(cóng)圖4a和(hé)圖4b中可以(yǐ)得出(chū)如(rú)下(xià)結論(lùn)。
雙鈍體的(de)斯特(tè)勞哈爾數(shù)比單鈍體(tǐ)斯特勞哈(hā)爾數大，不(bú)同組合雙(shuāng)鈍體的斯(sī)特勞(láo)哈爾數是不相同.的。不同(tóng)的雙(shuāng)鈍體(tǐ)組合(hé)的斯特勞哈爾(ěr)數的波動(dòng)不相
同的(de)，其斯(sī)特勞(láo)哈爾數的标準偏差如圖4c所示(shì)。從圖4c中可以(yǐ)知(zhī)道，雙(shuāng)鈍(dùn)體的斯(sī)特勞哈爾數波動是(shì)比(bǐ)較大的，在l=50~46mm之間偏差與(yǔ)單鈍體偏差相當。
由4b圖(tú)，該曲線(xiàn)的線性度與斯(sī)特勞(láo)哈爾(ěr)數标準偏差(chà)相對應(yīng)，當l=50~46mm時(shí)雙鈍(dùn)體流(liú)量--頻率曲(qǔ)線的(de)線性度較好。
綜上所述，對(duì)于雙鈍(dùn)體渦街(jiē)流量(liàng)計從測量的(de)線(xiàn)性範圍角度考慮應選擇l=50~46mm之間的組(zǔ)合方(fāng)式。
 
3.2雙(shuāng)鈍(dùn)體組合方式(shì)對渦街(jiē)強(qiáng)度的(de)影響
上面(miàn)得出雙鈍體流(liú)量計(jì)最佳(jiā)線性範圍(wéi)條件。流量(liàng)計的(de)另-一個重要(yào)的(de)問題是渦街強(qiáng)度，其直(zhí)接(jiē)影響(xiǎng)測:量信号的信噪比。其對降低(dī)量程下(xià)限有重(zhòng)要的意義。
爲研究雙(shuāng)鈍體(tǐ)組合對渦街強度的(de)影響。設計了如(rú)下試(shì)驗(yàn)。試驗裝(zhuāng)置如(rú)圖1所示;通(tōng)過改變距離l對(duì)鈍體(tǐ)進行組合(hé)并對(duì)該組鈍體(tǐ)在不(bú)同流(liú)量下(xià)進行(háng)試驗。試驗(yàn)所使用的(de)流量(liàng)是220.5m3/h,178.3m'/h,111.7m3/h,66.6m3/h等4組。使(shǐ)用的(de)鈍體組合有l=60mm,55mm，54mm，51mm，49mm,47mm,45mm,43mm,41mm,39mm,37mm,35mm，33mm,32mm，29mm等15個組合。
進行強(qiáng)度比較之前，需要對渦街的信(xìn)号特點進(jìn)行分(fèn)析(xī)并定出可以(yǐ)度量(liàng)強(qiáng)度(dù)的(de)量(liàng)。如圖3渦街(jiē)信号(hào)是周期性的但(dàn)其波動的幅值不(bú)等(děng)，故渦(wō)街的強度(dù)需要從統(tǒng)計.上進行(háng)比較(jiào)。試驗中制定的(de)渦街強度的統計量爲.
 
這裏`y表(biǎo)示的(de)是脈動(dòng)壓力信(xìn)号平均的波動(dòng)幅值，通過(guò)換算可得到渦(wō)街(jiē)的平均(jun1)脈動(dòng)強度(dù)。以後的所(suǒ)有有關強(qiáng)度比(bǐ)較都是(shì)以`y爲的(de)度量(liàng)。
圖5a是(shì)試驗(yàn)得(dé)到(dào)渦街的程(chéng)度在不(bú)同(tóng)組合在不同(tóng)流(liú)量下(xià)的比較(jiào)曲線，圖上的(de)p0是通過`y換(huàn)算(suàn)而.來(lái)的，可以(yǐ)認爲是渦街的平均脈動(dòng)強度。
圖5b是不同流量(liàng)下的渦街(jiē)平均(jun1)脈動(dòng)強度最大(dà)的放大倍數，這(zhè)時定義
 
從(cóng)不同(tóng)組合在不同流(liú)量渦(wō)街強度比(bǐ)較(jiào)曲線可(kě)以得(dé)到以(yǐ)下結論:
雙(shuāng)鈍體對渦街的強度有加強的(de)作用(yòng)。在不同的(de)流量下雙鈍體(tǐ)對渦街的加強(qiáng)程度是不一樣(yàng)的如圖6a所(suǒ)示。從(cóng)qv---β可以(yǐ)知(zhī)道在不(bú)同(tóng)流量下(xià)渦街(jiē)平均(jun1)強度最大(dà)的放大倍(bèi)數是(shì)不相(xiàng)同(tóng)的，β在qv=130m3/h時(shí)達到最大。
p0随l非線性(xìng)變化(huà)，在l=45~54mm之(zhī)間p0梯度很(hěn)小(xiǎo)，即(jí)在該區域内l的(de)變化對渦(wō)街強度的(de)影響不顯(xiǎn)著。
渦街的強度(dù)有一個峰值區(qū)域。當偏(piān)離(lí)這個(gè)區域(yù)後渦街的(de)強度發生(shēng)明顯的衰減。該峰值(zhí)區域(yù)與較小p0梯(tī)度區(qū)域(yù)重(zhòng)合。
相(xiàng)同流量(liàng)下(xià)，雙鈍(dùn)體渦(wō)街強度始(shǐ)終比(bǐ)單鈍體渦(wō)街大。在流量不(bú)變情(qíng)況下(xià)，當雙(shuāng)鈍體渦(wō)街強度(dù)接近(jìn)單鈍體渦(wō)街強(qiáng)度(dù)時，微小(xiǎo)的l變化會(huì)導(dǎo)緻(zhì)雙鈍(dùn)體卡門渦(wō)街現(xiàn)象(xiàng)的(de)消失，即存在一個産(chǎn)生(shēng)雙鈍體卡門(mén)渦街(jiē)的臨界距離le，且le與(yǔ)流量有(yǒu)關，在le處雙鈍體(tǐ)渦街強度和單鈍(dùn)體渦(wō)街強度(dù)相等。當l<le該流(liú)量下雙鈍體卡]渦街現象(xiàng)将消失(shī)。但le是(shì)否與尺度相(xiàng)關需要進一(yī)-步的研究。同樣(yàng)随l不斷增長是(shì)否也存(cún)在一個(gè)臨界距離也需(xū)要(yào)進一步研究(jiū)。
 
4結論
通過(guò)上述的試(shì)驗研(yán)究，可以得(dé)出(chū)以下的(de)結論(lùn):用(yòng)雙鈍體(tǐ)誘發卡(kǎ)門渦街(jiē)可以(yǐ)增(zēng)強渦街(jiē)的脈(mò)動平(píng)均強(qiáng)度，有(yǒu)利于提高(gāo)測量的信(xìn)噪比(bǐ)，降低渦街流量(liàng)計的(de)測(cè)量下限(xiàn)。最大強度(dù)鈍體(tǐ)的組(zǔ)合(hé)l=45~-54mm。
通過适(shì)當的(de)選擇鈍體(tǐ)的組合，雙鈍體(tǐ)渦街(jiē)流量(liàng)計(jì)的(de)精度和單(dān)鈍體(tǐ)渦街流(liú)量計是相當的(de)。最佳線性度鈍(dùn)體組合(hé)爲l=46~50mm。
綜上述，通(tōng)過兩個三角(jiǎo)型鈍(dùn)體組合(hé)可以得(dé)到與單鈍體渦(wō)街流量(liàng)計(jì)測量(liàng)精度相當(dāng)但信(xìn)号信噪比(bǐ)高、測量下(xià)限較低的(de)雙鈍(dùn)體渦街流(liú)量計(jì)。雙(shuāng)鈍體的(de)最佳組合方法(fǎ)是l=45~50mm之(zhī)間。

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