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渦街流量計的信號檢測
關鍵字:流量計,渦街流量計    日期:2012-8-17 8:56:56

 當旋渦從發生體兩側交替分離,形成穩定的卡曼渦街時,
產生旋渦分離的發生體本身和它周圍(上游、兩側和下游)區域
的流體都伴隨出現一些物理現象,分析和研究這些現象的規律,
可尋找到檢測渦街信號的方法。
    一、渦街流量計交變環流
    在無旋的流場中插入一根阻流體,就會產生旋渦分離現象。
    根據旋渦運動的基本性質,如果作用在流體上的質量力具
有力勢,則沿封閉流動圍線(封閉流動圍線是指流動中在不同時
刻,通過相同的一些流體質點所作的圍線)的環量不隨時間而
變,即dΓ/dt0,這就是湯姆森定理。
    根據湯姆森定理,如果設在給定瞬間沿某任意封閉流動圍
r)線的環量r≠0,則按斯托克斯定理,
  就表明有旋渦存在。由于旋渦分離出現
  了環量,并假設該環量為正,因此必然
  同時出現與旋渦環量相反的負環量,來
廠)與之相抵消。
   

如圖所示,當旋渦從發生體下側面分離時,如該旋渦具有正環量,則
與此同時就具有一個環繞發生體的順時針環流產生。根據湯姆森
定理,該環流所具有的環量為負值,且大小與旋渦環量相等。
    當旋渦向下游運動離開發生體時,流體中的負環量也被帶
走,順時針環流隨之消失。同樣,當旋渦在發生體的上側面分離時,設該旋渦具有環量為-r,則同時有一個逆時針的環流
產生,該環流具有的環量為+r,大小與旋渦環量相等。這樣
隨著流體連續流動旋渦就交替分離,環流交替產生。可以看出,
交替改變方向的環流與交替分離的旋渦是同步的,即交變環流
的頻率與旋渦頻率相等。
    二、渦街流量計局部流速變化
    當旋渦分離時,伴隨交變環流的產生,發生體周圍就出現
局部流速的變化,這是環流流動與主流流動疊加作用的結果。
使部分區域的流速加快,部分區域的流速減慢。圖5-2給出了
兩種典型的情況。在圖5 - 2(a)中,如以發生體流動方向的軸線
為界,發生體上側面(包括發生體前呆滯點以上)區域,由于旋
渦分離和環流的形成,環流方向與主流流速方向相同,這個區
域的流速被加快。而在發生體的下側面,兩種流速的方向相反,
使這個區域的流速減慢。

    圖交變環流引起局部流速變化
    這種局部流速的變化與旋渦強度有關,旋渦越強流速變化
越大。
    三、渦街流量計壓力脈動
    如前所述,隨著旋渦交替分離,旋渦與交變環流的作用,
使發生體兩側流速出現同步脈動,自然也會引起壓力的脈動.國外學者曾進行過一項物理實驗,在水和空氣中,并在較寬
的流速范圍內,當旋渦分離時,用經過標定的壓電壓力傳感器,
測量壓力變化的頻率和幅值。試驗結果表明,壓力脈動的頻率
與旋渦頻率相同,而脈動的幅值與脈動區域的流體密度及平均
流速平方的乘積(pU2)成正比。這一結果以圖5-3的曲線表示
出來。


    圖壓力脈動與頻率的關系
    曲線中壓力脈動信號幅值對pƒ2做了歸一化處理。在水和
空氣中測得的信號幅值隨頻率變化,較好地疊合成一條水平
直線。
    由于頻率與流速之間是線性關系,所以可直接把壓力脈動
的幅值寫成
    dP=KppU2    (5 -1)
式中  Kp——常數;
    P-測試點的平均密度;
    U-測試點的平均流速。
    圖是旋渦從發生體分離瞬間,發生體表面的壓力場變
化的情況。這是在Re為1.12×lO5時,旋渦分離的1/3周期內,
發生體表面壓力場變化的順序圖,每幅圖右上方注明了時間。
從圖中可看出旋渦交替分離時,流體作用于發生體垂直方向的升力和流動方向阻力的變化。

圖旋渦分離時圓柱表面壓力場變化順序
 

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