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渦街流量計的信號檢測
關(guān)鍵字：流量計,渦街流量計 日期：2012-8-17 8:56:56
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當旋渦從發(fā)生體兩側(cè)交替分離，形成穩(wěn)定的卡曼渦街時，
產(chǎn)生旋渦分離的發(fā)生體本身和它周圍（上游、兩側(cè)和下游）區(qū)域
的流體都伴隨出現(xiàn)一些物理現(xiàn)象，分析和研究這些現(xiàn)象的規(guī)律，
可尋找到檢測渦街信號的方法。
一、渦街流量計交變環(huán)流
在無旋的流場中插入一根阻流體，就會產(chǎn)生旋渦分離現(xiàn)象。
根據(jù)旋渦運動的基本性質(zhì)，如果作用在流體上的質(zhì)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(zhì)點所作的圍線）的環(huán)量不隨時間而
變，即dΓ/dt0，這就是湯姆森定理。
根據(jù)湯姆森定理，如果設(shè)在給定瞬間沿某任意封閉流動圍
r）線的環(huán)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(xiàn)
了環(huán)量，并假設(shè)該環(huán)量為正，因此必然
同時出現(xiàn)與旋渦環(huán)量相反的負環(huán)量，來
廠）與之相抵消。
如圖所示，當旋渦從發(fā)生體下側(cè)面分離時，如該旋渦具有正環(huán)量，則
與此同時就具有一個環(huán)繞發(fā)生體的順時針環(huán)流產(chǎn)生。根據(jù)湯姆森
定理，該環(huán)流所具有的環(huán)量為負值，且大小與旋渦環(huán)量相等。
當旋渦向下游運動離開發(fā)生體時，流體中的負環(huán)量也被帶
走，順時針環(huán)流隨之消失。同樣，當旋渦在發(fā)生體的上側(cè)面分離時，設(shè)該旋渦具有環(huán)量為-r，則同時有一個逆時針的環(huán)流
產(chǎn)生，該環(huán)流具有的環(huán)量為+r，大小與旋渦環(huán)量相等。這樣
隨著流體連續(xù)流動旋渦就交替分離，環(huán)流交替產(chǎn)生。可以看出，
交替改變方向的環(huán)流與交替分離的旋渦是同步的，即交變環(huán)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(huán)流的產(chǎn)生，發(fā)生體周圍就出現(xiàn)
局部流速的變化，這是環(huán)流流動與主流流動疊加作用的結(jié)果。
使部分區(qū)域的流速加快，部分區(qū)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(fā)生體流動方向的軸線
為界，發(fā)生體上側(cè)面（包括發(fā)生體前呆滯點以上）區(qū)域，由于旋
渦分離和環(huán)流的形成，環(huán)流方向與主流流速方向相同，這個區(qū)
域的流速被加快。而在發(fā)生體的下側(cè)面，兩種流速的方向相反，
使這個區(qū)域的流速減慢。
圖交變環(huán)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(guān)，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(huán)流的作用，
使發(fā)生體兩側(cè)流速出現(xiàn)同步脈動，自然也會引起壓力的脈動.國外學(xué)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(nèi)，當旋渦分離時，用經(jīng)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(jié)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(qū)域的流體密度及平均
流速平方的乘積(pU2)成正比。這一結(jié)果以圖5-3的曲線表示
出來。
圖壓力脈動與頻率的關(guān)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(guān)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(shù)；
P-測試點的平均密度；
U-測試點的平均流速。
圖是旋渦從發(fā)生體分離瞬間，發(fā)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(nèi)，
發(fā)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(fā)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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