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渦街流量計(jì)的信號(hào)檢測(cè)
關(guān)鍵字：流量計(jì),渦街流量計(jì) 日期：2012-8-17 8:56:56
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當(dāng)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(shí)，
產(chǎn)生旋渦分離的發(fā)生體本身和它周?chē)ㄉ嫌巍蓚?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(cè)渦街信號(hào)的方法。
一、渦街流量計(jì)交變環(huán)流
在無(wú)旋的流場(chǎng)中插入一根阻流體，就會(huì)產(chǎn)生旋渦分離現(xiàn)象。
根據(jù)旋渦運(yùn)動(dòng)的基本性質(zhì)，如果作用在流體上的質(zhì)量力具
有力勢(shì)，則沿封閉流動(dòng)圍線(xiàn)（封閉流動(dòng)圍線(xiàn)是指流動(dòng)中在不同時(shí)
刻，通過(guò)相同的一些流體質(zhì)點(diǎn)所作的圍線(xiàn)）的環(huán)量不隨時(shí)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(dòng)圍
r）線(xiàn)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(shí)出現(xiàn)與旋渦環(huán)量相反的負(fù)環(huán)量，來(lái)
廠(chǎng)）與之相抵消。
如圖所示，當(dāng)旋渦從發(fā)生體下側(cè)面分離時(shí)，如該旋渦具有正環(huán)量，則
與此同時(shí)就具有一個(gè)環(huán)繞發(fā)生體的順時(shí)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(fù)值，且大小與旋渦環(huán)量相等。
當(dāng)旋渦向下游運(yùn)動(dòng)離開(kāi)發(fā)生體時(shí)，流體中的負(fù)環(huán)量也被帶
走，順時(shí)針環(huán)流隨之消失。同樣，當(dāng)旋渦在發(fā)生體的上側(cè)面分離時(shí)，設(shè)該旋渦具有環(huán)量為-r，則同時(shí)有一個(gè)逆時(shí)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(dòng)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(jì)局部流速變化
當(dāng)旋渦分離時(shí)，伴隨交變環(huán)流的產(chǎn)生，發(fā)生體周?chē)统霈F(xiàn)
局部流速的變化，這是環(huán)流流動(dòng)與主流流動(dòng)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(dòng)方向的軸線(xiàn)
為界，發(fā)生體上側(cè)面（包括發(fā)生體前呆滯點(diǎn)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(gè)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(gè)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(qiáng)度有關(guān)，旋渦越強(qiáng)流速變化
越大。
三、渦街流量計(jì)壓力脈動(dòng)
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(dòng)，自然也會(huì)引起壓力的脈動(dòng).國(guó)外學(xué)者曾進(jìn)行過(guò)一項(xiàng)物理實(shí)驗(yàn)，在水和空氣中，并在較寬
的流速范圍內(nèi)，當(dāng)旋渦分離時(shí)，用經(jīng)過(guò)標(biāo)定的壓電壓力傳感器，
測(cè)量壓力變化的頻率和幅值。試驗(yàn)結(jié)果表明，壓力脈動(dòng)的頻率
與旋渦頻率相同，而脈動(dòng)的幅值與脈動(dòng)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(xiàn)表示
出來(lái)。
圖壓力脈動(dòng)與頻率的關(guān)系
曲線(xiàn)中壓力脈動(dòng)信號(hào)幅值對(duì)pƒ2做了歸一化處理。在水和
空氣中測(cè)得的信號(hào)幅值隨頻率變化，較好地疊合成一條水平
直線(xiàn)。
由于頻率與流速之間是線(xiàn)性關(guān)系，所以可直接把壓力脈動(dòng)
的幅值寫(xiě)成
dP=KppU2 (5 -1)
式中 Kp——常數(shù)；
P-測(cè)試點(diǎn)的平均密度；
U-測(cè)試點(diǎn)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(chǎng)變
化的情況。這是在Re為1.12×lO5時(shí)，旋渦分離的1/3周期內(nèi)，
發(fā)生體表面壓力場(chǎng)變化的順序圖，每幅圖右上方注明了時(shí)間。
從圖中可看出旋渦交替分離時(shí)，流體作用于發(fā)生體垂直方向的升力和流動(dòng)方向阻力的變化。
圖旋渦分離時(shí)圓柱表面壓力場(chǎng)變化順序
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