1、,流體力學(xué)在渦街流量計(jì)中的應(yīng)用,組員：李俊杰 孫超 周強(qiáng) 馬良博 李露,2,一.卡門渦街的形成原理,1.1 簡(jiǎn)介 卡門漩渦又稱卡爾曼漩渦，是粘性不可壓縮流體力學(xué)所研究的一種現(xiàn)象。來(lái)流繞過某些物體時(shí)，物體尾流左右兩側(cè)產(chǎn)生的成對(duì)的、交替排列的、旋轉(zhuǎn)方向相反的反對(duì)稱漩渦，如圖1所示。流體繞流高大煙囪、高層建筑、油管道、換熱器管束時(shí)都會(huì)產(chǎn)生卡門漩渦。,圖1 卡門渦街,3,1.2 形成條件 流體繞流靜止的圓柱體，當(dāng)雷諾數(shù)很低時(shí)(Re4時(shí)，將引起邊界層的的分離，并在圓柱下游形成兩個(gè)“附著渦”圖2(b)。 當(dāng)雷諾數(shù)增大到大約40時(shí)，在圓柱的后面便產(chǎn)生一對(duì)旋轉(zhuǎn)方向相反的對(duì)稱漩渦。當(dāng)雷諾數(shù)超過40后，對(duì)稱漩渦不

2、斷增長(zhǎng)并擺動(dòng)，直到Re=60時(shí)，這對(duì)不穩(wěn)定的對(duì)稱漩渦分裂，形成等間隔規(guī)則排列的渦列，這就是卡門漩渦圖2(c)。,4,圖2 卡門渦街形成示意圖,對(duì)于有規(guī)則的卡門渦街，只能在Re=60到5000內(nèi)觀察到，而且多數(shù)情況下渦街是不穩(wěn)定的。研究發(fā)現(xiàn)，只有當(dāng)兩列漩渦之間的距離h與同列中相鄰兩個(gè)漩渦間距離l之比為0.281時(shí)，卡門渦街才是穩(wěn)定的。,5,二.卡門渦街的工程問題,2.1 卡門渦街危害實(shí)例 20世紀(jì)40年代，美國(guó)塔科瑪峽谷橋（Tacoma Narrow Bridge）風(fēng)毀事故的慘痛教訓(xùn)，使人們認(rèn)識(shí)到卡門渦街的重要性。 1940年，美國(guó)在華盛頓州的塔科瑪峽谷上花費(fèi)640萬(wàn)美元，建造了一座主跨度853

3、.4米的懸索橋。建成4個(gè)月后，于同年11月7日碰到了一場(chǎng)風(fēng)速為19米/秒的風(fēng)。雖風(fēng)不算大，但橋卻發(fā)生了劇烈的扭曲振動(dòng)，且振幅越來(lái)越大（接近9米），直到橋面傾斜到45度左右，使吊桿逐根拉斷導(dǎo)致橋面鋼梁折斷而塌毀，墜落到峽谷之中。,6,圖3 橋面旋轉(zhuǎn)扭曲振動(dòng)和主梁損毀,7,2.2 實(shí)例分析 對(duì)卡門渦街的實(shí)驗(yàn)研究表明，當(dāng)流體繞流一根圓柱時(shí)，在雷諾數(shù)為200到50000時(shí)，柱后漩渦的脫體頻率與繞流速度 成正比，與圓柱體直徑d成反比，即 其中Sr為斯特勞哈爾數(shù)，其數(shù)值與柱體的斷面形狀 、 柱體流道的相對(duì)尺寸以及流動(dòng)雷諾數(shù)有關(guān)。 塔科瑪橋的風(fēng)毀事故，是一定流速的流體流經(jīng)邊墻時(shí)，產(chǎn)生了卡門渦街；卡門渦街后渦

4、的交替發(fā)放，會(huì)在物體上產(chǎn)生垂直于流動(dòng)方向的交變側(cè)向力，迫使橋梁產(chǎn)生振動(dòng)，當(dāng)發(fā)放頻率與橋梁結(jié)構(gòu)的固有頻率相耦合時(shí)，就會(huì)發(fā)生共振，造成破壞。,(1),8,三.卡門渦街流量計(jì),3.1 卡門渦街流量計(jì)原理 測(cè)量管道中流體流速時(shí)，由于管道和旋流發(fā)生器結(jié)構(gòu)尺寸確定，根據(jù)不可壓縮流體連續(xù)性方程可知：,圖4 卡門渦街示意圖,9,(2),(3),10,大量的試驗(yàn)表明 , 對(duì)于 許多經(jīng)過適當(dāng)選擇的柱型 , 由于Sr在很寬的雷諾數(shù)范圍內(nèi)可以看成是常數(shù) 。一旦柱體和流道的幾何尺寸及其形狀確定后 ,f便與 成為簡(jiǎn)單的正比關(guān)系 , 因而檢測(cè)出漩渦的頻率 , 便可以測(cè)得流速 , 并以此推知其流量 ,這就是渦街流量計(jì)的基本原

5、理 。 3.2 漩渦分離頻率檢測(cè)方法 利用伴隨漩渦分離的物理效應(yīng) ,可以采用熱敏 、力敏元件或通過光 、聲調(diào)制方法等來(lái)檢測(cè)漩渦分離頻率。,11,至今用于檢測(cè)分離頻率的方法和采用的元件是多種多樣的 , 歸納起來(lái)有以下幾種典型方法 : (1)熱敏元件檢測(cè)方法：漩渦分離產(chǎn)生的交變環(huán)流所引起的柱體表面速度脈動(dòng)或者交變橫向流的頻率,用加熱的金屬絲 、熱敏電阻器等進(jìn)行檢測(cè) 。 (2)力敏元件檢測(cè)方法：漩渦分離造成的交變差壓、交變升力或者交變升力引起的機(jī)械振動(dòng) ,用差動(dòng)電容、 電阻應(yīng)變片、 壓電晶體 、 壓電陶瓷等檢測(cè) 。 (3)電磁傳感器檢測(cè)方法：漩渦的分離所引起的膜片或者梭球等的往復(fù)振動(dòng)的頻率, 用電磁

6、傳感器檢測(cè) 。 (4) 聲、 光信號(hào)調(diào)制檢測(cè)方法：利用聲束光束通過渦街時(shí)受到漩渦的調(diào)制 , 由接收聲強(qiáng)光強(qiáng)或相位的脈動(dòng)頻率得到漩渦分離頻率 。,12,3.3渦街流量計(jì)的組成和分類,圖5 渦街流量計(jì),13,渦街流量計(jì)由殼體 、漩渦發(fā)生體和放大器組成。如圖 5所示 , 殼體內(nèi)插入柱體 , 由其產(chǎn)生的渦街信號(hào)可用各種檢測(cè)方式檢出 , 經(jīng)放大器放大后 ,輸出脈沖信號(hào)。 渦街流量計(jì)的正式產(chǎn)品目前采用的漩渦發(fā)生體是多種多樣 的 , 但大量采用的圓管內(nèi)漩渦發(fā)生體都是柱體 , 按其斷面形狀分為5種: 圓柱;三角柱; 矩形柱;梯形柱;T形柱。 渦街流量計(jì)種類分析： 圓柱渦街流量計(jì)柱體斷面輪廓是圓，圓柱具有較高的

7、Sr 數(shù)。 矩形柱形狀簡(jiǎn)單, 利于大批量生產(chǎn), 由于形狀徒斷,漩渦強(qiáng)度大, 渦街強(qiáng)烈。 三角柱渦街流量計(jì)具有較好發(fā)展?jié)摿? 柱體斷面是等腰三角形 底邊迎向來(lái)流, 三角柱漩渦強(qiáng)度適中,渦街穩(wěn)定而規(guī)則。,14,四.總結(jié),1.通過流體力學(xué)對(duì)渦街流量計(jì)的分析可知渦街流量計(jì)是一種數(shù)字式流量計(jì) ,它直接輸出的脈沖信號(hào)的頻率與流量成線性關(guān)系 , 便于遠(yuǎn)距離無(wú)精度損失的傳輸。 此外儀表常數(shù)及精度不受介質(zhì)的壓力、溫度、密度等變量的影響，一旦流量計(jì)的結(jié)構(gòu)確定 , 流體振蕩就服從一定的客觀規(guī)律 , 其振蕩頻率不能人為地改變 , 因而儀表常數(shù)及其變化規(guī)律是客觀的 。 2.渦街流量計(jì)是一種無(wú)運(yùn)動(dòng)部件的流量計(jì), 按其原理分類屬于振蕩型流量計(jì)。由于渦街流量計(jì)不含有運(yùn)動(dòng)部件 , 因而在使用過程中 , 可靠性高 , 使用壽命長(zhǎng), 精確度穩(wěn)定, 再現(xiàn)性好。,15,3.由于渦街流量計(jì)是利用流體自身的規(guī)則振蕩來(lái)計(jì)量流量的 , 因而對(duì)來(lái)流的速度分布及流動(dòng)噪聲比較敏感,因此在應(yīng)用過程中對(duì)管道安裝狀況要求較高。對(duì)上游不同形式的阻力件必須配置足夠長(zhǎng)的直管段 , 以保證儀表的測(cè)量精度 。,1