【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 做的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。結(jié)合仿真結(jié)果， 對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了處理和分析，最后給出了實(shí)驗(yàn)總結(jié)。 第七章 氣流量實(shí)驗(yàn)。介紹了氣流量實(shí)驗(yàn)裝置以及應(yīng)用不同形狀旋渦發(fā)生體渦街流量計(jì)在此實(shí)驗(yàn)裝置上所做的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。結(jié)合仿真結(jié)果， 對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了處理和分析，最 后給出了實(shí)驗(yàn)總結(jié)。 第 八 章 總結(jié)和建議。對(duì)課題研究中所完成的各項(xiàng)工作進(jìn)行了總結(jié)，并對(duì)本論文工作的研究方向和進(jìn)一步深入需要解決的問(wèn)題提出了建議。 錯(cuò)誤 !文檔中沒(méi)有指定樣式的文字。 錯(cuò)誤 !文檔中沒(méi)有指定樣式的文字。 10 錯(cuò)誤 !文檔中沒(méi)有指定樣式 的文字。 錯(cuò)誤 !文檔中沒(méi)有指定樣式的文字。 11 渦街流量傳感器的研究現(xiàn)狀 旋渦發(fā)生體的研究現(xiàn)狀 旋渦發(fā)生體是渦街流量傳感器的主要部件，旋渦發(fā)生體的幾何參數(shù)決定了旋渦產(chǎn)生的穩(wěn)定性以及脫落旋渦的強(qiáng)度。使用條件和流體本身的脈動(dòng)對(duì)渦街信號(hào)的影響很大，抗噪聲能力差和低流速下不敏感是渦街流量計(jì)兩大弱點(diǎn)，而設(shè)計(jì)出最佳的旋渦發(fā)生體形狀可以有效改善渦街信號(hào) [8]。對(duì)旋渦發(fā)生體幾何參數(shù)進(jìn)行研究，使之能夠產(chǎn)生既穩(wěn)定且強(qiáng)度高的旋渦， 吸引了許多研究者。 早期使用的旋渦發(fā)生體形狀為圓柱形。圓柱形由于幾何參數(shù)簡(jiǎn)單，便于研究。但是由于沒(méi)有銳邊，旋渦的分離點(diǎn)會(huì)變動(dòng)，影響 Strouhal 數(shù)的穩(wěn)定性，加大了頻率與流速的非線(xiàn)性。為了克服這個(gè)缺點(diǎn)，在后來(lái)的設(shè)計(jì)中更多的基于帶有銳邊的旋渦發(fā)生體。并且，由于單旋渦發(fā)生體在特定使用條件下不盡如人意，雙鈍體組合式旋渦發(fā)生體也開(kāi)始被廣泛研究。 單旋渦發(fā)生體形狀的研究 梯形的幾何結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于機(jī)械加工，斜面及銳邊利于旋渦的穩(wěn)定脫落，是目前最常用的一種發(fā)生體。 1989 年日本制訂了《渦街流量計(jì)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)》。在《標(biāo)準(zhǔn)》的“ 解說(shuō)”部分確定旋渦發(fā)生體各要素的依據(jù)，標(biāo)準(zhǔn)渦街流量計(jì)的旋渦發(fā)生體是梯形旋渦發(fā)生體，所選定尺寸是經(jīng)一系列優(yōu)化實(shí)驗(yàn)后的最優(yōu)尺寸，以?xún)x表線(xiàn)性度最優(yōu)為準(zhǔn)。其中，旋渦發(fā)生體寬度 W 為管道直徑 D 的 倍，旋渦發(fā)生體全長(zhǎng)H 為管道直徑 D 的 倍，旋渦發(fā)生體平行部分長(zhǎng)度 h 為管道直徑 D 的 倍，旋渦發(fā)生體尾緣夾角角度 (2θ)確定為 38176。 [9]。如圖 2－ 1 所示。 圖 2－ 1 但旋渦發(fā)生體的幾何形狀還在被不斷完善，很多科研工作者做了大量的研究。Cousins 為了對(duì)管道中旋渦發(fā)生體進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)做過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)工作。 Cousins 選擇了圓柱形、三角柱形和立方柱形這三種形狀規(guī)則的旋渦發(fā)生體，通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明了管道壁對(duì)卡門(mén)渦街現(xiàn)象的影響不可忽視，因此在對(duì)管道中的旋渦發(fā)生體進(jìn)行優(yōu)化的時(shí)候必須要將管道壁的影響因素考慮進(jìn)去，他將旋渦發(fā)生體 應(yīng)流面寬度 與管道直 徑的比值稱(chēng)為截流比系數(shù)，并以此系數(shù)作為設(shè)計(jì)旋渦發(fā)生體的一個(gè)參數(shù)。 通過(guò)實(shí)驗(yàn) ， 他給出了幾種形狀發(fā)生體與管道的最佳截流比系數(shù)，對(duì)于圓柱體來(lái)說(shuō)最錯(cuò)誤 !文檔中沒(méi)有指定樣式的文字。 錯(cuò)誤 !文檔中沒(méi)有指定樣式的文字。 12 佳截流比系數(shù)的范圍是 ～ ；等邊三角柱形為 ～ ；立方柱形是～ [10]。 Miau 等對(duì) T 形的延伸段長(zhǎng)度 L 和迎流面寬 度 D 的比值 （ L／ D） 進(jìn)行了研究，經(jīng)過(guò)一系列實(shí)驗(yàn)后，得到比值在 時(shí)，渦街信號(hào)最好，信噪比最高，并且儀表線(xiàn)性度最好 [11]。 Nakamura 對(duì)各種具有延伸段的旋渦發(fā)生體進(jìn)行更全面的研究，發(fā)現(xiàn)對(duì)斯特羅哈數(shù)影響最大的因素是延伸長(zhǎng)度與迎流面寬度的比值， 斯特羅哈數(shù) 隨比值的增大而減小 [12][13]。 等 通過(guò)在風(fēng)洞和水槽中進(jìn)行實(shí)流實(shí)驗(yàn)。對(duì)全長(zhǎng)相等、平行部分長(zhǎng)度為零的正方形、兩種梯形和三角形進(jìn)行研究， 研究流體 旋渦發(fā)生體尾緣形狀以及迎流角度 對(duì)渦街性能的影響， 認(rèn)為在全長(zhǎng)相等的情況下， 旋渦強(qiáng)度隨尾緣 夾角的增大而減小 ， 并得出 Sr 隨著分離點(diǎn)角度的增大而降低的結(jié)論 [14]。 如圖 22 所示。 圖 22 R. M. Darekar 通過(guò)數(shù)值仿真計(jì)算，對(duì)銳邊為 正弦曲線(xiàn)波狀 的 正方形柱體產(chǎn)生的渦街 流場(chǎng)進(jìn)行研究 。 認(rèn)為其 與 銳邊為直線(xiàn)的 正方形柱體相比，阻力減小 16％，阻力減小隨 流速 增大而增大 [15]。 Hans 等將 超聲波 技術(shù)運(yùn)用于渦街檢測(cè) ， 有效 減小旋渦發(fā)生體體積 ， 減小壓力損失。對(duì)三角 形、矩形和 T 形 旋渦發(fā)生體流場(chǎng) 進(jìn)行 仿真 研究 和實(shí)驗(yàn)，通過(guò)仿真發(fā)現(xiàn)T 形發(fā)生體二次渦街現(xiàn)象，并在實(shí)驗(yàn)測(cè)量中得到證實(shí)。通過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)，認(rèn)為 將三角形 或 T 形反放即尖頭迎流， 可以消除二次波 ，并可以有效 減小壓力損失 [16]。 對(duì)梯形旋渦發(fā)生體流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬 ， 通過(guò)改變長(zhǎng)度 H 與迎流面寬度 D 的比值以及 尾緣寬度 B 與迎流面寬度 D 的比值， 對(duì)不同形狀梯形旋渦發(fā)生體進(jìn)行比較分析。對(duì) H/D=、 B/D= 的旋渦發(fā)生體產(chǎn)生的流場(chǎng) 進(jìn)行仿真計(jì)算，發(fā)現(xiàn)在尾緣后部 處 速度變化幅值最大 ，旋渦最強(qiáng) [17]。 Lavante 等對(duì) T 形、 I 形和一種由三角形和圓形重疊組成的新型單鈍體形狀進(jìn)行仿真研究，認(rèn)為 新形狀具有更好的線(xiàn)性度 。 新形狀 由于尾部為鈍狀，沒(méi)有 銳邊，所以沒(méi)有二次渦街 效應(yīng)，頻率和平均流速具有更好的線(xiàn)性度。 斯特羅哈數(shù)Sr 在給定 雷諾數(shù) Re 范圍內(nèi)為常數(shù) [18]。 如圖 23 所示。 錯(cuò)誤 !文檔中沒(méi)有指定樣式的文字。 錯(cuò)誤 !文檔中沒(méi)有指定樣式的文字。 13 圖 23 彭杰剛等基于儀表線(xiàn)性度最優(yōu) 考慮， 在 50mm口徑管道中，以空氣為流動(dòng)介質(zhì)，對(duì)單旋渦發(fā)生體的幾何尺寸進(jìn)行研究，對(duì) 176。、 176。、 176。、 176。、 176。共 5種不同尾緣夾角角度的旋渦發(fā)生體進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明尾緣夾角為 176。的旋渦發(fā)生體具有最好的線(xiàn)性度 [19]。 雙旋渦發(fā)生體組合的研究 Igarashi[20][21]和 Keefe[22]， 對(duì)兩種新型旋 渦發(fā)生體進(jìn)行研究。一種為 中間有垂直軸線(xiàn) 方向縫隙的圓形旋渦發(fā)生體 ，另一種為 三角形與半圓形由縫隙組合的旋渦發(fā)生體 。 與傳統(tǒng)梯形旋渦發(fā)生體相比，中間有間隙的雙旋渦發(fā)生體組合壓力損失減小 40％到 60％ ， 具有更好的線(xiàn)性度，規(guī)律性，敏感度和量程比 。 最佳 迎流面寬度 d 與管道直徑 D 的比值為 到 。并認(rèn)為， 中間有垂直 軸線(xiàn) 方向縫隙的圓形 是最佳旋渦發(fā)生體形狀， d/D=, 縫隙寬度與迎流面寬度的比值為 。Olsen、 Rajagopalan[23]和 Pankanin[24]對(duì)這種類(lèi)型的發(fā)生體進(jìn)行了測(cè)試和優(yōu)化。 Bentley 和 Benson[25]對(duì)多種立方柱體進(jìn)行組合，通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)組合而成的旋渦發(fā)生體進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)由兩個(gè)或三個(gè)柱體組合而成的旋渦發(fā)生體旋渦產(chǎn)生的強(qiáng)度和穩(wěn)定性要強(qiáng)于單一立方柱體。在隨后的研究中 Bentley 和 Benson[26]又對(duì)立方柱體、三角柱體， V 形柱體的不同組合而形成的旋渦發(fā)生體進(jìn)行了研究 ,其中立方柱體和三角柱體的組合被認(rèn)為產(chǎn)生的旋渦信號(hào)質(zhì)量最好。 2021 年 Bentley 和Mudd[27]在明渠流中利用高速攝像技術(shù)對(duì)立方柱體和立方柱與三角柱的組合發(fā)生體的旋渦脫落機(jī)理進(jìn)行了研究。 Fuxin[28]和 Jiegang P[19]等 ，先確定單三角柱旋渦發(fā)生體線(xiàn)性度最好的幾何參數(shù)，并在此基礎(chǔ)上 對(duì) 雙三角柱旋渦發(fā)生體 進(jìn)行 軸向組合，選擇出雙三角形柱 合出的最佳旋渦發(fā)生體。 通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明，使用雙三角柱組合旋渦發(fā)生體有利于提高測(cè)量的信噪比， 降低渦街流量 計(jì)的測(cè)量下限。通過(guò)兩個(gè)三角型鈍體組合可以得到與單鈍體渦街流量計(jì)測(cè)量精度相當(dāng)?shù)盘?hào)信噪比高、測(cè)量下限較低的雙鈍體渦街流量計(jì)。 錯(cuò)誤 !文檔中沒(méi)有指定樣式的文字。 錯(cuò)誤 !文檔中沒(méi)有指定樣式的文字。 14 壓電探頭位置的研究 用壓電探頭檢測(cè)旋渦脫落的頻率，是目前渦街流量計(jì)中常見(jiàn)的方法，檢測(cè)旋渦脫落的探頭可以安裝在多個(gè)位置，一般而言比較常見(jiàn)的是將壓 電探頭放置在靠近旋渦發(fā)生體下游的位置。渦街現(xiàn)象中的旋渦要經(jīng)歷成長(zhǎng) —— 穩(wěn)定 —— 衰減三個(gè)階段，原則上旋渦檢測(cè)元件應(yīng)該安裝在旋渦強(qiáng)度最大穩(wěn)定性最好的位置，因此確定探頭放置的最佳位置也是許多渦街流量計(jì)研究者考慮的問(wèn)題之一。 Saffiman[29][30]等認(rèn)為旋渦的強(qiáng)度因?yàn)槟芰康暮纳?huì)隨著向旋渦發(fā)生體下游的運(yùn)動(dòng)而慢慢衰減，渦量隨之被淹沒(méi)，渦街之間中心線(xiàn)上的流動(dòng)也會(huì)逐漸趨于自由流動(dòng)的速度。 Taneda[31]通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明渦街現(xiàn)象的穩(wěn)定性，會(huì)在旋渦發(fā)生體后的某一點(diǎn)突然被破壞，他發(fā)現(xiàn)當(dāng)雷諾數(shù)范圍在 10Re103 時(shí) 渦街的衰減點(diǎn)在 50 倍管徑處，并認(rèn)為隨著 Re 數(shù)的進(jìn)一步增加 ， 衰減點(diǎn)會(huì)向前移，但他并沒(méi)有給出兩者之間具體的函數(shù)關(guān)系式。 Pankanin[32]在 40mm管徑上對(duì)帶有凹槽的圓柱發(fā)生體不同位置的渦街信號(hào)進(jìn)行了研究，研究發(fā)現(xiàn)不同位置的渦街信號(hào)對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響是很大的，而且旋渦發(fā)生體的 幾何參數(shù) 變化也會(huì)影響旋渦信號(hào)的最佳 檢測(cè) 位置。 Marshall[33][34]利用渦街尾跡的連續(xù)譜理論，結(jié)合粘度耗散，對(duì)渦街的衰減標(biāo)準(zhǔn)通過(guò)解析的方法進(jìn) 行了分析。分析表明，在旋渦發(fā)生體某個(gè)確定位置之后，波長(zhǎng)會(huì)迅速增長(zhǎng) ，破壞渦街的周期性，并 給出了渦街開(kāi)始衰減時(shí)的解析方程。 2( 4 / 15 ) ( e / )bdx R Sr??? （ 21） 其中 bdx 為渦街開(kāi)始衰減的位置； Re 為被測(cè)流體的雷諾數(shù)； Sr 為斯特勞哈數(shù)； ?為尾跡中心流的無(wú)量綱參數(shù)。 Hans 和 Windorfer[35]在旋渦發(fā)生體的上流位置來(lái)檢測(cè)旋渦產(chǎn)生的頻率。他們?cè)谛郎u發(fā)生體上流位置放置超聲波傳感器，通 過(guò)對(duì)超聲波傳感器檢測(cè)的信號(hào)進(jìn)行譜分析發(fā)現(xiàn)主譜的頻率值與渦街發(fā)生的頻率是一致的。需要注意的是他們實(shí)驗(yàn)所用的旋渦發(fā)生體是三角柱形，而對(duì) T 形柱用類(lèi)似方法時(shí)則檢測(cè)不到旋渦產(chǎn)生的頻率。 Igarashi通過(guò)對(duì)不同形狀旋渦發(fā)生體的研究，認(rèn)為在分離點(diǎn)后的位置，渦街信號(hào)最強(qiáng)，是最佳檢測(cè)位置 [20]。 渦街流量傳感器流場(chǎng)數(shù)值仿真的研究 受直接觀測(cè)條件的限制，用數(shù)值仿真的方法研究傳感器內(nèi)部流場(chǎng)的變化是一種非常有效的方法，它可以使研究者很直觀的觀察到流場(chǎng)的實(shí)時(shí)變化，對(duì)研究流場(chǎng)的內(nèi)部信息具有很強(qiáng)的 指導(dǎo) 意義。根據(jù)仿真結(jié)果來(lái)指導(dǎo)物理實(shí) 驗(yàn)，并根據(jù)物理實(shí)驗(yàn)錯(cuò)誤 !文檔中沒(méi)有指定樣式的文字。 錯(cuò)誤 !文檔中沒(méi)有指定樣式的文字。 15 結(jié)果進(jìn)一步完善傳感器結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)低成本高效率的良性開(kāi)發(fā)循環(huán)。 數(shù)值仿真一個(gè)最重要的要求是所用到的數(shù)值計(jì)算的模型必須能夠如實(shí)的反映真實(shí)流場(chǎng)中的流動(dòng)情況。很早人們就認(rèn)識(shí)到利用 NavierStokes（ NS）方程能夠模擬渦街流量傳感器流場(chǎng)中的現(xiàn)象并且試圖得到數(shù)值解。人們嘗試了直接求解 NS方程的各種方法，包括差分方法，有限分析解法，有限元法，譜方法和基于邊界層方程的各種正、反解法以及粘性 /無(wú)粘干擾方法。 O. Lnoue[36]等人用有限差分求解 NS 方程的方法，對(duì)渦街流場(chǎng)進(jìn)行模擬，研究了旋 渦發(fā)生體上受力情況。但由于當(dāng)時(shí)缺乏運(yùn)算速度和存儲(chǔ)容量足夠大的計(jì)算機(jī)，因此很難得到令人滿(mǎn)意的計(jì)算結(jié)果。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，以及一些商用 CFD 軟件的出現(xiàn)，可以比較方便且容易的借助 CFD 軟件對(duì)渦街流量傳感器進(jìn)行優(yōu)化。 數(shù)值模擬研究的意義與現(xiàn)狀 渦街流量傳感器內(nèi)部的壓力場(chǎng)、速度場(chǎng)反映了流體在傳感器內(nèi)部的流動(dòng)特性。通過(guò)分析渦街流量傳感器的壓力分布、速度分布，能夠深入了解流體與傳感器結(jié)構(gòu)部件之間相互作用的機(jī)理，評(píng)價(jià)傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性，從而優(yōu)化其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和幾何參數(shù)。 目前，獲得渦街流量傳感器流場(chǎng)內(nèi)部信息有兩種方法， 即通過(guò)實(shí)驗(yàn)手段直接獲取流場(chǎng)內(nèi)部信息和利用數(shù)值仿真的方法模擬出渦街內(nèi)部流場(chǎng)從而獲取流場(chǎng)內(nèi)部信息。直接測(cè)量真實(shí)流場(chǎng)的流動(dòng)特性，前期投資巨大，并且對(duì)實(shí)驗(yàn)條件要求較高。熱線(xiàn)風(fēng)速儀、激光多普勒測(cè)速（ LDV）、粒子成像技術(shù)（ PIV）是目前常用的直接測(cè)量方法，在文獻(xiàn) [37][39]中應(yīng)用這些方法對(duì)渦街流場(chǎng)進(jìn)行了研究。 隨著計(jì)算流體力學(xué)（ CFD）技術(shù)的發(fā)展以及計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷提高，利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的計(jì)算能力和較完善的流體計(jì)算模型，對(duì)渦街流量傳感器內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值仿真的方法已越來(lái)越多的被采用。 運(yùn)用 Helmholtz分解方法對(duì)圓柱形渦街流場(chǎng)模擬，研究動(dòng)力學(xué)特性 [40]。 發(fā)生體渦街流場(chǎng)，分析層流渦街流場(chǎng)及熱交換 [41]。 等運(yùn)用 Exp、 RANS、 LES和 CVC 四種數(shù)值模擬方法模擬正方形旋渦發(fā)生體流場(chǎng)，通過(guò)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比，最終認(rèn)為 LES 和 RANS 兩種數(shù)值模擬方法更好 [42]。 等人用有限差分求解 NS 方程的方法，對(duì)渦街流場(chǎng)進(jìn)行模擬，研究了旋渦發(fā)生體上受力情況 [36]。 等人用 lattice Boltzmann 方法對(duì)兩維渦街流場(chǎng)進(jìn)行仿真，研 究了雷諾數(shù)和剪切率對(duì)渦結(jié)構(gòu)的影響 [43]。彭杰綱采用商用 CFD 軟件 FLUENT 對(duì)雙鈍體渦街流場(chǎng)進(jìn)行了仿真，得到了最優(yōu)雙鈍體結(jié)構(gòu) [44]。黃詠梅用 FLUENT 研究了旋渦發(fā)生體前后壓差與流速之間的關(guān)系，提出了渦街質(zhì)量流量計(jì)的思想 [45]。 雖然旋渦發(fā)生體形狀以及檢測(cè)位置的不同對(duì)渦街測(cè)量有直接影響，但是由于受檢測(cè)條件的限制，對(duì)旋渦發(fā)生體形狀以及檢測(cè)位置的研究并不充分 [46]。利用數(shù)值仿錯(cuò)誤 !文檔中沒(méi)有指定樣式的文字。 錯(cuò)誤 !文檔中沒(méi)有指定樣式的文字。 16 真的方法模擬不同旋渦發(fā)生體渦街流量傳感器內(nèi)部流場(chǎng)，進(jìn)而確定最