流体力学在涡街流量计中的应用

1、流体力学在涡街流量计中的应用组员：李俊杰 孙超 周强 马良博 李露卡门涡街的形成原理卡门涡街的工程问题卡门涡街流量计总结2一.卡门涡街的形成原理1.1 简介 卡门漩涡又称卡尔曼漩涡，是粘性不可压缩流体力学所研究的一种现象。来流绕过某些物体时，物体尾流左右两侧产生的成对的、交替排列的、旋转方向相反的反对称漩涡，如图1所示。流体绕流高大烟囱、高层建筑、油管道、换热器管束时都会产生卡门漩涡。图1 卡门涡街31.2 形成条件 流体绕流静止的圆柱体，当雷诺数很低时(Re4时，将引起边界层的的分离，并在圆柱下游形成两个“附着涡”图2(b)。 当雷诺数增大到大约40时，在圆柱的后面便产生一对旋转方向相反的对

2、称漩涡。当雷诺数超过40后，对称漩涡不断增长并摆动，直到Re=60时，这对不稳定的对称漩涡分裂，形成等间隔规则排列的涡列，这就是卡门漩涡图2(c)。4图2 卡门涡街形成示意图 对于有规则的卡门涡街，只能在Re=60到5000内观察到，而且多数情况下涡街是不稳定的。研究发现，只有当两列漩涡之间的距离h与同列中相邻两个漩涡间距离l之比为0.281时，卡门涡街才是稳定的。5二.卡门涡街的工程问题2.1 卡门涡街危害实例 20世纪40年代，美国塔科玛峡谷桥（Tacoma Narrow Bridge）风毁事故的惨痛教训，使人们认识到卡门涡街的重要性。 1940年，美国在华盛顿州的塔科玛峡谷上花费640万

3、美元，建造了一座主跨度853.4米的悬索桥。建成4个月后，于同年11月7日碰到了一场风速为19米/秒的风。虽风不算大，但桥却发生了剧烈的扭曲振动，且振幅越来越大（接近9米），直到桥面倾斜到45度左右，使吊杆逐根拉断导致桥面钢梁折断而塌毁，坠落到峡谷之中。6图3 桥面旋转扭曲振动和主梁损毁72.2 实例分析 对卡门涡街的实验研究表明，当流体绕流一根圆柱时，在雷诺数为200到50000时，柱后漩涡的脱体频率与绕流速度 成正比，与圆柱体直径d成反比，即其中Sr为斯特劳哈尔数，其数值与柱体的断面形状 、 柱体流道的相对尺寸以及流动雷诺数有关。 塔科玛桥的风毁事故，是一定流速的流体流经边墙时，产生了卡门

4、涡街；卡门涡街后涡的交替发放，会在物体上产生垂直于流动方向的交变侧向力，迫使桥梁产生振动，当发放频率与桥梁结构的固有频率相耦合时，就会发生共振，造成破坏。(1)dvSrf11v8三.卡门涡街流量计3.1 卡门涡街流量计原理 测量管道中流体流速时，由于管道和旋流发生器结构尺寸确定，根据不可压缩流体连续性方程可知：图4 卡门涡街示意图9(2)(3)10 大量的试验表明 , 对于 许多经过适当选择的柱型 , 由于Sr在很宽的雷诺数范围内可以看成是常数 。一旦柱体和流道的几何尺寸及其形状确定后 ,f便与 成为简单的正比关系 , 因而检测出漩涡的频率 , 便可以测得流速 , 并以此推知其流量 ,这就是涡

5、街流量计的基本原理 。3.2 漩涡分离频率检测方法 利用伴随漩涡分离的物理效应 ,可以采用热敏 、力敏元件或通过光 、声调制方法等来检测漩涡分离频率。1vDdmDdDdDd25.11,)(sin3.01则有时，当11 至今用于检测分离频率的方法和采用的元件是多种多样的 , 归纳起来有以下几种典型方法 : (1)热敏元件检测方法：漩涡分离产生的交变环流所引起的柱体表面速度脉动或者交变横向流的频率,用加热的金属丝 、热敏电阻器等进行检测 。 (2)力敏元件检测方法：漩涡分离造成的交变差压、交变升力或者交变升力引起的机械振动 ,用差动电容、 电阻应变片、 压电晶体 、 压电陶瓷等检测 。(3)电磁传

6、感器检测方法：漩涡的分离所引起的膜片或者梭球等的往复振动的频率, 用电磁传感器检测 。 (4) 声、 光信号调制检测方法：利用声束光束通过涡街时受到漩涡的调制 , 由接收声强光强或相位的脉动频率得到漩涡分离频率 。123.3涡街流量计的组成和分类图5 涡街流量计13 涡街流量计由壳体 、漩涡发生体和放大器组成。如图 5所示 , 壳体内插入柱体 , 由其产生的涡街信号可用各种检测方式检出 , 经放大器放大后 ,输出脉冲信号。 涡街流量计的正式产品目前采用的漩涡发生体是多种多样 的 , 但大量采用的圆管内漩涡发生体都是柱体 , 按其断面形状分为5种: 圆柱;三角柱; 矩形柱;梯形柱;T形柱。 涡街

7、流量计种类分析： 圆柱涡街流量计柱体断面轮廓是圆，圆柱具有较高的Sr 数。 矩形柱形状简单, 利于大批量生产, 由于形状徒断,漩涡强度大, 涡街强烈。 三角柱涡街流量计具有较好发展潜力, 柱体断面是等腰三角形 底边迎向来流, 三角柱漩涡强度适中,涡街稳定而规则。14四.总结1.通过流体力学对涡街流量计的分析可知涡街流量计是一种数字式流量计 ,它直接输出的脉冲信号的频率与流量成线性关系 , 便于远距离无精度损失的传输。 此外仪表常数及精度不受介质的压力、温度、密度等变量的影响，一旦流量计的结构确定 , 流体振荡就服从一定的客观规律 , 其振荡频率不能人为地改变 , 因而仪表常数及其变化规律是客观的 。2.涡街流量计是一种无运动部件的流量计, 按其原理分类属于振荡型流量计。由于涡街流量计不含有运动部件 , 因而在使用过程中 , 可靠性高 , 使用寿命长, 精确度稳定, 再现性好。 153.由于涡街流量计是利用流体自身的规则振荡来计量流量的 , 因而对来流的速度分布及流动噪声比较敏感,因此在应用过程中对管道安装状况要求较高。对上游不同形式的阻力件必须配置足够长的直管段 , 以