1．卡門渦街的產(chǎn)生與現(xiàn)象

     為說明卡門渦街的產(chǎn)生，我們來考慮粘性流體繞流圓柱體的流動．當(dāng)流體速度很低時，流體在前駐點速度為零，來流沿圓柱左右兩側(cè)流動，在圓柱體前半部分速度逐漸增大，壓力下降，后半部分速度下降，壓力升高，在后駐點速度又為零．這時的流動與理想流體統(tǒng)流圓柱體相同，無旋渦產(chǎn)生，如圖3—7a所示．

     隨著來流速度增加，圓柱體后半部分的壓力梯度增大，引起流體附面層的分離，如圖3—7b所示．當(dāng)來流的雷諾數(shù)Re再增大，達(dá)到40左右時，由于圓柱體后半部附面層中的流體微團(tuán)受到更大的阻滯，就在附面層的分離點S處產(chǎn)生一對旋轉(zhuǎn)方面相反的對稱旋渦．如圖3－7c所示．

在一定的留諾數(shù)Re范圍內(nèi)，穩(wěn)定的卡門渦街的及旋渦脫落頻率與流體流速成正比．

圖3－7    圓柱繞渦街產(chǎn)生示意圖

2．卡門渦街的穩(wěn)定條件

并非在任何條件下產(chǎn)生的渦街都是穩(wěn)定的．馮·卡門在理論上已證明穩(wěn)定的渦街條件是：渦街兩列旋渦之間的距離為h，單列兩渦之間距離為 ，若兩者之間關(guān)系滿足

                          ＝1

               或                   h /

時所產(chǎn)生的渦街是穩(wěn)定的。

     3．渦街運動速度

為了導(dǎo)出旋渦脫落頻率與流速之間的關(guān)系，首先要得到渦街本身的運動速度

對于穩(wěn)定的渦街，將式（3－25）代入，有：

4．流體流速與旋渦脫落頻率的關(guān)系

     從前面討論可知，當(dāng)流體以流速u流動時，相對于旋渦發(fā)生體，渦街的實際向下游運動速度為u－ur．如果單列旋渦的產(chǎn)生頻率為每秒f個旋渦，那么，流速與頻率的關(guān)系為

                        u－ur = fl                         (3－27)

     將式(3－26)代入，可得到流速u與旋渦脫落頻率f之間的關(guān)系．但是，在實際上不可能測得速度環(huán)量

h＝1. 3d                         （3－28）

ur＝0. 14u                        （3－29）

將式（3－24），（3－27），（3－28），（3－29）聯(lián)立，可得：

                   f＝

也可將上式寫成：

                   St＝

St稱為斯特羅哈數(shù)．從實驗可知，在雷諾數(shù)Re為3×l02－3×l05范圍內(nèi)，流體速度u與旋渦脫落頻率的關(guān)系是確定的．也就是說，對于圓柱形旋渦發(fā)生體，在這個范圍內(nèi)它的斯特羅哈數(shù)St是常數(shù)，并約等于0．2，與理論計算值吻合的很好．對于圓柱型式的旋渦發(fā)生體，其斯特羅哈數(shù)St也是常數(shù)，但有它自己的數(shù)值．圖3－8為圓往型旋渦發(fā)生體產(chǎn)生的渦街結(jié)構(gòu)．

根據(jù)以上分析，從流體力學(xué)的角度可以判定渦街流量計測量的上下限流量為：Re＝3×102－2×l05．當(dāng)雷諾數(shù)更大時，圓柱體周圍的邊界層將變成紊流，不符合上述規(guī)律，并且將會是不穩(wěn)定的．

圖3－8      渦街結(jié)構(gòu)示意圖

5．流體振動原理

     當(dāng)渦街在旋渦發(fā)生體下游形成以后，仔細(xì)觀察其運動，可見它一面以速度u－ur平行于軸線運動，另外還在與軸線垂直方向上振動．這說明流體在產(chǎn)生旋渦的同時還受到一個垂直方向上力的作用．下面討論這個垂直方向上力的產(chǎn)生原因及計算方法．

同前討論，假定來流是無旋的，根據(jù)湯姆生定律：沿封閉流動流線的環(huán)量不隨時間而改變．那么，當(dāng)在旋渦發(fā)生體右(或左)下方產(chǎn)生一個旋渦以后，必須在其它地方產(chǎn)生一個相反的環(huán)量，以使合環(huán)量為零．這個環(huán)量就是旋渦發(fā)生體周圍的環(huán)流．根據(jù)茹科夫斯基的升力定理，由于這個環(huán)量的存在，會在旋渦發(fā)生體上產(chǎn)生一個升力，該升力垂直于來流方向．設(shè)作用在旋渦發(fā)生體每單位長度上的升力為L，有：

                  L＝

式中   

         u――來流速度；

     從前面的討論中可以得到以下關(guān)系，

     將上述關(guān)系代入式(3—1)，并令系數(shù)K＝2

                     L＝K 2                              (3－32)

     這就是作用在旋渦發(fā)生體上的升力．由于旋渦在旋渦發(fā)生體兩側(cè)交替發(fā)生，且旋轉(zhuǎn)方向相反，故作用在發(fā)生體上的力亦是交替變化的．而流體則受到發(fā)生體的反作用力，產(chǎn)生垂直于鈾線方向的振動，這就是流體振動的原理．

     從上述分析可以知道：交替地作用在旋渦發(fā)生體上升力的頻率就是旋渦的脫落頻率．通過檢測該升力的變化頻率，就可以得到旋渦的脫落頻率，從而可得流體的流速值。

     6．流量公式

渦街流量計是一種速度式流量計，它測的是流體的流速u．為得到流量值，必須乘以流通截面積A．對于不同形式的旋渦發(fā)生器，它的流通截面積計算是不同的．以下僅舉圓柱形流通截面積A可表示為

                   A≈

由此可得流量公式為

                  qv＝Au＝

從該式可知，流量qv與旋渦脫落頻率f在一定雷諾數(shù)范圍內(nèi)成線性關(guān)系。因此，也將這種流量計稱為線性流量計。

在推導(dǎo)頻率與流速關(guān)系式時，使用了渦街的穩(wěn)定條件：間隔比h／ l ，這說明旋渦產(chǎn)生的頻率受到一定的旋渦空間構(gòu)造影響，而旋渦的空間結(jié)構(gòu)與旋渦發(fā)生體的形狀有關(guān)．

     另外，在前面的討論中，我們還應(yīng)該注意到：

     ①在上述推導(dǎo)過程中，均是在一維流動的條件下的．然而在圓管中的流動，是具有軸對稱分布的三維流動．

     ②在上流有管道存在的條件下，會有附加的流速分布畸變、旋流、波動等不穩(wěn)定因素．

     上述兩點都會對旋渦的穩(wěn)定性與規(guī)律性產(chǎn)生重要的影響．所以，在渦街現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)以后的很長時間內(nèi)，一直未能用來進(jìn)行測量流量，除了信號檢測技術(shù)以外，上述兩點也是重要的原因．為了克服上述因素帶來的影響，必須對旋渦發(fā)生體形狀有一定要求，使管內(nèi)的旋渦發(fā)生體處流動盡量接近二維流動，以控制三維流動中旋渦發(fā)生體發(fā)出的旋渦相位，使渦線彎曲變得極小．

     由此可見，旋渦發(fā)生體形狀對渦的發(fā)出有決定性的影響．

     1. 旋渦發(fā)生體形狀的基本要求

     旋渦發(fā)生體的形狀目前已有很多種式樣，但它們必須具有一些相同的基本要求：

     ①有鈍的(即非流線型的)截面形狀――這是產(chǎn)生旋渦的條件；

     ②上下截面形狀相同，并且左右對稱――流動接近二維流動的條件；

     ③邊界層分離點是固定的——斯特羅哈數(shù)St恒定的條件．

     同時，旋渦發(fā)生體在管道中的安裝位置必須嚴(yán)格對稱．旋渦發(fā)生體上游必須具有10倍D以上的直管，下游必須有5倍D的直管．

     2．旋渦發(fā)生體的基本結(jié)構(gòu)

     旋渦發(fā)生體形狀有圓柱、三角往、T型柱、四角柱等，以下主要介紹圓柱與三角柱這兩種型式。

(1)圓柱型旋渦發(fā)生體

前面關(guān)于旋渦理論部分的內(nèi)容就是以圓柱為例進(jìn)行討論的。雖然這種型式使用較早，但嚴(yán)格地說，在高流速下它的斯特羅哈數(shù)St并不穩(wěn)定．因此，人們就將其改進(jìn)成開狹縫或?qū)嚎仔问剑?/p>

圖3－9    圓柱旋渦發(fā)生器                        圖3－10    電容式三角柱旋渦發(fā)生體

1－導(dǎo)壓孔；2－空腔；3－隔墻；4－鉑緣

開導(dǎo)壓孔的圓柱旋渦發(fā)生器如圖3－9所示．由于有導(dǎo)壓孔存在，當(dāng)旋渦發(fā)出的同時產(chǎn)生的交替升力使流體通過導(dǎo)壓孔流動，產(chǎn)生一邊吸入，一邊吹出的效果．當(dāng)流體附面層在圓柱表面開始分離時，在吸入一側(cè)，分離被抑制；在吹出一例，分離則被促進(jìn)發(fā)生．這樣就可使流體分離點的位置固定下來，也就可以使斯特羅哈數(shù)St相對穩(wěn)定．

     （2）三角柱型旋渦發(fā)生體

     目前采用較多的旋渦發(fā)生體是三角柱形的，其形狀一般由實驗確定．它不僅可以得到比圓柱更強(qiáng)烈的旋渦，而且它的邊界層分離點是固定的，即其斯特羅哈數(shù)St相對恒定，大約為St＝0．16．這樣，渦頻與流速的關(guān)系為f＝0．16 u／d，其中d為三角柱的底邊寬度．形狀可見圖3－10所示

渦輪流量計的結(jié)構(gòu)原理

     1．渦輪流量計 的工作原理

渦輪流量計的原理示意圖如圖3—1所示．在管道中心安放一個渦輪，兩端由軸承支撐．當(dāng)流體通過管道時，沖擊渦輪葉片，對渦輪產(chǎn)生驅(qū)動力矩，使渦輪克服摩擦力矩和流體阻力矩而產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)．在一定的流量范圍內(nèi)，對一定的流體介質(zhì)粘度，渦輪的旋轉(zhuǎn)角速度與流體流速成正比．由此，流體流速可通過渦輪的旋轉(zhuǎn)角速度得到，從而可以計算得到通過管道的流體流量．

渦輪的轉(zhuǎn)速通過裝在機(jī)殼外的傳感線圈來檢測．當(dāng)渦輪葉片切割由殼體內(nèi)永久磁鋼產(chǎn)生的磁力線時，就會引起傳感線圈中的磁通變化．傳感線圈將檢測到的磁通周期變化信號送入前置放大器，對信號進(jìn)行放大、整形，產(chǎn)生與流速成正比的脈沖信號，送入單位換算與流量積算電路得到并顯示累積流量值；同時亦將脈沖信號送入頻率電流轉(zhuǎn)換電路，將脈沖信號轉(zhuǎn)換成模擬電流量，進(jìn)而指示瞬時流量值．

     渦輪流量計總體原理框用見圖3—2所示．

     2．渦輪流量計的構(gòu)造

     流體從機(jī)殼的進(jìn)口流入．通過支架將一對袖承固定在管中心軸線上，渦輪安裝在軸承上．在渦輪上下游的支架上裝有呈輻射形的整流板，以對流體起導(dǎo)向作用，以避免流體自旋而改變對渦輪葉片的作用角度．在渦輪上方機(jī)殼外部裝有傳感線圈，接收磁通變化信號．

     下面介紹主要部件．

     (1)渦輪

     渦輪由導(dǎo)磁不銹鋼材料制成，裝有螺旋狀葉片．葉片數(shù)量根據(jù)直徑變化而不同，2－24片不等．為了使渦輪對流速有很好的響應(yīng)，要求質(zhì)量盡可能小．

對渦輪葉片結(jié)構(gòu)參數(shù)的一般要求為：葉片傾角10°－15°(氣體)，30°－45°（液體）；葉片重疊度P為1—1．2；葉片與內(nèi)殼間的間隙為0．5—1mm．

     (2)軸承

     渦輪的軸承一般采用滑動配合的硬質(zhì)合金軸承，要求耐磨性能好．

由于流體通過渦輪時會對渦輪產(chǎn)生一個軸向推力，使鈾承的摩擦轉(zhuǎn)矩增大，加速鈾承磨損，為了消除軸向力，需在結(jié)構(gòu)上采取水力平衡措施，這方法的原理見圖3—3所示．由于渦輪處直徑DH略小于前后支架處直徑Ds，所以，在渦輪段流通截而擴(kuò)大，流速降低，使流體靜壓上升

圖3－3    水力平衡原理示意圖

(3)前置放大器

前置放大器由磁電感應(yīng)轉(zhuǎn)換器與放大整形電路兩部分組成，示意圖見圖3—4所示．

磁電轉(zhuǎn)換器國內(nèi)一般采用磁阻式，它由永久磁鋼及外部纏繞的感應(yīng)線圈組成．當(dāng)流體通過使諷輪旋轉(zhuǎn)的，葉片在永久磁鋼正下方時磁阻最小，兩葉片空隙在磁鋼下方時磁阻最大，渦輪旅轉(zhuǎn)，不斷地改變磁路的磁通量，使線圈中產(chǎn)生變化的感應(yīng)電勢，送入放大整形電路，變成脈沖信號．

輸出脈沖的頻率與通過流量計的流量成正比，其比例系數(shù)K為

                       K＝ f/(qv)                                （3－1）

式中   f――渦輪流量計輸出脈沖頻率；

       qv——通過流量計的流量．

該比例系數(shù)亦稱為渦輪流量計的儀表系數(shù)。

圖3－4   渦輪流量計前置放大器原理圖

(4)信號接收與顯示

     信號接收與顯示器內(nèi)系數(shù)校正器、加法器和頻電轉(zhuǎn)換器等組成，其作用是將從前置放大器送來的脈沖信號變換成累積流量和瞬時流量并顯示．

渦輪流量計的特點與安裝使用

     1．渦輪流量計的特點

     從前面的討論中可知，渦輪流量計是一種有很多優(yōu)點的流量儀表．歸納起來，它有如下特點．

     (1)準(zhǔn)確度高

     渦輪流量計的準(zhǔn)確度在(0．5－0. 1)％左右．在線性流量范圍內(nèi)，即使流量發(fā)生變化，累積流量準(zhǔn)確度也不會降低．并且在短時間內(nèi)，渦輪流量計的再現(xiàn)性可達(dá)0．05％．

     (2)量程比寬

     渦輪流量計的量程比可達(dá)8—10．在同樣口徑下，渦輪流量計的最大流量值大于很多其它流量計．

     (3)適應(yīng)性強(qiáng)

     渦輪流量計可以做成封閉結(jié)構(gòu)，其轉(zhuǎn)速信號是非接觸測量，所以容易實現(xiàn)耐高壓設(shè)計。

     如果流量計的渦輪和軸承選擇耐高溫、熱膨脹系數(shù)小的材料，就可以在較寬的溫度范圍內(nèi)使用．這時，應(yīng)注意對它的儀表系數(shù)進(jìn)行修正(主要是其流通截面的變化)：

                       K＝K0[1－(  R＋2  H)(t－to)]                      (3－23)

式中   K，K0——使用時和校驗時的儀表系數(shù)；

       t，t0——使用時和校驗時的流體溫度；

       R，  H分別為渦輪和機(jī)殼的材料膨脹系數(shù)．

     (4)數(shù)字信號輸出

     渦輪流量計輸出為與流量成正比的脈沖數(shù)字信號．它具有在傳輸過程中準(zhǔn)確度不降低、易于累積、易于送入計算機(jī)系統(tǒng)的優(yōu)點．

     2. 渦輪流量計的安裝使用

     要想充分發(fā)揮渦輪流量計的特點，在流量計的安裝使用上還必須加以充分注意．下面概要討論一下這方面的問題．

     (1)被測介質(zhì)

     渦輪流量計所測得的液體，一般是低粘度的(一般應(yīng)小于15×l0－6m2／s)、低腐蝕性的液體．雖然目前已經(jīng)有用于各種介質(zhì)測量的渦輪流量計，但對高溫、高粘度、強(qiáng)腐蝕介質(zhì)的測量仍需仔細(xì)考慮，采取相應(yīng)的措施．當(dāng)介質(zhì)粘度v大于15×l0－6m2／s時，流量計的儀表系數(shù)必須進(jìn)行實液標(biāo)定，否則會產(chǎn)生較大的誤差．

     汽－液兩相流、氣－固兩相流、濃－固兩相流均不能用渦輪流量計進(jìn)行測量．

     (2)安裝配管要求

     流量計的安裝情況對流量計的測量準(zhǔn)確度影響很大．

     ①流速分布不均和管內(nèi)二次流的存在是影響渦輪流量計測量準(zhǔn)確度的重要因素．所以，渦輪流量計對上、下游直管段有—定要求．對于工業(yè)測量，一般要求上游20D，下游5D的直管長度．為消除二次流動，最好在上游端加裝整流器．若上游端能保證有20D左右的直管段，并加裝整流器，可使流量計的測量準(zhǔn)確度達(dá)到標(biāo)定時的準(zhǔn)確度等級．

     ②渦輪流量計對流體的清潔度有較高要求，在流量計前須安裝過濾器來保證流體的清潔．過濾器可采用漏斗型的，其本身清潔度，可測其兩端的差壓變化得到．

     ③為保證通過流量計的液體是單相的，即不能讓空氣或蒸氣進(jìn)入流量計，在流量計上游必要時應(yīng)裝消氣器．對于易氣化的液體，在流量計下游必須保證一定背壓．該背壓的大小可取最大流量下流量傳感器壓降的二倍加上最高溫度下被測液體蒸氣壓的1．2倍．

(3)信號傳輸線

為了保證顯示儀表對渦輪傳感器輸出的脈沖信號有足夠的靈敏度，就要提高信噪比．為此，在安裝時應(yīng)防止各種電干擾現(xiàn)象，即電磁感應(yīng)，靜電及電容耦合．所以，在配置信號傳輸線時，必須注意如下幾點：

①限制信號線的最大長度．信號線的最大長度為，L＝dV；其中，V為在最小流量時傳感線圈的輸出電壓有效值，mV；d為系數(shù)，m／mV，其值可?。篤＜1000mV時，d＝1．0；1000 mV＜d＜5000 mV時，d＝1．5；V＞5000mV時，d＝2．0．

②信號傳輸線應(yīng)采用屏蔽電纜，以防來自外部的感應(yīng)噪聲．要求傳輸電纜在顯示儀表端屏蔽接地．傳輸電纜不能*近強(qiáng)電磁設(shè)備，不允許與動力線乎行布置．

(4)運轉(zhuǎn)維護(hù)

①當(dāng)渦輪流量計的管道需要清洗時，必須開旁路，清洗液體不能通過流量計．

②管道系統(tǒng)啟動時必須先開旁路，以防止流速突然增加，引起渦輪轉(zhuǎn)速過大而損壞．

③渦輪流量計軸承應(yīng)定期更換，一般可根據(jù)小流量特性變化來觀察其軸承的磨損情況。