流體振動(dòng)式流量計(jì)的工作原理與計(jì)算公式說明

振動(dòng)式流量計(jì)是利用流體在管道中特定的流動(dòng)條件下，產(chǎn)生的流體振動(dòng)和流量之間的關(guān)系來測量流量。這類儀表一般均以頻率輸出，便于數(shù)字測址。常見的振動(dòng)式流量計(jì)有渦街流量計(jì) (vortex shedding nown，eter)和旋進(jìn)式流敬計(jì)(swirl nown、eter)。前者是利用自然振蕩的卡門渦街原理，而后者是利用強(qiáng)迫振蕩的漩渦旋進(jìn)原理。

渦街流量計(jì)是20世紀(jì)70年代發(fā)展起來的依據(jù)流體自然振蕩原理工作的流量計(jì)，其有準(zhǔn)確度高、量程比大、流體的壓力損失小、對流體性質(zhì)不敏感等優(yōu)點(diǎn)，目前應(yīng)用較為廣泛.下面僅以此為例進(jìn)行介紹。

工作原理

1875年斯特拉哈爾(Strouhal)用實(shí)驗(yàn)方法測址出流體振動(dòng)周期與流速的關(guān)系，1912年德國流體力學(xué)家馮·卡曼(von·Karman)找到了這種漩渦穩(wěn)定的定最關(guān)系。在管道中垂直于流體流向放置一個(gè)非線性柱體(漩渦發(fā)生體)，當(dāng)流體流員增大到一定程度以后，流體在漩渦發(fā)生體兩側(cè)交替產(chǎn)生兩列規(guī)則排列的漩渦，如圖4一44所示。兩列漩渦的旋轉(zhuǎn)方向相反，且從發(fā)生體上分離出來，平行但不對稱，這兩列漩渦被稱為卡門渦街，簡稱為渦街。由于漩渦之間的相互作用，它們一般是不穩(wěn)定的。若兩列平行漩渦相距為h.同一列里先后出現(xiàn)的兩個(gè)漩渦的間隔距離為l，當(dāng)滿足sh(nh/l)=1時(shí)，則漩渦的形成是穩(wěn)定的，即渦列穩(wěn)定，其中sh為雙曲函數(shù)。從上述穩(wěn)定判據(jù)中可進(jìn)一步計(jì)算出渦列穩(wěn)定的條件為h/l=0.281.穩(wěn)定的單側(cè)漩渦產(chǎn)

生的頻率f和漩渦發(fā)生體兩側(cè)的流體速度V1之間有如下關(guān)系:

f=st v1/d                            (4-105)
 

式中f—單側(cè)漩渦產(chǎn)生的頻率，1/s;

st—斯特拉哈爾數(shù)，無量綱數(shù);

V1—漩渦發(fā)生體兩側(cè)的流速，m/s;

d—漩渦發(fā)生體迎流面最大寬度，m。

St又被稱為流體產(chǎn)生漩渦的相似準(zhǔn)則數(shù)，主要與漩渦發(fā)生體的形狀和雷諾數(shù)有關(guān)。在發(fā)生體的幾何形狀確定后，在一定的雷諾數(shù)范圍內(nèi)

根據(jù)流動(dòng)的連續(xù)性可知

 

式中，K為渦街流量計(jì)系數(shù)。

式(4一108)說明，當(dāng)管道內(nèi)徑和漩渦發(fā)生體的幾何形狀與尺寸都已確定，.且滿足雷諾數(shù) ReD>=104，則K為常數(shù)，qV與f成正比?？梢姕y出漩渦的頻率就可知體積流量，而與流體的物理參數(shù)如溫度、壓力、粘度、密度等無關(guān)。

注意:式(4一108)推導(dǎo)的前提是渦街穩(wěn)定，即滿足h/l=0.281,它適合于任何形狀的漩渦發(fā)生體。