摘(zhai)要:針對渦街(jie)式流速傳感(gan)器中電信号(hao)微弱并且提(tí)❗取特征渦街(jiē)信号困難，基(jī)于壓電方程(chéng)和湍流N-S方程(cheng)，建立了流-固(gu)-電耦✍️合仿真(zhen)計算模型,構(gòu)建了流速測(cè)量的新方法(fǎ)。通過理🌈論分(fen)析和風洞實(shí)驗，獲得了圓(yuán)柱繞流體直(zhí)徑(D)、空氣流速(su)(v)與壓電傳感(gǎn)距離()以及功(gōng)率(P)之間的👨‍❤️‍👨影(yǐng)響規律。仿真(zhen)計算和實驗(yàn)結果表明:通(tōng)過提取頻域(yu)♍曲線中渦激(jī)頻率下的功(gōng)率作爲渦街(jie)的傳感強度(dù),有助于感知(zhi)微弱的空氣(qì)流速信号,同(tong)時解決噪聲(sheng)等電路上的(de)幹擾影響。其(qi)次,D增加，最優(yōu)傳感距離(Losr)增(zēng)加;D不變🛀🏻時，功(gong)率(Posr)随流速增(zeng)大而提高,且(qiě)Losr不變;通過分(fen)析得出了采(cǎi)集信号在Losr下(xia)最優的本質(zhì)原因一在該(gāi)處，渦街成熟(shú)且脫落穩定(dìng)、升力系數❗(CL)穩(wěn)定。最後,該壓(ya)電裝置測量(liang)的最低流速(sù)爲0.3m/s.
　　渦激振動(dòng)(VIV)是一種典型(xing)的流緻振動(dong)(FIV)。結構的非流(liú)線型💘會導緻(zhì)其在流體的(de)作用力下産(chǎn)生周期性旋(xuan)渦脫落,使結(jié)構受到與流(liu)向垂直的周(zhōu)期性氣動力(lì),進而激發結(jié)構的橫向振(zhèn)動川由于流(liu)體流速與旋(xuán)渦脫落頻率(lü)有對應關系(xì)，因此常制作(zuò)成多種空氣(qi)流速傳感器(qì),例如,基于上(shàng)述渦街振動(dòng)原理研制的(de)渦街流量計(ji) ，工業級的渦(wo)街流量計主(zhu)要易受環境(jìng)噪聲的幹擾(rǎo),導📞緻📧其對低(dī)速不敏感。同(tóng)時,空氣流速(su)傳感器廣泛(fan)應用于畜禽(qín)舍環境控制(zhì),風能采集,流(liú)量檢測,氣象(xiang)🎯監控,等領域(yu)[2-4]。例⭕如,在畜禽(qin)環境監測領(ling)域,通風時流(liú)速太快引起(qi)畜禽強烈的(de)應激反應或(huò)因🏃局部溫度(du)㊙️驟降導緻畜(chu)禽強感冒，或(huò)造成畜禽的(de)生産性能、免(mian)疫能力、生長(zhang)👌速🥰度等下降(jiàng)'因此,對畜禽(qín)舍通風裝置(zhì)的流速檢🌂測(cè)尤其重要。傳(chuán).統FIV傳感器多(duō)采用機械轉(zhuan)動☂️結構,其結(jié)構複雜,對加(jiā)工精度和機(ji)械穩定性都(dou)有較高的要(yào)求7。而近.年來(lai)利用壓電材(cái)料作傳感元(yuán)件研制的FIV傳(chuan)感器，其不需(xū)要轉動部件(jiàn),且叮與微機(ji)電系統(MEMS)集成(chéng),因此易于微(wēi)型化。
　　目前,VIV傳(chuán)感器主要采(cǎi)用兩種壓電(diàn)材料作爲傳(chuán)感元件:锆钛(tài)酸🧑🏽‍🤝‍🧑🏻鉛♊壓電陶(táo)瓷(PZT)和聚偏二(er)氟乙烯(PVDF)。PVDF薄膜(mo)由于♌其高柔(róu)性的特📱點,适(shi)用于交變載(zai)荷的感知121。然(ran)而,壓😍電式流(liu)渦激振動(PVIV)流(liú)速📧傳感器還(hái)有許多不完(wán)善的地方。特(te)别‼️是檢測低(dī)流場流速時(shí)(流速低于2m/s),渦(wo)街壓👈電信号(hào)微弱,同時測(cè)量現場的噪(zao)聲十擾相對(duì)較強🏒,造成渦(wō)街特征信号(hào)提取的困難(nán)。比如測量過(guò)程中，壓電元(yuán)件自身受💃流(liu)場擾動産生(sheng)的信号、風洞(dòng)系統㊙️産生的(de)噪聲信号等(děng),會把渦街特(tè)征信号淹沒(méi)。針對這一問(wèn)題,許多學者(zhe)對PVIV流速傳感(gǎn)器展開了全(quán)面的🈲研究,如(rú)繞流體的形(xing)狀和排布、電(dian)路檢測方式(shì)以及信号提(tí)取方法17-19,提高(gao)了空氣流速(su)測量精度和(he)範圍。
　　PVIV流速傳(chuán)感器的結構(gou)采用圓形或(huò)梯形旋渦繞(rao)流體和PZT或‼️PVDF薄(báo)膜🔞爲傳感元(yuan)件組成。研究(jiu)發現,改變繞(rao)流體直徑會(huì)導緻繞流與(yu)傳感器元件(jiàn)之間的距離(li)不同🔞。這表明(ming),漩渦測🏃🏻‍♂️量位(wei)置和繞流⛷️體(ti)直徑🤩将影響(xiǎng)PVIV檢測精度。針(zhēn)對上述問題(tí),提出了一👈種(zhong)基于PVIV流速傳(chuan)感裝置。該裝(zhuāng)置由圓柱繞(rao)流體和PVDF壓電(diàn)懸臂🐅梁組成(cheng)。利用數值模(mó)拟方法研究(jiū)渦街流場特(te)性,分析傳感(gǎn)👈器結構參數(shu)對渦街響應(yīng)信号檢測的(de)影響規律。采(cai)用通過提取(qǔ)頻域曲線中(zhong)渦激頻率下(xià)的功率作爲(wèi)渦街的傳感(gǎn)強度,增強了(le)感知微弱的(de)流速響應信(xin)🌍号,月能夠解(jie)決噪聲等電(dian)路上的幹擾(rao)影響,擴大了(le)對低流速的(de)檢測能力。爲(wèi)高靈敏.快響(xiǎng)應的空氣流(liu)速傳感器🔞件(jiàn)的設計及測(ce)量提🤞供新的(de)探測方法。
1壓(ya)電渦激振動(dòng)流速傳感裝(zhuang)置
1.1傳感結構(gou)
　　本文PVIV流速傳(chuán)感裝置的結(jié)構如圖1所示(shì)。該結構由圓(yuán)柱🌈繞流體🔱和(he)PVDF壓電懸臂梁(liáng)構成,其.中懸(xuán)臂梁由表面(miàn)🈲塗有⭐銀電極(ji)層🔴的PVDF薄膜組(zu)成;同時,靠近(jìn)圓柱繞流體(tǐ)一側的PVDF壓電(dian)懸✌️臂梁端部(bù)固支。圓柱繞(rao)流體直徑D=7mm,圓(yuan)柱體中心距(ju)PVDF壓電懸臂梁(liáng)固支🈲端距離(li)爲L,人射流速(su)爲v,其方向垂(chui)直于圓柱體(ti)表面。仿真計(ji)算時,D值的範(fàn)圍爲30mm~70mm,u值範圍(wéi)爲0.3m/s~2.5m/s,L值的範圍(wei)爲50mm~170mm。爲了簡化(hua)計算和⛷️控制(zhì)多餘變量,PVDF壓(yā)電懸臂梁高(gāo)度h設定爲30mm。當(dāng)外界來流作(zuò)用時,PVDF壓電懸(xuan)臂梁結構産(chǎn)生振蕩,根據(jù)⭐壓💃電效應,壓(ya)電層的變✨形(xing)使其衣面🍉聚(jù)集電❤️荷,形成(cheng)響應電壓。
 
1.2流(liu)-固-電耦合模(mo)型
　　由于氣流(liu)經圓柱體産(chan)生渦旋後,後(hòu)方的氣流流(liu)動基本處于(yú)湍流狀态,流(liu)場的分布複(fu)雜,因此,結合(hé)計算流💋體力(lì)🆚學(CFD)以及壓電(dian)效應進行數(shù)值模拟,分析(xī)繞流體直徑(jìng)、與壓電傳感(gan)距離對低空(kōng)氣流速檢測(ce)的影響規律(lü)。
1.2.1理論模型
　　壓(ya)電傳感結構(gòu)感知流體流(liú)動是--個多物(wu)理場耦合的(de)📱複雜過程,主(zhǔ)要包括流場(chang)、力場.和電場(chǎng)的綜合作用(yòng)。流場産✏️生的(de)壓強轉化爲(wèi)壓力作用在(zai)懸臂梁表面(miàn)産生結構變(biàn)形并引起其(qí)壓電層變🈲形(xing),根據壓電效(xiào)應産生電荷(he),計算💚模型中(zhong)通過機電耦(ou)合方式将🌏産(chǎn)生的電荷全(quán)部聚集在懸(xuan)臂梁表面,最(zuì)終轉化爲瞬(shùn)态電壓。變形(xíng)體形狀的改(gai)變将改變流(liú)場,其中的㊙️流(liu)固耦合💃面可(kě)由振動和流(liu)場控制🔴方程(chéng)水描述,當🌈流(liú)🤩場流速小于(yu)0.3馬赫，流場被(bèi)認爲是不可(ke)🧑🏽‍🤝‍🧑🏻壓縮，這種不(bu)可壓縮🐉的牛(niú)頓流體介質(zhi)可㊙️由連續性(xing)方程(1)和N-S(Navier-Stokes)方💃🏻程(chéng)(2)描述，方程如(ru)下所示:
 
 
1.2.2仿真(zhen)計算
　　将上述(shù)PVIV流速傳感器(qì)簡化爲一個(gè)二維物理模(mo)型,如圖2所示(shi),其🔞中.D爲圓柱(zhù)型渦流發生(sheng)休直徑,計算(suan)域爲25Dx5D的矩形(xing),壓電懸臂梁(liang)🚶‍♀️位于圓柱的(de)中軸線上.左(zuo)端固支。模型(xíng)中,範圍在0.3m/s~2.5m/s,D範(fan)圍🥰在30mm~70mm,即雷諾(nuò)數在🐇500~9800之間。選(xuan)取空氣域材(cái)料📐參數,采用(yòng)SIMPLE求解器,進行(hang)瞬态分析,計(ji)算材🐆料參數(shu)如表♊1所示。采(cai)用二角形非(fēi)結構化的網(wǎng)格劃分,在圓(yuan)柱和⭐PVDF壓電梁(liáng)的核心區域(yu)網格分布較(jiao)密集。
 
2風洞試(shì)驗
　　試驗在低(di)速風洞進行(háng),測試平台如(rú)圖3所示。采集(ji)的壓電信号(hào)通過電荷放(fang)大器與NI數據(jù)采集卡相連(lián),運用LabVIEW對信号(hao)🧑🏽‍🤝‍🧑🏻進行ADC數模轉(zhuan)換、濾波,頻譜(pǔ)分析(FFT變換);通(tong)過👨‍❤️‍👨激光位移(yí)傳感器采集(jí)渦激振動時(shí)壓電梁末端(duān)的y向位移。最(zuì)終在計算💃機(jī)中顯示PVDF壓電(diàn)梁振動的時(shi)域曲線和頻(pin)譜曲線。重點(dian)探尋壓電傳(chuán)感♉距離在不(bú)同🌂圓柱繞流(liu)體直徑尺寸(cùn)和流速變化(hua)的條件下對(duì)流👄場感知特(te)性的影響規(guī)律。試驗條件(jian)如表2所示。實(shi)驗中,由50nmmn到170mm,間(jiān)隔10mm依次測🐉量(liang)不同距離下(xià)的✌️渦街響應(ying)信号。
 
 
3計算與(yǔ)測試結果分(fen)析
　　通過卡門(men)渦街理論,獲(huo)得了渦街産(chǎn)生的流速條(tiáo)件🐕和圓柱繞(rào)流體直徑範(fan)圍
 
　　式中:μ爲空(kōng)氣動力學粘(zhan)度,St爲斯特勞(lao)哈爾數,ƒ爲渦(wo)街脫落頻率(lü)。當雷諾數在(zai)的範圍内，渦(wō)流會以一個(ge)相對穩🍓定的(de)頻率周期性(xing)脫落,根據流(liu)速條件和圓(yuán)柱百徑範圍(wei),可得出在該(gai)條件下的雷(lei)諾數範圍爲(wèi)500~9800,滿足産生渦(wō)街脫落的🏃‍♂️條(tiáo)件。
　　圖4爲流速(su)爲2m/s,圓柱直徑(jing)爲30mm下,産生渦(wō)街脫落的特(tè)性㊙️。由圖叮知(zhī),渦🐉街的交替(tì)脫落需要經(jing)曆一個生長(zhang)、成熟.衰退的(de)過程🏃‍♂️。PVDF壓電懸(xuan)臂梁因此生(shēng)信号的傳感(gǎn)強度與傳感(gan)距離🚶有關,由(yóu)💘此驗證了木(mu)文💃🏻利用渦街(jiē)傳感的合理(li)性。
 
　　圖5展示了(le)升/阻力系數(shù)與傳感距離(lí)和雷諾數的(de)關系🧑🏾‍🤝‍🧑🏼，文中PVDF壓(yā)電懸臂梁左(zuo)端固支,自由(yóu)端在渦流中(zhōng)受到旋渦激(jī)振力的作㊙️用(yòng)而産生y方向(xiang)的周期性振(zhen)蕩。圖5(a)爲Re=838,L=50mm時的(de)流場升/阻力(lì)曲線,由圖可(kě)知🔱，在計算時(shi)間約3s~5s流場基(ji)本穩定。圖🌈5(b)升(shēng)力系數與雷(léi)諾數㊙️Re,1.之間的(de)仿🏃🏻‍♂️真關系。可(ke)知随Re增大,流(liu)場湍流強度(dù)增🏃🏻‍♂️強,此時壓(ya)電懸臂梁表(biǎo)面所受的壓(yā)力增加，升力(li)增大,在L=50mm時,幅(fú)值達1.1。值得關(guān)✔️注的是🏃‍♀️，在相(xiàng)同雷諾數下(xia),随傳感距離(li)的增大,升力(li)系數随之🚩下(xia)降,升力場呈(cheng)現衰減的現(xian)象。其中,在L=50mm,即(jí)樂電懸臂梁(liáng)與圓柱繞流(liú)體之間距離(lí)最近時,其升(sheng)力系數最高(gao),反映流場波(bō)動最劇烈,其(qi)原因是懸臂(bi)梁的位置在(zài)渦街生長區(qu)，因此壓電懸(xuan)臂梁靠近圓(yuan)柱體區城出(chu)現渦旋回✨流(liú),造成的壓力(li)對壓電懸臂(bi)梁的受力和(he)振動産生增(zeng)強的⛷️作用。此(ci)外💜,1.=50mm~70mm範圍内,升(sheng)力系數曲線(xian)整體下降不(bu)明顯;L=70mm-110mm範圍内(nèi),升力系數曲(qu)線出現交叉(chā)的現象,說明(ming)該區域流場(chang)波🍓動變化相(xiàng)似,此時PVDF壓電(dian)懸🧑🏾‍🤝‍🧑🏼臂梁的位(wèi)置往💜往是滿(mǎn)街成熟區,适(shì)于🤟形成穩定(dìng)的😄滿街;L=110mm~130mm範圍(wéi)内,共升力系(xi)數曲線整體(tǐ)下降明顯,場(chǎng)流動性大幅(fu)下降,此時🏃‍♀️雷(léi)諾數爲600,其升(shēng)刀系數下降(jiàng)至0.3,此時懸臂(bi)梁的位置往(wang)往📧是渦街衰(shuai)退區。
 
　　圖6展示(shi)了在流速爲(wèi)2m/s,圓柱直徑爲(wei)30mm條件下,傳感(gǎn)器件位移響(xiǎng)應特👄性。由圖(tu)可知,流場作(zuo)用3s後,懸臂梁(liáng)産生的y方向(xiang)振🌏蕩逐漸穩(wen)⚽定,該🧡結果驗(yan)證了圖5(a)中流(liú)場升/阻力與(yu)時間的關系(xì)。受渦街作用(yong),懸臂梁自由(you)端部産生的(de)y向位移最大(dà);對比圖5中計(ji)算位移曲線(xiàn)和通🔞過激光(guang)位移傳感器(qi)測得⭐的實驗(yan)位移曲線發(fā)現,實際測量(liang)的振蕩㊙️曲線(xiàn)的幅值略😘小(xiǎo)于計算幅值(zhi)📱,同時✔️前者的(de)震蕩頻率(13.8Hz)略(luè)小于後者産(chǎn)生的震蕩頻(pin)率(14.0Hz),原因在于(yu)計算設置的(de)阻尼比與實(shí)際值🌍有🔱誤差(cha)，然而由于誤(wù)差較小，實際(ji)測⭕量的震蕩(dàng)曲線與計算(suan)的到的大緻(zhì)--緻,因此證🐕實(shí)本文中流固(gu)耦合計算的(de)正确率。
 
　　圖7給(gěi)出了圓柱繞(rao)流體直徑爲(wèi)30mm時,人射流速(sù)與PVDF懸臂梁感(gan)知渦街頻率(lü)之間的關系(xi)。主要對比卡(kǎ)門渦街理論(lùn)值,仿🏃🏻‍♂️真計算(suàn)值♋與實驗值(zhí)。如圖可知,計(ji)算值相比理(li)論值,其與實(shi)驗值♋更爲接(jie)近,其更加正(zhèng)确的反映實(shí)際情況下的(de)渦激振動時(shí)🧡産生的渦街(jie)現象,進🙇‍♀️--步說(shuō)明本文仿真(zhen)計算的合理(lǐ)。其中,流速爲(wèi)1m/s時的實驗與(yu)計算時域曲(qǔ)線(圖7(b)和7(c))可知(zhī),仿真計算下(xia)的PVDF壓電懸臂(bì)梁産生的電(dian)壓響應☔信号(hào)穩定,在渦街(jiē)穩定後其電(dian)壓幅值随時(shí)間💔幾乎恒定(ding).這說明此時(shi)懸臂梁🥰在y方(fāng)向的⭐振蕩幅(fu)值穩定;而對(dui)比圖7(b)可知,實(shí)際條件下采(cai)集的電壓時(shí)域曲線在幅(fú)值大小上🎯随(sui)時間波動較(jiao)爲明顯,即周(zhōu)期内的Ux-Ug值往(wǎng)往不穩定,在(zài)該曲線😄上會(huì)疊加包括電(dian)路幹擾,工頻(pín)十‼️擾,以及流(liu)場對壓♊電梁(liang)産生💋的x方向(xiang)的振動影響(xiǎng)。在此情況下(xià),若根據前人(rén)叫采用提取(qu)電壓的Ux-Ug值,0-Ug值(zhí)或U....的方法來(lai)表征🔴壓電梁(liang)感知渦街的(de)特性往往并(bing)不正确,而通(tong)過提取功率(lü)的方法更爲(wèi)正确,因此本(ben)文采用通過(guò)提取頻域曲(qu)線中渦激頻(pin)率下的㊙️功率(lü)表征渦街的(de)傳感強度。此(ci)外,由圖7可知(zhī),仿真中，PVDF壓電(diàn)懸臂梁可檢(jiǎn)測的流速爲(wèi)0.3m/s,此時該懸臂(bi)梁産生的振(zhen)動約爲2.0Hz,該值(zhí)與理論值及(ji)實驗值接近(jin)，進一步說明(míng)了本文仿真(zhēn)計🛀算的合理(li)。

 
　　圖8爲傳感強(qiang)度(功率P)在不(bú)同傳感距離(li)下的分布曲(qu)線。給🈲出✂️了D=30mm,人(rén)射流速依次(ci)爲0.5m/s,1.0m/s,2.0m/s時的實驗(yàn)及計算結果(guo)。同時根據式(shi)(8),P值由對🈲應時(shi)城曲線通過(guò)傅裏葉變換(huàn)(FFT)轉換而來。
 
　　圖(tú)8(a)可知,同一繞(rao)流體直徑下(xià),流速越大,其(qi)P随傳感位置(zhì)♊的變💋化規律(lü)基本一緻,即(jí)均在L爲90mm附近(jìn)最大.反映出(chū)在相同區域(yù)PVDF壓電梁測量(liang)的信号強度(dù)達到最大:同(tóng)時反映,傳感(gǎn)🎯距離(L.)與人射(shè)流速大小無(wu)關,分析原👌因(yīn).根據卡‼️門渦(wō)街理論.認爲(wèi)這是由于渦(wo)街交替脫🎯落(luò)時旋渦方向(xiàng)對壓電梁産(chǎn)生的影響，即(ji)旋渦y方向的(de)速度引起振(zhèn)蕩作用(參考(kǎo)圖9周期内的(de)y方向流場速(sù)度可知),與x方(fāng)向,即人射流(liu)速方向🈲無關(guan)。值得注意💰的(de)是,由圖8(b)~圖8(d)發(fā)現,在相同直(zhi)徑下,随流速(su)增大,流場對(duì)壓電梁産生(sheng)的激頻成分(fen)更爲複雜,這(zhe)與圖5(b)相符💚,即(jí)随Re增大,流場(chang)湍流強度♍增(zēng)強,反映流場(chǎng)波動更加劇(jù)烈。但是對于(yu)産生渦街的(de)頻率穩定且(qie)與理論(式(10))一(yi)緻,進一步說(shuo)明了本文🌐采(cai)用功率來表(biǎo)征傳感強🌈度(du)的合理性。此(ci)外,觀測圖8(a)可(ke)知,L超過110mm時,P值(zhi)均下降,分析(xi)原因,根據渦(wō)街理🍓論,由于(yu)黏性的耗散(san).此時旋渦逐(zhu)漸衰退,所以(yi)的傳感位置(zhi)應在渦街的(de)成熟區附近(jin)。
 
　　圖10爲傳感強(qiang)度(P)在不同傳(chuan)感距離下的(de)分布曲線,展(zhan)示了低流速(su)情況下，即ʋ=1m/s,繞(rào)流體直徑依(yi)次爲30mm,40mm,50mm時的實(shí)☔驗及♍計算結(jié)果。由圖10(a)可知(zhi),P随傳感距離(lí)L的分布規律(lü)有所不同。當(dāng)D越大..，越大,即(jí)旋渦越遠離(lí)繞流體。例如(rú)當D=30mm時(.=90mm;當D=40mm時,L=110mm;當(dāng)D=50mm時,Lm=130mm。值得💚注意(yi)的是,由圖10(b)~圖(tu)10(d)發🌈現,在相同(tong)ʋ下,随D值增大(dà).流場對壓電(diàn)梁産生的激(jī)頻成分更少(shǎo)🌈,分析原因,可(ke)能🈲是由于随(suí)着D值增.大,在(zài)CCT兩側産生的(de)✉️交替旋渦相(xiàng)互之間的作(zuo)用減小，使㊙️得(de)流場的波動(dong)減小所導緻(zhi)的。
 
　　圖11展示了(le)當r=0.5m/s,D=30mm時,--個振動(dong)周期下渦街(jie)壓強雲紋圖(tu)以及懸🐅臂梁(liang)✂️的變形情況(kuang)。可以直接看(kan)出,懸臂梁在(zài)渦街中受到(dào)周期下的漩(xuan)渦激振力而(er)産生振蕩現(xiàn)象。其中懸❄️臂(bì)梁兩側的壓(yā)強差是導緻(zhì)懸㊙️臂梁的偏(piān)轉💋的直接原(yuan)因,而壓強差(chà)是由于渦街(jie)通過🐅懸臂梁(liáng)産生的。與此(ci)同時,壓強差(cha)産🏃‍♂️生了流場(chǎng)的升力.使得(de)懸臂梁得到(dao)了向上及向(xiang)下運動的加(jiā)速度。不僅如(ru)此,懸臂梁自(zì)由端振🥰幅随(sui)時🌐間的增長(zhǎng)最快,達到最(zuì)大振幅時,振(zhen)動速度最小(xiao)。此外,一個振(zhèn)動周期内,懸(xuán)臂梁産生了(le)♊兩次振動方(fāng)向的改變,使(shi)得懸臂梁周(zhōu)圍流場也發(fā)生了周👅期性(xing)的改變，PVDF樂電(dian)懸臂㊙️梁與流(liú)場的相互作(zuò)用形成了較(jiao)爲穩💃🏻定的振(zhèn)動規律,振動(dòng)周🧑🏽‍🤝‍🧑🏻期保持不(bu)變。
　　圖12爲傳感(gǎn)距離與流速(su)及繞流體直(zhí)徑之間的計(ji)算🏃‍♀️及實驗關(guān)系👅。由圖12(a)可知(zhī)随D值增大逐(zhu)漸增加，且近(jìn)似線性關系(xi)。同時✌️,測量曲(qǔ)線⭐與計算曲(qǔ)線--緻。分析原(yuán)因，根據圖4及(ji)式(10),最住傳感(gan)距離應該在(zai)旋渦的成熟(shú)區,D增大時,其(qi)兩側剪切層(céng)之間距離變(bian)大,其相互作(zuò)用變慢,使漩(xuán)渦的脫落頻(pín)率減小，使得(dé)旋渦産生位(wèi)置距繞流體(ti)越遠,即最住(zhu)檢測位置越(yue)遠離圓柱🈲繞(rao)流體。由圖12(a)進(jìn)一-步可知,與(yu)ʋ無🛀關,這與圖(tu)8(a)的分布曲線(xiàn)一🌈緻。
 
　　圖13爲傳(chuán)感距離下的(de)P值(P..)與o,D之間的(de)計算及實驗(yàn)關系。由💚圖☁️13(a)可(ke)知,P.随。增大而(er)遞增,同時随(suí)D增大而遞增(zēng);同時，測量曲(qǔ)線與計算曲(qǔ)線保🛀持-緻。分(fen)析原内.根據(jù)式(9),由Re與txD成正(zhèng)比關系,Re增加(jia)，導緻其升力(lì)系數增大,即(jí)反映流場波(bo)動越劇烈,此(ci)時結構表面(miàn)所受壓力增(zēng)加,導緻PVDF壓電(dian)梁的振蕩幅(fu)值變大,産生(shēng)的壓電功率(lü)越高。其中圖(tu)13(b)顯示,當v=2.5m/s,D=70mm.,P..約爲(wei)10x10*mW;當0=0.5m/s,D=30mm,P.約爲8x102mW。可推(tuī)測,若流速和(hé)⛱️直徑同時分(fen)别小于0.5m/s和🧡30mm,産(chǎn)生的P..，将小于(yú)8x10*mW。然而如果用(yong)時域電壓的(de)Ua-U。值、0-U2值或U的方(fang)法來表征壓(ya)電梁感知渦(wo)街的特性往(wang)往🔞會被噪聲(shēng)幹🌂擾,難以提(ti)取特征量。這(zhe)也進一步證(zheng)明了木文采(cai)用提取功率(lǜ)來表征渦街(jiē)在傳感距離(li)上傳🏃感強度(dù)的合理性。
 
4結(jié)論
　　設計和研(yan)究了一種基(ji)于渦激振動(dòng)的壓電傳感(gǎn)裝置⛱️。通過響(xiang)應信号分析(xī)了傳感距離(lí)和功率與繞(rao)流🌏體直徑和(hé)流速的變化(hua)規律。建立了(le)流-固-電耦合(he)數值模型,構(gou)建了流速測(ce)量的新方法(fa)。采用通過提(ti)取頻域曲線(xian)中渦激頻率(lǜ)下的功率作(zuo)爲渦街的傳(chuan)感強度。實驗(yàn)和仿真結果(guo)表明:增大繞(rào)流體直徑可(kě)以使傳感距(jù)離和功率線(xian)性增加;然而(er),在傳感距離(li)不變的情況(kuàng)下,增大流速(sù)可以提高功(gōng)率。通過流場(chǎng)分析得出了(le)采集信号☀️在(zai)Lm下最優的木(mu)質原内爲:在(zài)該處,渦街成(chéng)熟且脫落穩(wen)⭐定,升力系數(shù)穩定。此外🧑🏾‍🤝‍🧑🏼,風(feng)洞🔴實驗驗證(zhèng)該基于渦激(ji)振動的柔性(xing)壓電懸臂梁(liang)流速感知特(tè)性。結果表明(míng):該傳感器件(jiàn)能有效地測(ce)量❤️低至🌐0.3m/s流速(su);當ʋ=2.5m/s,D=70mm,P...約爲10x10*mW;當ʋ=0.5m/s,D=30mm,P.約(yue)爲🌂8x102mW。該提取渦(wo)街信号的方(fāng)法和規律可(ke)以解決傳統(tong)的渦街信号(hào)微弱以及低(di)流速難測:量(liang)的問題,擴大(da)了該類流速(sù)🥵傳感器的應(yīng)用🔆範圍,快響(xiǎng)應的流速傳(chuan)感器件的設(shè)計及測量提(tí)供了新的探(tan)測方法。

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