摘要：渦(wō)街流量計 所(suǒ)在截面流速(su)分布的要求(qiu)、拟合公式的(de)選用和數據(ju)☂️處理,以及使(shi)用标定結果(guǒ)時所要注意(yì)的問題。提出(chu)了🈲一種以測(cè)試手🔴段和分(fen)析辦法相結(jié)合的關于标(biāo)定渦街流量(liang)計的新的技(jì)術途徑,以縮(suō)短标定裝🐕置(zhi)的軸向🔞尺寸(cun),降低标定費(fèi)用❤️。對于充分(fen)端流的圓管(guan)流動,根據結(jie)果，給出了截(jié)面平均流速(su)與最大流速(su)之比随雷諾(nuo)數變化的簡(jiǎn)潔計算公式(shì)。
1引言
　　渦街流(liú)量計是一種(zhǒng)近20年來迅速(sù)發展起來的(de)流量計量儀(yi)表，與當前在(zài)流量計量中(zhōng)廣泛應用的(de)節流式流量(liàng)儀表相🈚比，有(yǒu)🈚一系列獨特(tè)的優點。它在(zài)使用過程中(zhōng)，損耗低，性能(néng)好💃,而且适⛱️用(yòng)範圍廣，是很(hěn)有發展前途(tu)的節能計量(liàng)儀表。因此，生(shēng)産、選用和标(biao)定渦街流量(liang)計，具有很大(da)的現實意義(yì)。
　　力學所受流(liú)量計廠商委(wei)托，對其産品(pin)渦街流量計(ji)進🔞行過标定(dìng)，現已具備基(jī)本标定設備(bei)和儀器。通過(guò)标定實驗我(wo)們積累了經(jing)驗，也有一些(xiē)體會和設想(xiǎng)。将這些整理(li)成❄️文，以便同(tong)從事☔渦街流(liú)量計标定工(gong)作的同事💋進(jìn)行交流和磋(cuo)商，使标定工(gong)作有所改進(jìn)和提高。
2對截(jie)面流速分布(bù)的相似性要(yào)求
　　在易定的(de)雷諾數範圍(wei)内，流體流過(guò)柱體時，産生(sheng)卡門渦街現(xian)㊙️象。渦街流量(liang)計是根據卡(kǎ)門渦街原理(li)研制的一種(zhǒng)流體振蕩儀(yi)表🔴，當流體流(liu)過與介質流(liu)向垂直的旋(xuán)渦發生體時(shi)，在其後方兩(liǎng)側交替産生(sheng)兩⭐列旋渦。旋(xuan)✉️渦脫落頻率(lü)ƒ和流速U之間(jiān)有如下關系(xi)式
 
　　式中，U爲旋(xuan)渦發生體前(qian)方的流速，d爲(wèi)旋渦發生體(tǐ)的💚迎流面最(zuì)大寬度，Sl爲Strouhal數(shù)。研究表明，當(dang)旋渦發生休(xiu)幾何形狀确(que)定時，Si在一🚶定(dìng)的雷諾數範(fàn)圍内爲常數(shu)。因此，當特征(zhēng)長度一定時(shí)，對流速、流量(liang)的測量,歸結(jié)爲付旋渦脫(tuo)落頻率的測(cè)量。爲了避免(miǎn)或減少管壁(bì)邊㊙️界層的影(yǐng)響，必須使渦(wō)街流量計的(de)旋渦發生體(tǐ)位于管道截(jié)面的中心位(wei)置。
　　一般來說(shuo)，渦街流量計(ji)出庫後，在管(guǎn)道上安裝使(shi)用前應進👈行(hang)😍标定。然而将(jiang)渦街流量計(ji)标定結果用(yong)于實際管流(liu)的流📱量計量(liang)是有條件的(de)。根據流體力(lì)學的相似準(zhun)則，對于渦街(jie)流量計及其(qi)所在截面的(de)管道流動，标(biāo)定時的流動(dong)狀态和👅實際(jì)的流動狀态(tai)要滿足幾何(hé)相似、運動相(xiàng)似和動力相(xiàng)似條件。由于(yu)對🈲流遣汁實(shí)物進🌏行标定(ding)，因此其幾何(hé)相似能自動(dòng)保證，動力相(xiàng)似便要求流(liú)動😍雷諾數相(xiang)等,運動相似(si)則要求在标(biāo)定和實際㊙️管(guǎn)流中渦街流(liú)量計🌏所在截(jié)面😘的流速分(fèn)布幾何相似(sì)，即
 
　　式中，u爲截(jie)面流速分布(bu)，它是從截面(miàn)得心量起的(de)無量綱矢徑(jìng)r=r/R的函數，U爲截(jie)面中心附近(jin)流速，R爲管道(dao)半徑。一般情(qíng)況下，渦街流(liu)量計安裝、使(shi)用時要求上(shang)遊直管段⭕長(zhang)度L≥20D,下♻️遊直管(guan)段長度Ɩ≥5D(D爲管(guǎn)道✊直徑)，以保(bao)證流體流過(guò)旋渦發生體(tǐ)時能達到産(chǎn)生穩定渦街(jiē)所必要的流(liu)動條件。此時(shí)在渦街流量(liang)計安裝截面(mian)上已形成穩(wěn)定的🔴流速分(fèn)布，且管道内(nèi)的流動爲充(chong)分發展的端(duān)流，爲了能夠(gòu)模拟該截面(miàn)的流速分布(bu)，标定裝置的(de)上下遊直管(guǎn)段長度和管(guan)道直徑應與(yǔ)實際管道相(xiang)一緻。運動相(xiàng)似條件式(2)表(biǎo)明,标定時僅(jǐn)僅🛀🏻給出流量(liàng)Q與旋渦頻率(lǜ)ƒ的定量關系(xi)是不夠約，同(tong)時🌈還要保證(zhèng)渦街流量計(jì)所在截面上(shang)，标定的和實(shi)際🔱管流的
 
值(zhí)相等。式中`u=Q/S爲(wèi)平均流速，S爲(wèi)管道截面積(jī)。從本質上說(shuō)，渦街流量計(ji)是一種流速(su)測量儀表,旋(xuan)渦頻率隻與(yu)流速有關。在(zai)一定的雷諾(nuò)數下，當速度(du)剖面較爲飽(bao)滿時,旋渦頻(pín)率主要👌依賴(lai)于🏃🏻最大流速(su)U,因此隻要U相(xiàng)等則旋渦頻(pín)率也就大緻(zhi)相等，即使是(shi)截面的流速(su)分布有較大(dà)差異。而流經(jing)某一截面♈的(de)介質體積流(liu)量則取決于(yu)該截面的平(ping)均流速`u。因此(ci)，要從U與ƒ的基(ji)本測量數據(ju)導出Q與ƒf的關(guān)系需引進無(wu)量綱流速分(fen)布參數。爲便(bian)于叙🌂述和讨(tǎo)論，考慮一維(wéi)定常不可壓(yā)等截面管流(liú)情形。顯然沿(yan)管🧡流的軸線(xian)方向截面平(ping)均流速雲、流(liú)量✍️Q和雷諾數(shu)RD=`uDρ/μ都是不變的(de)。然而當渦街(jie)流量計位于(yu)管流的不㊙️同(tóng)軸向位置時(shi)，流量計儀表(biǎo)所顯示的旋(xuan)渦脫落頻率(lǜ)卻是不同的(de)。這是由于截(jie)面中心附近(jin)最大流速U在(zai)管道軸線📐方(fāng)🔱向變化所緻(zhì)。因此，将實驗(yan)💜室标定的渦(wō)街流量計用(yong)于現場時由(you)于ξ值不一緻(zhi)而引起的計(jì)量🏃🏻‍♂️誤差是必(bì)須予以注💛意(yì)的🔞一個重要(yào)問題。
　　當然，我(wo)們也可以設(she)計一種吸氣(qì)式的組合式(shi)标定裝💃🏻置，使(shi)😍其㊙️上遊和下(xia)遊直管段長(zhǎng)度符合标定(ding)要求，并在其(qí)下🔱遊直🌈管段(duàn)後部裝接不(bú)同喉部直徑(jing)的文丘利音(yin)速噴管與真(zhēn)空鹾連通。當(dang)管道穩定流(liú)場建立後測(ce)量噴管喉部(bu)的氣流總🌈壓(ya)P0和總溫T0(已知(zhi)噴管喉部面(mian)積A*)，便可求出(chū)管流的質量(liang)流量🤩，再除以(yi)噴管🐅前方粗(cū)管段低速流(liú)的空氣密度(du)而得到體積(ji)流量Q;與此同(tóng)時，測量渦街(jiē)流量計的旋(xuan)渦頻率f，使流(liu)量Q與旋渦頻(pin)率ƒ一一對應(ying),.經數據拟合(hé)便給出Q與ƒ的(de)關系式。這種(zhong)标定方式似(sì)乎🐪不必求參(cān)數ξ而直接建(jiàn)立起Q與ƒ的關(guan)系，然而它對(dui)渦街流量計(jì)上遊和下遊(yóu)的直管段長(zhǎng)度卻有嚴格(ge)的要求㊙️，這樣(yàng)才能模拟實(shi)際管流的流(liu)速分布。
3标定(dìng)公式的選用(yong)及數據處理(lǐ)
　　關于渦街流(liu)量計的标定(ding)公式，目前計(ji)量部門和用(yong)🏃🏻‍♂️戶普遍使用(yòng)✂️的公式爲
 
　　事(shì)實上，式(4)是理(li)想化了的結(jié)果，頻率ƒ爲零(ling)時，流量Q也爲(wei)零。而實際情(qing)況總是偏離(lí)上式。對渦街(jie)流量計的👅測(cè)量🤞數據表明(míng)，采用式(4)時，對(duì)低速即低頻(pín)情況數據的(de)拟合誤差較(jiào)大。故标☔定公(gōng)式應該采用(yòng)不經過坐标(biao)原點的直線(xian)方程,并給出(chu)其适用範圍(wéi)🐪。
　　标定時，将渦(wo)街流最計豎(shù)直地插入實(shi)驗裝置的來(lái)流中🐉，使旋渦(wo)發生體的迎(ying)流面垂直于(yu)流向。用皮托(tuo)管或📱熱線風(feng)速儀測👉量截(jié)面最大流速(su)U,用計數器測(cè)量所對應的(de)流量計旋渦(wō)頻率ƒ,然後對(duì)所得數據用(yòng)最小二乘📱法(fa)進行拟合，給(gei)出
 
　　式中ƒ≥fo,fo是對(duì)應于下臨界(jiè)雷諾數的旋(xuan)渦頻率。當雷(lei)諾數Rd(特征長(zhang)度取爲旋渦(wō)發生體迎流(liu)面最大寬度(dù)d)大⭕于此臨界(jie)🈲雷諾數時，Strouhal數(shù)St保持不變。
　　從(cong)上述讨論和(hé)公式推導可(kě)以看出，對于(yu)标定渦街流(liu)量⭐計，最🙇🏻主要(yao)的有兩點:一(yi)是經測試提(ti)供最大流速(sù)U與⭕旋渦頻率(lǜ)ƒ的關系，二是(shì)以測試或分(fen)析辦法提供(gòng)ξ值。而ξ則用以(yi)計人流速分(fen)布、管道形🐪狀(zhuàng)及雷諾數的(de)影響。因此，若(ruo)已确定ξ值，标(biao)定工作便可(ke)大爲簡化🙇🏻，隻(zhi)需給出U與ƒ的(de)關系而沒有(yǒu)必要再去考(kao)慮流速分布(bu)的影響。如前(qian)所述，當截面(miàn)速度剖面較(jiào)爲飽滿時，旋(xuán)渦頻率❗隻與(yu)截面最大流(liú)速有關，且爲(wèi)線性。因此，對(dui)💘于某一流量(liang)計,原則上旋(xuán)渦頻率ƒ對🏃🏻‍♂️最(zuì)大流速U的變(biàn)化率即dƒ/dU，在沿(yan)标定裝置的(de)軸線方向,其(qí)數值是基🔴本(běn)不變的。這對(duì)于适當縮短(duan)标定裝置的(de)♍軸向尺寸，降(jiàng)低标定費💚用(yong)是很有實際(jì)意義的。
4湍流(liú)時圓管的流(liu)速分布參數(shù)
　　要确定流速(su)分布參數ξ值(zhí)主要有兩種(zhǒng)途徑，即現場(chang)測量和分📞析(xi)🌈辦法，而後者(zhě)又分爲邊界(jiè)層理論分析(xī)🌈辦法和基于(yu)測量數㊙️據的(de)半經驗分析(xi)辦法。下面分(fèn)别予以叙述(shù)。
4.1現場測量t
　　現(xian)場測定大口(kou)徑管流的ξ值(zhí),一個較爲簡(jian)單的辦法是(shì)用傳感💃器測(cè)量渦街流量(liàng)計安裝截面(miàn)的流速分布(bu)，然後積分求(qiú)出介質流量(liang),再用管道截(jie)面積S除此😘積(jī)分值，給出其(qi)平均流☎️速日(rì)，而截面最大(da)流速`U則是由(yóu)該截面流速(su)分布🔅的最大(da)測量值給出(chu)，從而确定🐪其(qí)某一流速下(xia)的ξ值。
4.2邊界層(céng)瑪論分析辦(bàn)法.
　　标定渦街(jie)流計時要求(qiu)幾何相似、運(yùn)動相似和動(dong)力相似，這--切(qiē)具體實施起(qǐ)來實屬不易(yi)。例如，當管徑(jìng)較大時，由于(yú)受實驗場地(dì)的限制，标定(ding)裝置的上遊(yóu)和🙇🏻下遊直管(guan)段長度難以(yi)♌達到标⚽定要(yao)求。若在風洞(dòng)中标定，因風(fēng)洞實驗段🛀較(jiao)短而氣流接(jiē)近于均勻流(liú)，與💛實際管流(liu)的流速分布(bù)差别較大。而(ér)現場測量不(bú)僅把所需的(de)測量儀器和(he)微機等要帶(dài)到現場去，而(er)且還應備有(you)必要的測試(shi)條件和環境(jìng)㊙️(如電源、工作(zuò)間等),因而常(chang)受到較大🍓限(xian)制。因此，在很(hen)多情況下，我(wǒ)們卻不得不(bu)惜助于分析(xī)辦法來确定(ding)ξ值。對于充分(fen)發🤟展爲端流(liu).的圓管😄内的(de)流動，由邊界(jie)層理論給出(chu)“
 
　　其中ue爲摩阻(zu)速度，`R=D/2。若已知(zhi)管道直徑D、平(ping)均流速`u、介質(zhi)密度ρ和粘性(xing)系數u,則由式(shi)(12)分别确定RD、λ、u，求(qiu)出`Ru*ρ/u,最後由式(shì)(11)給出截面流(liu)速💚分布參數(shu)5ξ值。
　　對于矩形(xing)截面的管流(liú)，目前還沒有(you)較爲成熟而(er)簡便的理論(lùn)分析方法可(ke)供使用。作爲(wei)工程估算,以(yi)該😍矩形截面(miàn)的水力學直(zhí)徑來代替圓(yuan)管直徑，然後(hou)按上述步驟(zhou)計算💁即可。式(shì)中S爲截面積(jī)，C爲截面周長(zhǎng)。在圓截面情(qing)況下，水力👅學(xué)直徑等于圓(yuan)的直徑。
 
　　因爲(wèi)在推導式(9)時(shi)截面速度剖(pōu)面包括粘性(xing)底層均用了(le)對☔數律🏃‍♀️，所以(yǐ)式(11)給出的ξ值(zhi)在相同雷諾(nuò)數下較之後(hou)面的半經驗(yan)公式(15)略高2%左(zuǒ)右。
4.3半經驗分(fen)析辦法
　　在很(hen)寬的雷諾數(shù)範圍内，即4×103≤RD≤3.2×106,對(dui)光滑圓管的(de)摩擦律和速(sù)度剖面進行(háng)了很全面的(de)實驗研究[41。表(biǎo)明當雷諾數(shu)增大時，速度(dù)剖面更加飽(bǎo)滿。當管道内(nei)的流動爲端(duan)流時，在半徑(jing)方向上距管(guan)道中心軸爲(wèi)r處的流速可(kě)用經驗公式(shi)表⁉️示如下
 
　　其(qi)中指數n随雷(léi)諾數稍有變(biàn)化。根據測量(liang)結果制成了(le)☁️表🔱1。這裏應該(gāi)注意的問題(tí)是，流體要流(liú)經足夠長👌的(de)直管段後，才(cai)🈲能成爲式❌(14)表(biao)示的流速分(fen)布。在彎管和(he)閥門的前後(hòu)不會形成這(zhè)樣的流速分(fen)布。在渦街流(liu)量計的上遊(yóu)側和下遊側(ce)需👈要适當長(zhǎng)度的直管段(duan)，其理由就在(zài)于此。
　　由式(14)容(róng)易推導出圓(yuán)管流動中平(ping)均流速與最(zui)大流速🈲之✌️比(bǐ)❌

　　諾數範圍内(nèi)式(16)與表1數據(jù)的符合程度(dù)是使人能夠(gou)☁️接受的,是對(duì)實驗數據的(de)較好逼近，可(ke)與式(15)聯用，求(qiú)出ξ随RD的變化(hua)。
5結論
　　 根據上(shàng)述詳細的分(fèn)析讨論，可得(de)出如下主要(yào)結論:
(1)對管流(liu)引進一相似(si)參數，即截面(mian)平均流速`u與(yǔ)最大流🙇‍♀️速U之(zhī)比ξ=`u/U。運
動相似(si)則要求在渦(wo)街流量計所(suo)在截面上，标(biāo)定的和實際(jì)🐅管流的5值相(xiang)等。
(2)探讨了一(yī)種以測試手(shǒu)段和分析辦(ban)法相結合的(de)标定渦街流(liu)量計的新的(de)技術途徑,
旨(zhǐ)在縮短大口(kǒu)徑管流标定(dìng)裝置的軸向(xiang)尺寸,降低标(biao)定費用㊙️。
(3)對于(yu)充分湍流的(de)圓管流動，根(gen)據結果，給出(chū)了截面💃🏻流速(su)分💰布
參數ξ随(sui)雷諾數變化(huà)的簡潔計算(suàn)公式。
(4)關于流(liu)量Q與旋渦頻(pín)率f的标定公(gong)式，似應采用(yong)不經過坐😄标(biāo)原點的直線(xiàn)方程，并給出(chu)其适用範圍(wei)。

文章來源于(yu)網絡,如有侵(qīn)權聯系即删(shān)除！