涡街流量计原理

 
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   涡街流量计技术
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蒸汽流量计理论基础-卡门涡街理论的由来

1911年,西奥多·冯·卡门在德国哥廷根大学空气动力学家路德维希·普朗特手下任助教。当时普朗特正研究边界层现象,他命一位攻读博士学位的研究生卡尔·希门茨(Karl Hiemenz)设计一个流水槽,以便观察流水经过一个圆柱体时的边界层,并令希门茨测量圆柱体表面上不同点的压力。希门茨发现圆柱体表面的压力并非如预期的平稳,而是剧烈地振动。他将这个情况向普朗特汇报,普朗特说,“你的圆柱体显然不圆”。希门茨细心将圆柱体磨了又磨,测了又测,不见改进。冯·卡门走过实验室时不在意地问道:“卡尔,怎么样了”?卡尔答道“还是振动”,过几天又问:“卡尔,怎么样了?”,“还是振动得厉害”。这引起冯·卡门注意了,他想“也许振动不是偶然的,而是由内在原因决定的”。于是冯·卡门从理论上进行思考,起初他设想圆柱体后的水流形成两道对称排列但反方向的旋涡,但发现这种状态不能维持,很快不稳定。于是他假设两道旋涡交错排列,计算结果表明这种状态能够维持。冯·卡门将计算结果向导师普朗特报告。普朗特命冯·卡门写出论文发表。这是冯·卡门的第一篇论文[2],也是他的成名之作。冯·卡门关于卡门涡街的理论被后来的实验证实。“卡门涡街”的名称,沿用至今。
蒸汽流量计理论基础-卡门涡街理论的由来

 
 
 
流体绕曲面运动时,很容易产生边界层分离,尤其是绕流体为不良的流线型柱体时,旋涡分离会更加强烈。
根据实验观察,当流体绕过非流线型柱体时,由于边界层的不稳定性,使流动分离产生的旋涡有一定的规律。当雷诺数较高时,旋涡在柱体的某一侧形成并分离时,则另一侧就不可能形成旋涡,而只为旋涡形成与分离做准备。只有当某一侧旋涡离开柱体一定距离后,另一侧才可能形成旋涡,于是在柱体两侧形成交替的、有规律的旋涡列,这就是涡街。
斯特劳哈尔首次用试验方法发现阻流体后方尾流的涡动具有周期性规律之后30多年,卡曼通过大量试验,观察涡街的稳定性,并发现两列旋涡间距离与同一列旋涡的间距存在一个恒定的比例......。涡街流量计就是利用卡曼的涡街理论制作而成的。
 
 
   涡街流量计原理:
涡街流量计基本工作原理
如图3-1所示,在测量管道中垂直插入一非流线型阻流体,也称发生体 。随着流体流动,当管道雷诺数达到一定值时, 在发生体两侧就会交替地分离出卡曼涡街。旋涡频率f与流经发生体两侧的平均流速U1之间的关系可表示为:
f=SrU1/d
式中:
f--旋涡频率,Hz;
Sr--斯特劳哈尔系数;
U1--发生体两侧的平均流速,m/s;
d--发生体迎流面的宽度,m.
卡曼涡街示意图
设测量管内径为D,发生体两侧弓形流通面积之和与测量管的横截面面积之比为m,则

根据流体连续性定理
U1=U/m
式中:
U--测量管内的平均流速,m/s;
根据上两式可得:
f=SrU/md;
设测量管内瞬时体积流量为qv,则

从上式可看出,对于确定的测量管内径D和发生体迎流面宽度d,流体的状态体积流量qv与旋涡频率f成正比。也就是说 ,只要测量出旋涡频率f,就可以测量出体积流量。
对式3-5做一下变换,则:

式中
K--涡街流量计的仪表系数,m-3
qv--体积流量,m3/s;
在工程应用涡街流量计测量流量时,常用公式为:
qv=f/K
式中,qv--体积流量,m3/h.
从上述公式可以看出,用涡街流量计测量流体的体积流量,主要是通过测量旋涡频率f来实现。而旋涡平率f只与流速U 和发生体的几何参数(形状和几何尺寸)有关,而与被测流体的特性和组分无关。
仪表系数K与以下因素有关:
1.发生体、测量管的几何尺寸;
2.斯特劳哈尔数Sr,斯特劳哈尔数又与发生体的形状和雷诺数有关。图3-2是已商品化的涡街流量计的Sr与ReD的关系曲 线。对于多数涡街流量计,管道雷诺数ReD在2*104~7*106范围内,斯特劳哈尔数Sr可视为常数,可保证测量的精度。超 出该范围,Sr将随ReD的降低或升高而变化,涡街流量计将出现非线性。当ReD从2*104降低到5*103时,卡曼涡街仍可稳 定分离。但由于非线性的影响,测量精度会降低。所以,抱5*103~7*106作为涡街流量计的可能测量范围。
斯特劳哈尔系数和管道雷诺数的关系

涡街流量计组成
测量旋涡频率f就可实现流量测量。但是要实现旋涡频率测量,必须解决以下几个问题:
1.设计流量特性优良的发生体,在较宽的雷诺数范围内,分离出强烈稳定的卡曼涡街;
2.要选用符合流体性质和测量要求的检测技术,设计检测灵敏度高、测量范围度宽的检测元件;
3.设计抗干扰能力强的信号处理电路。
以上三方面忽略任何一个环节,都无法实现流量精确测量。有此可知,一台完整的涡街流量计应由表体、发生体、检测元件和信号转换器四部分组成。图3-3所画的是法兰型涡街流量计结构简图。图3-4是法兰夹装型涡街流量计的示意图。
涡街流量计结构简图 法兰夹装式涡街流量计示意图

 
 
 
 
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