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双钝体涡街流量计的研究

发表时间:2020-09-11
涡街流量计出现在70年代初。其原理基于以下事实:在流体中垂直于流体方向插入一根柱状阻力体时,在其两侧会交替产生旋涡脱离现象。随着流体向下游方向运动,形成旋涡列,称为卡曼涡街。在一定的雷诺数范围内,旋涡脱离频率与平均流速成正比,而与流体的物理性质无关。另外,周期性的旋涡脱离会在钝体周围诱发流体振动,当钝体满足一定的要求时,流体振动频率与平均流速成线性关系。测得振动频率后,就可得到流体流速,从而可进一步得到流体流量。由于涡街流量计具有许多优点:无可动部件,可靠性高,维护保养费用低,输出是频率与流速成线性关系的脉冲信号,便于与微机接口,处理方便,测量精度高对流体的特性和温度不敏感等,这使它广泛用于测量气体、液体、多相流和化工、石油中的腐蚀性流体。但是,它也有其自身的缺点,比如,抗干扰性能差和流量下限高等,限制了它的应用。为此,国内外的研究人员进行了深入的研究。通过优化钝体几何结构和传感器安装位置提高了信号质量、妖率稳定性和线性度。通过实验研究了许多矩形钝体组合的特性,发现使用优化的双钝体组合可以获得旋涡脱离的良好的重复性。他们的成果奠定了双钝体涡街流量计的研究基础。在本研究中,使用截面为等边三角形的双钝体组合来增强流体振动,从而得以提高涡街流量计的抗干扰性和灵敏度。
 
1.仿真与分析
采用商业软件 Gambit1.0建立图所示几何结构的网格模型,并在 Fluent5.2中采用RNGk-e模型进行仿真计算,获得图所示的仿真结果。
在图中,管道直径D=50mm,两钝体相同,B=11.2mm,H=14mm。定义4条棱分别为棱1、棱2、棱3和棱4。在距离4条棱底边h=2.8mm的位置取4个振动测量点,点1,点2,点3和点4。
在图中,仿真条件:Uin=3m.s-1,Pout=10kPa,Re=957△t=2ms,L/H=2.5。对于双钝体:O点1;*点2;◇点3;+点4;对于单钝体: △点1;×点2。比较双钝体流量计4个观测点和单钝体流量计上同观测点1和2位置相同的点的流体振动,可得出如下结论:
(1)双钝体流量计观测点1和点2上的振动幅度同单钝体上的相等。然而,在观测点3和点4上的振动幅度则是单钝体上的2倍。
(2)至少雷诺数在638~9567范围内时,双钝体上观测点4上的振动频率保持稳定。
(3)在双钝体的轴对称点上,即,点1和点2,点3和点4的流体振动相位相差180°。
 
2.实验
2.1试验装
图所示为实验装置及测试系统原理。实验装置为气体流量实验系统,它由5个部分组成:I一流场波动模拟装置,用于在实验室条件下模拟流场波动;Ⅱ夹表装置,本实验台设计满足不同表体的使用,为通用的表体夹具;Ⅲ一标准流量校正装置,本实验台采用音速喷嘴流量计作为校准其它仪表的基准;Ⅳ一压差产生装置,本实验台通过真空泵产生负压,使实验台的入口和出口之间产生一个压差,形成相对稳定的空气流来作为实验流体;V一计算机测试系统,该系统用于测量传感器的输出,主要由电荷放大器和用于采样计算的美国 DACTRON公司 PHOTO便携式动态信号分析仪及计算机组成。
实验的流量范围可从5.5~224m3/h间断分布,实验台的音速喷嘴测定装置由5个标准的不同喷嘴流量计组成,通过不同的组合方式可得到不同的5.5~224m3/h之间的流量。实验的管道内径50mm.实验传感器是对称于后钝体安装的。实验体直径为650mm。
2.2实验结果
典型的涡街脉动信号如图(单钝体),图(双钝体)所示。通过分析,可以得出:
(1)双钝体流量计测得的流体振动幅度大约是单钝体上的2倍。
(2)无论是单飩体还是双钝体,对称于钝体两侧的涡街脉动具有180'相位差,并有明显的周期性。
这与仿真结果是一致的,可以利用涡街脉动的180°的相位差提出差动式传感器来提高信号的强度,从而差分掉同相的干扰信号,增强涡街流量计的抗干扰性和下限流量。
 
3.结论
通过仿真和实验研究了双钝体组合对涡街流量计的动力学特性的影响,得出:双钝体组合能够增强流体振动,并且在钝体的轴对称点上存在相位相差180°的流体振动点。这就提示:采用双钝体组合增强流体的振动,差动传感技术抑制噪声,可以改善涡街流量计的灵敏度和抗干扰性。在双钝体流量计观测点3和点4安装差动传感器可以研制抗干扰性能良好和高灵敏度的新型涡街流量计。
 

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