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ZNGB渦街流量計(jì)旋渦上舉力系數(shù)的研究為感測(cè)元件的設(shè)計(jì)提供了依據(jù) ZNGB渦街流量計(jì)具有其它流量?jī)x表無(wú)法同時(shí)具備的優(yōu)點(diǎn),因而獲得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展.ZNGB渦街流量計(jì)通過(guò)感測(cè)元件可以很方便地測(cè)量到流體振動(dòng)頻率. 由流體振動(dòng)而產(chǎn)生的垂直于旋渦發(fā)生體和流體方向的力稱為上舉力.旋渦上舉力的大小是頻率感測(cè)元件設(shè)計(jì)的重要依據(jù).依據(jù)各種文獻(xiàn)介紹的計(jì)算方法所計(jì)算的上舉力與實(shí)際值差距較大,主要是舉力系數(shù)的確定存在誤差,所以對(duì)舉力系數(shù)有必要作進(jìn)一步的研究. 1 卡門渦 若在流體中垂直放置一非流線型的對(duì)稱物體,在其左右側(cè)就發(fā)生旋渦,從左右兩側(cè)交替發(fā)出,形成了鋸齒型的兩列并排渦街,稱為卡門渦街.該對(duì)稱物體稱作旋渦發(fā)生體. 斯特羅哈爾（strouha1）曾研究了稱之為斯特羅哈爾數(shù)（strouhal number）的無(wú)量綱數(shù)St（fd/v）,其中f為旋渦發(fā)出的頻率,d為旋渦發(fā)生體的特征寬度,v為流速.圖1是梯形旋渦發(fā)生體實(shí)測(cè)的斯特羅哈爾數(shù)和雷數(shù)的關(guān)系[1],則當(dāng)雷諾數(shù)大于2×104時(shí)斯特羅哈爾數(shù)幾乎不變,約為0.17.在此范圍內(nèi)有[2] f=St·v/d （1） 在渦街發(fā)生體后面的流體中可看到如圖2所示的交替排列的非對(duì)稱渦街.對(duì)圖2所示的非對(duì)稱排列中,設(shè)渦街間的間隔為h,渦間的間隔為l,如果它們之間滿足下式時(shí)則為穩(wěn)定的[4]. h/l=0.281 （2） 圖2所示的平行的兩列渦,當(dāng)具有同一環(huán)量Γ和-Γ時(shí),由于渦群的互相作用,使渦街以速度u向上流推進(jìn).u可用下式表示[4]. （3） 在式（2）的穩(wěn)定條件下,有tgh（Πh/l）=1/,所以,u=Γ/2l （4） 式中:環(huán)量Γ是表示渦強(qiáng)度的量,可看成在流體中的一個(gè)閉合線c上其切線方向的流體速度成分vs平均值與曲線長(zhǎng)度的乘積.如果流體中的物體周圍是有環(huán)流或是流體中有旋渦存在的話,在物體周圍閉合曲線中,環(huán)量不是零,而且按方向不同有正值或負(fù)值.通常?？捎檬剑?）來(lái)表示[2] （5） 式中是速度矢量,rot是旋度. 從靜止的圓柱體發(fā)出的渦,相對(duì)于圓柱體,渦街的移動(dòng)速度變成v-u.若單列渦發(fā)出的數(shù)目為每秒f.則有: v-u=f·l （6） 圓柱體直徑d與h之間、v和u之間的比例關(guān)系由實(shí)驗(yàn)來(lái)求出,表示如下[4]: h=1.3d （7） u=0.14v （8） 2 實(shí)測(cè)上舉力 通常,ZNGB渦街流量計(jì)的頻率感測(cè)元件是不需要標(biāo)定的,為了得到旋渦在發(fā)生體單位長(zhǎng)度比較準(zhǔn)確的上舉力,作者對(duì)頻率感測(cè)元件（應(yīng)力檢測(cè)型傳感器）進(jìn)行了標(biāo)定與實(shí)驗(yàn).頻率感測(cè)元件為應(yīng)力式傳感器,其原理是利用安裝于旋渦傳感器內(nèi)的壓電晶體為力敏檢測(cè)元件進(jìn)行渦應(yīng)力檢測(cè)的,壓電晶體輸出與輸入頻率（即旋渦頻率）成正比的交變電荷信號(hào).當(dāng)壓電晶體的材質(zhì)（壓電常數(shù)）及結(jié)構(gòu)尺寸（厚度、形狀、直徑或長(zhǎng)寬）確定后,其輸出信號(hào)只與應(yīng)力有關(guān).由于壓電元件具有輸出信號(hào)大、損耗小、響應(yīng)快、耐高溫和機(jī)械強(qiáng)度大等優(yōu)點(diǎn),故已普遍應(yīng)用于ZNGB渦街流量計(jì). 給傳感器分別加一不同交變力P=Psin（2π+ωt）,從數(shù)字示波儀上測(cè)量到傳感器交變的輸出信號(hào),讀出其電壓峰值,并計(jì)算出平均靈敏度,列于表1.表1 傳感器標(biāo)定結(jié)果輸入交變力P/N0.20.51.02.05.0輸出電壓峰值V/mV57.5140.5286572.51408平均靈敏度/（V·N-1）0.283 將同一傳感器安裝在通徑為DN25ZNGB渦街流量計(jì)上,測(cè)得在不同流速下的輸出電壓峰值,并根據(jù)傳感器靈敏度計(jì)算出作用于傳感器上的上舉力F.由式（11）的定義可知 F=Ll=clρv2d/2 （12） 式中:l傳感器的受力長(zhǎng)度,其它符號(hào)同前. DN25ZNGB渦街流量計(jì)的旋渦發(fā)生體的特征寬度d為7mm,傳感器受力長(zhǎng)度l為15mm.根據(jù)不同的上舉力F由式（12）可分別計(jì)算出不同流速下的舉力系數(shù)cl′和平均舉力系數(shù),見(jiàn)表2.表2 DN25ZNGB渦街流量計(jì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果流速v/(m·s-1)0.591.081.943.785.02電壓峰值V/mV24.488.5290上舉力F/N0.0860.3131.0253.9056.862實(shí)測(cè)舉力系數(shù)cl′4.715.115.195.215.19平均舉力系數(shù)5.08 由表2的實(shí)驗(yàn)結(jié)果知,平均舉力系數(shù)高于理論舉力系數(shù)Cl39%. 3渦的發(fā)出與流體振動(dòng) 若流體中發(fā)出的渦群形成卡門渦街的話,那么就有圖2（b）那樣的流動(dòng)情況.在渦街中間可看到像蛇形一樣的流動(dòng).因此在后部的中心線上流動(dòng)包含了主流和垂直振動(dòng)的成分.在渦通過(guò)的部分,既存在著垂直振動(dòng)成分,也存在著和主流平行的成分. 假定旋渦發(fā)生體上流是沒(méi)有旋渦的、均勻流動(dòng)的流體,那么在此部分根據(jù)式（5）的定義環(huán)量就為零.就象圖2（a）所看到的,在發(fā)生渦的旋渦發(fā)生體的右下方有旋渦,在這種情況下,作為旋渦旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的反作用,在流體的其他部分產(chǎn)生與旋渦方向相反的旋轉(zhuǎn).就是說(shuō)一定存在著逆環(huán)量. 此旋轉(zhuǎn)就是旋渦發(fā)生體周圍的環(huán)流.也即是旋渦發(fā)生體周圍的環(huán)量.由于圖上虛線方向的循環(huán)速度是附加在主流上,因此旋渦發(fā)生體的上側(cè)和下側(cè)流體速度就不同,這樣在旋渦發(fā)生體上下就產(chǎn)生壓力差.結(jié)果是在旋渦發(fā)生體上作用著一個(gè)從下到上的正舉力. 如果旋渦是在圓柱體的右上方順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn),那么與上述結(jié)果相反,圓柱體上是作用一個(gè)負(fù)舉力.由于旋渦是交替的生成和發(fā)出,故圓柱體周圍的環(huán)量應(yīng)是交替變化著,其上作用著正負(fù)周期的舉力.設(shè)在圓柱體每單位長(zhǎng)度上舉力的大小是,根據(jù)庫(kù)·茹科夫斯基定理,可表示為下式[4]: L=ρvΓ （9） 式中:ρ為流體密度;v為均勻流體速度;Γ為圓柱周圍的環(huán)量（通常將反時(shí)針?lè)较蛉檎? 由式（4）知 Γ=2lv 則 L=2ρlvu （10） 由式（2）、（7）和（8）可計(jì)算得 L=clρv2d/2 （11） 式中:cl為舉力系數(shù),cl=3.66. 此值與cl的實(shí)測(cè)值有較大差異,因?yàn)槭剑?）是在沒(méi)有附面層分離的理想流體下得出的,而在實(shí)際的流體中,物體后面的流動(dòng)是存在著附面層分離現(xiàn)象的. 4 結(jié)束語(yǔ) 在ZNGB渦街流量計(jì)中,頻率感測(cè)元件是其核心部件.旋渦上舉力的大小直接影響到感測(cè)元件的靈敏度.本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)與研究給出了比較準(zhǔn)確的舉力系數(shù),為感測(cè)元件的設(shè)計(jì)提供了依據(jù). 在ZNGB渦街流量計(jì)的設(shè)計(jì)中,傳感器的強(qiáng)度與靈敏度是一對(duì)矛盾體,當(dāng)要提高強(qiáng)度時(shí),必然會(huì)犧牲部分靈敏度.只有比較準(zhǔn)確地計(jì)算出上舉力的大小,才能兼顧傳感器的強(qiáng)度與靈敏度.在滿足強(qiáng)度的情況下,盡可能地提高靈敏度,以擴(kuò)展ZNGB渦街流量計(jì)的測(cè)量下限. 推薦產(chǎn)品.電磁流量計(jì),壓力變送器,孔板流量計(jì),V錐型流量計(jì),超聲波流量計(jì),渦街流量計(jì),渦輪流量計(jì),熱電偶.