渦街流量傳感器物理現象分析

 

    由前面的分析可知，在不同流速下旋渦發生體后面的渦街信號強度隨著距離的增加經歷了一個從小到大再從大到小的過程，在PANKANIN[4]的論文中也發現了這種變化，但由于旋渦發生體周圍流場的復雜性并沒有對這一現象給出解釋。通過觀察數值計算得到的流場圖，如圖10所示。本文對此現象進行了如下解釋。

 

    圖10渦街流量傳感器內部流場

 

    圖10a反映的是渦街流量傳感器內部壓力場，可以看出在旋渦剛從旋渦發生體脫落時，會在靠近管壁附近形成一個低壓區，這樣就使軸心位置的檢測點遠離旋渦中心位置，而隨著旋渦向下游運動，由于向心力的作用旋渦中心位置會趨向于管道軸心位置運動，這時檢測點位置就會處于靠近旋渦中心的位置，因此此時檢測點上壓力的變化要強于靠近旋渦發生體的檢測點。

 

    隨著旋渦的繼續運動，由于旋渦自身的耗散，壓力場強度迅速減小，檢測點上壓力隨之減小。這樣可以得出結論，旋渦開始階段由于在徑向方向上的偏離軸向運動導致了靠近旋渦發生體軸向位置上旋渦強度不是最大的，而隨著旋渦逐步靠近軸向運動，檢測點上壓力信號的強度開始增加，增加到一定階段由于渦的耗散作用使壓力信號的強度開始減弱。

 

    圖10b反映的是圖10a時刻對應的流場擾動情況，可以看出越靠近旋渦發生體的區域其流場擾動越強烈。對圖10b進行分析，可對旋渦脫落周期的穩定性隨檢測點位置變化的現象進行如下分析：在靠近旋渦發生體附近0～2d的范圍內（圖10b）形成了一個高的流動不穩定區域，由于擾動的加強影響了其周圍壓力場周期變化的穩定性。

 

    在2d～5d之間，流場受到的擾動相對較小并且旋渦流場趨于穩定，因此這個范圍內檢測到的旋渦脫落周期穩定性好；在5d以后流場受到的擾動明顯減小，但這個時候由于粘性耗散的作用，旋渦半徑增大從而導致渦街變得不穩定，使檢測到的旋渦脫落周期再次出現不穩定。

 

    渦街流量傳感器的結論

 

    （1）經過試驗與數值計算結果的誤差分析，表明數值計算方法與試驗結果是十分相近的，說明用數值計算研究渦街流量傳感器內部流場是可行的。

 

    （2）在對渦街流場的數值計算中，通過在旋渦發生體后設置多個檢測點，找到了渦街流量傳感器后旋渦強度最高的檢測區域。對旋渦信號的穩定性進行了分析，確定了信號穩定性較好的區域。將信號強度與穩定性綜合分析后找到了渦街信號最佳檢測區域為距離發生體2.8d的區域內。

 

    （3）通過對渦街流場的模擬，對不同區域上流場所呈現出的特點進行了分析，解釋了造成信號強度和穩定性隨檢測位置變化的主要原因是由于旋渦在流場中的運動特點所造成的。