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渦街流量計的信號檢測
關鍵字：流量計,渦街流量計 日期：2012-8-17 8:56:56
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當旋渦從發生體兩側交替分離，形成穩定的卡曼渦街時，
產生旋渦分離的發生體本身和它周圍（上游、兩側和下游）區域
的流體都伴隨出現一些物理現象，分析和研究這些現象的規律，
可尋找到檢測渦街信號的方法。
一、渦街流量計交變環流
在無旋的流場中插入一根阻流體，就會產生旋渦分離現象。
根據旋渦運動的基本性質，如果作用在流體上的質量力具
有力勢，則沿封閉流動圍線（封閉流動圍線是指流動中在不同時
刻，通過相同的一些流體質點所作的圍線）的環量不隨時間而
變，即dΓ/dt0，這就是湯姆森定理。
根據湯姆森定理，如果設在給定瞬間沿某任意封閉流動圍
r）線的環量r≠0，則按斯托克斯定理，
就表明有旋渦存在。由于旋渦分離出現
了環量，并假設該環量為正，因此必然
同時出現與旋渦環量相反的負環量，來
廠）與之相抵消。
如圖所示，當旋渦從發生體下側面分離時，如該旋渦具有正環量，則
與此同時就具有一個環繞發生體的順時針環流產生。根據湯姆森
定理，該環流所具有的環量為負值，且大小與旋渦環量相等。
當旋渦向下游運動離開發生體時，流體中的負環量也被帶
走，順時針環流隨之消失。同樣，當旋渦在發生體的上側面分離時，設該旋渦具有環量為-r，則同時有一個逆時針的環流
產生，該環流具有的環量為+r，大小與旋渦環量相等。這樣
隨著流體連續流動旋渦就交替分離，環流交替產生。可以看出，
交替改變方向的環流與交替分離的旋渦是同步的，即交變環流
的頻率與旋渦頻率相等。
二、渦街流量計局部流速變化
當旋渦分離時，伴隨交變環流的產生，發生體周圍就出現
局部流速的變化，這是環流流動與主流流動疊加作用的結果。
使部分區域的流速加快，部分區域的流速減慢。圖5-2給出了
兩種典型的情況。在圖5 - 2(a)中，如以發生體流動方向的軸線
為界，發生體上側面（包括發生體前呆滯點以上）區域，由于旋
渦分離和環流的形成，環流方向與主流流速方向相同，這個區
域的流速被加快。而在發生體的下側面，兩種流速的方向相反，
使這個區域的流速減慢。
圖交變環流引起局部流速變化
這種局部流速的變化與旋渦強度有關，旋渦越強流速變化
越大。
三、渦街流量計壓力脈動
如前所述，隨著旋渦交替分離，旋渦與交變環流的作用，
使發生體兩側流速出現同步脈動，自然也會引起壓力的脈動.國外學者曾進行過一項物理實驗，在水和空氣中，并在較寬
的流速范圍內，當旋渦分離時，用經過標定的壓電壓力傳感器，
測量壓力變化的頻率和幅值。試驗結果表明，壓力脈動的頻率
與旋渦頻率相同，而脈動的幅值與脈動區域的流體密度及平均
流速平方的乘積(pU2)成正比。這一結果以圖5-3的曲線表示
出來。
圖壓力脈動與頻率的關系
曲線中壓力脈動信號幅值對pƒ2做了歸一化處理。在水和
空氣中測得的信號幅值隨頻率變化，較好地疊合成一條水平
直線。
由于頻率與流速之間是線性關系，所以可直接把壓力脈動
的幅值寫成
dP=KppU2 (5 -1)
式中 Kp——常數；
P-測試點的平均密度；
U-測試點的平均流速。
圖是旋渦從發生體分離瞬間，發生體表面的壓力場變
化的情況。這是在Re為1.12×lO5時，旋渦分離的1/3周期內，
發生體表面壓力場變化的順序圖，每幅圖右上方注明了時間。
從圖中可看出旋渦交替分離時，流體作用于發生體垂直方向的升力和流動方向阻力的變化。
圖旋渦分離時圓柱表面壓力場變化順序
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