渦街流量傳感器物理現(xiàn)象分析

 

    由前面的分析可知，在不同流速下旋渦發(fā)生體后面的渦街信號(hào)強(qiáng)度隨著距離的增加經(jīng)歷了一個(gè)從小到大再從大到小的過程，在PANKANIN[4]的論文中也發(fā)現(xiàn)了這種變化，但由于旋渦發(fā)生體周圍流場的復(fù)雜性并沒有對這一現(xiàn)象給出解釋。通過觀察數(shù)值計(jì)算得到的流場圖，如圖10所示。本文對此現(xiàn)象進(jìn)行了如下解釋。

 

    圖10渦街流量傳感器內(nèi)部流場

 

    圖10a反映的是渦街流量傳感器內(nèi)部壓力場，可以看出在旋渦剛從旋渦發(fā)生體脫落時(shí)，會(huì)在靠近管壁附近形成一個(gè)低壓區(qū)，這樣就使軸心位置的檢測點(diǎn)遠(yuǎn)離旋渦中心位置，而隨著旋渦向下游運(yùn)動(dòng)，由于向心力的作用旋渦中心位置會(huì)趨向于管道軸心位置運(yùn)動(dòng)，這時(shí)檢測點(diǎn)位置就會(huì)處于靠近旋渦中心的位置，因此此時(shí)檢測點(diǎn)上壓力的變化要強(qiáng)于靠近旋渦發(fā)生體的檢測點(diǎn)。

 

    隨著旋渦的繼續(xù)運(yùn)動(dòng)，由于旋渦自身的耗散，壓力場強(qiáng)度迅速減小，檢測點(diǎn)上壓力隨之減小。這樣可以得出結(jié)論，旋渦開始階段由于在徑向方向上的偏離軸向運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致了靠近旋渦發(fā)生體軸向位置上旋渦強(qiáng)度不是最大的，而隨著旋渦逐步靠近軸向運(yùn)動(dòng)，檢測點(diǎn)上壓力信號(hào)的強(qiáng)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(hào)的強(qiáng)度開始減弱。

 

    圖10b反映的是圖10a時(shí)刻對應(yīng)的流場擾動(dòng)情況，可以看出越靠近旋渦發(fā)生體的區(qū)域其流場擾動(dòng)越強(qiáng)烈。對圖10b進(jìn)行分析，可對旋渦脫落周期的穩(wěn)定性隨檢測點(diǎn)位置變化的現(xiàn)象進(jìn)行如下分析：在靠近旋渦發(fā)生體附近0～2d的范圍內(nèi)（圖10b）形成了一個(gè)高的流動(dòng)不穩(wěn)定區(qū)域，由于擾動(dòng)的加強(qiáng)影響了其周圍壓力場周期變化的穩(wěn)定性。

 

    在2d～5d之間，流場受到的擾動(dòng)相對較小并且旋渦流場趨于穩(wěn)定，因此這個(gè)范圍內(nèi)檢測到的旋渦脫落周期穩(wěn)定性好；在5d以后流場受到的擾動(dòng)明顯減小，但這個(gè)時(shí)候由于粘性耗散的作用，旋渦半徑增大從而導(dǎo)致渦街變得不穩(wěn)定，使檢測到的旋渦脫落周期再次出現(xiàn)不穩(wěn)定。

 

    渦街流量傳感器的結(jié)論

 

    （1）經(jīng)過試驗(yàn)與數(shù)值計(jì)算結(jié)果的誤差分析，表明數(shù)值計(jì)算方法與試驗(yàn)結(jié)果是十分相近的，說明用數(shù)值計(jì)算研究渦街流量傳感器內(nèi)部流場是可行的。

 

    （2）在對渦街流場的數(shù)值計(jì)算中，通過在旋渦發(fā)生體后設(shè)置多個(gè)檢測點(diǎn)，找到了渦街流量傳感器后旋渦強(qiáng)度最高的檢測區(qū)域。對旋渦信號(hào)的穩(wěn)定性進(jìn)行了分析，確定了信號(hào)穩(wěn)定性較好的區(qū)域。將信號(hào)強(qiáng)度與穩(wěn)定性綜合分析后找到了渦街信號(hào)最佳檢測區(qū)域?yàn)榫嚯x發(fā)生體2.8d的區(qū)域內(nèi)。

 

    （3）通過對渦街流場的模擬，對不同區(qū)域上流場所呈現(xiàn)出的特點(diǎn)進(jìn)行了分析，解釋了造成信號(hào)強(qiáng)度和穩(wěn)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(yùn)動(dòng)特點(diǎn)所造成的。