卡門渦街流量計

卡門渦街是流體力學(xué)中重要的現(xiàn)象，在自然界中常可遇到，在一定條件下的定常來流繞過某些物體時，物體兩側(cè)會周期性地脫落出旋轉(zhuǎn)方向相反、排列規(guī)則的雙列線渦，經(jīng)過非線性作用后，形成卡門渦街。如水流過橋墩，風(fēng)吹過高塔、煙囪、電線等都會形成卡門渦街。卡門渦街有一些很重要的應(yīng)用，因此有必要了解其研究歷史及有關(guān)的應(yīng)用情況。

在一定條件下的定常來流繞過某些物體時，物體兩側(cè)會周期性地脫落出旋轉(zhuǎn)方向相反、并排列成有規(guī)則的雙列線渦。開始時，這兩列線渦分別保持自身的運(yùn)動前進(jìn)，接著它們互相干擾，互相吸引，而且干擾越來越大，形成非線性的所謂渦街?？ㄩT渦街是粘性不可壓縮流體動力學(xué)所研究的一種現(xiàn)象。流體繞流高大煙囪、高層建筑、電線、油管道和換熱器的管束時都會產(chǎn)生卡門渦街。
1911年，德國科學(xué)家T.von卡門從空氣動力學(xué)的觀點(diǎn)找到了這種渦旋穩(wěn)定性的理論根據(jù)。對圓柱繞流，渦街的每個單渦的頻率f與繞流速度v成正比，與圓柱體直徑d成反比，即f=Sr(v/d)。Sr是斯特勞哈爾數(shù)，它主要與雷諾數(shù)有關(guān)。當(dāng)雷諾數(shù)為300～3×10^5時，Sr近似于常數(shù)值(0.21)；當(dāng)雷諾數(shù)為3×10^5～3×10^6時，有規(guī)則的渦街便不再存在；當(dāng)雷諾數(shù)大于3×10^6時，卡門渦街又會自動出現(xiàn)，這時Sr約為0.27。出現(xiàn)渦街時，流體對物體會產(chǎn)生一個周期性的交變橫向作用力。如果力的頻率與物體的固有頻率相接近，就會引起共振，甚至使物體損壞。這種渦街曾使?jié)撍У臐撏R失去觀察能力，海峽大橋受到毀壞，鍋爐的空氣預(yù)熱器管箱發(fā)生振動和破裂。但是利用卡門渦街的這種周期的、交替變化的性質(zhì)，可制成卡門渦街流量計，通過測量渦流的脫落頻率來確定流體的速度或流量。
60年代美國科學(xué)家F．H．哈洛等人用高速電子計算機(jī)對亞聲速流動中的卡門渦街成功地進(jìn)行了數(shù)值模擬。給出了數(shù)值模擬得到的卡門渦街形成過程示意圖，其中a表示兩個旋轉(zhuǎn)方向相反的渦層的初始狀態(tài)；b表示這兩個渦層各自作不穩(wěn)定運(yùn)動；c表示這兩個渦層的不穩(wěn)定運(yùn)動相互干擾；d表示卡門渦街形成。
卡門渦街的形成同雷諾數(shù)Re有關(guān)。當(dāng)Re為50～300時，從物體上脫落的渦旋是有周期性規(guī)律的(圖2)；當(dāng)Re>300時渦旋開始出現(xiàn)隨機(jī)性脫落；隨著Re的繼續(xù)增大，渦旋脫落的隨機(jī)性也增大，*后形成了湍流。
卡門在研究了兩排直線平行渦絲的穩(wěn)定性問題后指出，在一般情況下，這種渦街是不穩(wěn)定的，只有當(dāng)渦街的空間尺度為h/a=0.281時，對小擾動才是穩(wěn)定的。這和實測結(jié)果十分接近。

渦街流量計：

渦街流量計主要用于工業(yè)管道介質(zhì)流體的流量測量,如氣體、液體、蒸氣等多種介質(zhì)，渦街流量計特點(diǎn)是壓力損失小,量程范圍大,精度高,在測量工況體積流量時幾乎不受流體密度、壓力、溫度、粘度等參數(shù)的影響；無可動機(jī)械零件，因此可靠性高,維護(hù)量小；渦街流量計參數(shù)能長期穩(wěn)定。渦街流量計采用壓電應(yīng)力式傳感器,可靠性高，可在-20℃～+350℃的工作溫度范圍內(nèi)工作，有模擬標(biāo)準(zhǔn)信號,也有數(shù)字脈沖信號輸出，容易與計算機(jī)等數(shù)字系統(tǒng)配套使用,是一種比較*、理想的流量儀表。