一、 涡街现象及发展史
对于许多人来说,“涡街”也许还是一个陌生的名词,但是它却是人们并不陌生的一种自然现象,平静的河水流过桥墩时,我们可以看到桥墩后部两侧有旋涡产生,桥墩两侧的两列旋涡沿着两条平行的路线向下游漂去。这两列平行排列的旋涡使人们联想起一条街道两旁的两列电线杆或者一条笔直公路两旁的两排高纵的杨树。因此,人们给它起了一个形象的名字——涡街(Vortexstreet)。
事实上,涡街这个现象无论在自然界还是在人们的生活中是经常可以遇到的。微风中电线的呜呜声,和风中旗帜的飘扬,小溪流中小草的不停摆动,高大烟囱摇晃等等,这些人们十分熟悉的现象也都是伴随涡街而产生的。
值得特别指出的是,涡街还是造成许多高层楼房,杆塔,桥梁和木工建筑等破坏的原因之一,正是涡街的某些破坏作用提醒人们给予涡街更大的注意并促使人们对它开展进一步的科学的研究。
应用涡街原理开发测量流速及流量的仪器的想法是从上世纪五十年代开始出现的,而涡街流量计研制成功是上世纪六十年代末、七十年代初,中间经过了大约十五年时间。
与防止构筑物破坏的研究不同,涡街流量计开发研究的核心是力求加强旋涡的强度和涡街的规则性。
早在1878年斯特劳哈尔(Strouhal)就发表了关于流体振动频率与流速关系的文章,斯特劳哈尔数就是表示旋涡频率与阻流体特征尺寸,流速关系的相似准则。斯特劳哈尔和卡门等人的研究结果表明:旋涡分离频率与介质流速和旋涡发生体的几何形状及尺寸之间有着内在的联系,这就是分离频率与流速成正比与柱体宽成反比。这个原理启发人们去应用涡街原理开发测定流速和流量的仪表。罗什科(Roshko)等人于1964年具体明确地提出了利用涡街原理制成测速仪表的设想。但是自那以后经过十几年的努力,这个设想才变为现实。之所以经历这么长时间,其原因是这里存在一系列具体应用的技术和工艺问题。一方面,需要找到某种适当的柱型及结构,以便能形成强烈而规则的涡街;另一方面,还必须找到某种有效的检测元件及检测方法,以便能够在复杂的噪声背景中检测出与旋涡分离频率相关的相息。
1966年,日本横河电机制作所的山畸弘和早稻田大学的土屋喜一同时独立地开始了圆柱涡街流量计的研究。横河电机于1969年制成了第一台圆柱涡街流量计的样机。差不多在同一时期,美国的伊斯特克公司(Eastech)的怀特(D.F.white)等人研制成功了三角柱涡街流量计。
七十年代以来,在横河和伊斯特克之后,又出现了许多不同柱型和不同检测方法的涡街流量计,例如:英国肯特公司(Keat)的差动电容检测法矩形柱涡街流量计;美国福克斯波罗公司(Foxboro)的差压检测法T形柱涡街流量计;美国费舍尔·波特公司(Fischer&Porter)的应变检测法组合柱涡街流量计;美国两屋电器公司(Westinghouse)和Brooks公司的超声涡街流量计;日本北辰电机的应变检测法组合柱涡街流量计;日本东机工(Tokloo)的方柱及改型三角柱差动电容检测法涡街流量计;日本奥巴尔(Ovol)公司和匈牙利(MMGA)公司引过伊斯特克专利生产的三角柱涡街流量计。此外,丹麦、苏联和联邦德国也先后生产出涡街流量计。我国自七十年代以来,先后研制成功并投入生产的涡街流量计也有五、六种。目前世界上生产的涡街流量计已有二十多个系列,一百多个规格的产品,形成了一个品种规格繁多的新的流量计家族。
涡街流量计是一种无运动部件的流量计,按其原理分类属于流体振荡型流量计。同属这一类型的流量计还有:旋涡进动型流量计(Swirl),振荡射流型流量计(Oiscil Iatingjet)。
二、 涡街流量计
1、 涡街的形成
a)环流绕旋涡发生体运动的方向与旋涡产生的方向相反
b)环流叠加在来流之上,造成柱体两侧的流速不同
c)速度差必然产生静压差,即流速大的一侧静压低,流速小的一侧静压高
举例:飞机起飞原理;
航海时两船并行前进有间距规定 伯农利方程
2、 工作原理
涡街流量计是基于“卡门涡街”原理工作的流量仪表。在管道的流体中插入一个柱状物(旋涡发生体),流体通过此旋涡发生体会在两侧交替地产生有规则的旋涡(见下图),这种旋涡成为“卡门旋涡”,“卡门旋涡”在发生体后非对称地排列。旋涡的发生频率f与流体的流动速度v、旋涡发生体的宽度d及管道内径D有关,可用下式表示;
f = St·
式中:f —卡门旋涡的发生频率
St —斯特劳哈尔数
V —流体的流速
d —柱状物的迎流面宽度
D —管道内径
因此根据检测的旋涡个数(或频率)即可计算出流体的流量。
旋涡个数(或频率)的检测是由传感器来实现的
d/D=0.2~0.3;c/D=0.1~0.2;
三角柱旋涡发生体 b/d=1~1.5;θ=15o~65o
3、特点
据估计,目前使用的流量计有100多种。每种流量计都有其特点和应用领域。实际上,没有一种流量计能同时满足所有测量条件,被测流体和使用要求是多种多样的。每一种新开发出来的流量计都只能是一种折衷方案。为了有所得必须有所失,每种仪表在整个流量测量领域中相对于其他仪表都有其特定的发展的地位。
归纳起来,涡街流量计有以下主要优点:
1)良好的介质适应性和通用性;
2)结构简单,无可动部件,具有很高的稳定性和可靠性;
3)压力损失小,运行费用低,更具节能意义;
4)测量范围宽,测量精度高,
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5)结构紧凑,一体化结构,安装简便,施工方便。
3、 分类
1) 按传感器的连接方式分为:
a、法兰连接型
b、法兰卡装型
c、插入型
2) 按检测方式分为:
a、热敏式涡街流量传感器
b、应力式涡街流量传感器
c、应变式涡街流量传感器
d、超声式涡街流量传感器
e、电容式涡街流量传感器
f、振动体式涡街流量传感器
g、其它型式涡街流量传感器
3) 按使用环境分:
a、普通型
b、防爆型
各种分类方法都有其出发点和依据,因而都有其合理性。