流体力学在涡街流量计中的应用

流体力学在涡街流量计中的应用

涡街流量计是一种基于流体力学中卡门涡街原理的流量测量设备。本文详细介绍了卡门涡街的形成原理、工程应用问题以及涡街流量计的工作原理和检测方法，为理解流体力学在工程测量中的应用提供了深入的理论基础。

一. 卡门涡街的形成原理

1.1 简介

卡门漩涡（Karman vortex），又称卡尔曼漩涡，是粘性不可压缩流体力学所研究的一种现象。当流体绕过某些物体时，在物体尾流左右两侧会产生成对的、交替排列的、旋转方向相反的反对称漩涡，如图1所示。这种现象在流体绕流高大烟囱、高层建筑、油管道、换热器管束时都会出现。

1.2 形成条件

流体绕流静止的圆柱体时，涡街的形成与雷诺数（Re）密切相关。当雷诺数很低时（Re<1），流体流动类似于理想流体绕流圆柱体的情况。随着雷诺数的增加，会在圆柱体后半局部形成边界层分离，并在圆柱下游形成两个“附着涡”。当雷诺数增大到大约40时，会在圆柱后面产生一对旋转方向相反的对称漩涡。当雷诺数超过40后，对称漩涡不断增长并摆动，直到Re=60时，这对不稳定的对称漩涡分裂，形成等间隔规则排列的涡列，这就是卡门漩涡。

对于有规则的卡门涡街，只能在Re=60到5000内观察到，而且多数情况下涡街是不稳定的。研究发现，只有当两列漩涡之间的距离h与同列中相邻两个漩涡间距离l之比为0.281时，卡门涡街才是稳定的。

二. 卡门涡街的工程问题

2.1 卡门涡街危害实例

20世纪40年代，美国塔科玛峡谷桥（Tacoma Narrow Bridge）风毁事故的惨痛教训，使人们认识到卡门涡街的重要性。1940年，美国在华盛顿州的塔科玛峡谷上花费640万美元，建造了一座主跨度853.4米的悬索桥。建成4个月后，于同年11月7日遇到了一场风速为19米/秒的风。虽风不算大，但桥却发生了剧烈的扭曲振动，且振幅越来越大（接近9米），直到桥面倾斜到45度左右，使吊杆逐根拉断导致桥面钢梁折断而塌毁，坠落到峡谷之中。

2.2 实例分析

对卡门涡街的实验研究说明，当流体绕流一根圆柱时，在雷诺数为200到50000时，柱后漩涡的脱体频率与绕流速度成正比，与圆柱体直径d成反比，即
其中Sr为斯特劳哈尔数，其数值与柱体的断面形状、柱体流道的相对尺寸以及流动雷诺数有关。塔科玛桥的风毁事故，是一定流速的流体流经边墙时，产生了卡门涡街；卡门涡街后涡的交替发放，会在物体上产生垂直于流动方向的交变侧向力，迫使桥梁产生振动，当发放频率与桥梁结构的固有频率相耦合时，就会发生共振，造成破坏。

三. 卡门涡街流量计

3.1 卡门涡街流量计原理

测量管道中流体流速时，由于管道和旋流发生器结构尺寸确定，根据不可压缩流体连续性方程可知：

大量的试验说明,对于许多经过适中选择的柱型,由于Sr在很宽的雷诺数范围内可以看成是常数。一旦柱体和流道的几何尺寸及其形状确定后,f便与成为简单的正比关系,因而检测出漩涡的频率,便可以测得流速,并以此推知其流量,这就是涡街流量计的根本原理。

3.2 漩涡分离频率检测方法

利用伴随漩涡分离的物理效应,可以采用热敏、力敏元件或通过光、声调制方法等来检测漩涡分离频率。至今用于检测分离频率的方法和采用的元件是多种多样的,归纳起来有以下几种典型方法:

1. 热敏元件检测方法：漩涡分离产生的交变环流所引起的柱体表面速度脉动或者交变横向流的频率,用加热的金属丝、热敏电阻器等进行检测。
2. 力敏元件检测方法：漩涡分离造成的交变差压、交变升力或者交变升力引起的机械振动,用差动电容、电阻应变片、压电晶体、压电陶瓷等检测。
3. 电磁传感器检测方法：漩涡的分离所引起的膜片或者梭球等的往复振动的频率,用电磁传感器检测。
4. 声、光信号调制检测方法：利用声束光束通过涡街时受到漩涡的调制,由接收声强光强或相位的脉动频率得到漩涡分离频率。

3.3 涡街流量计的组成和分类

涡街流量计由壳体、漩涡发生体和放大器组成。如图5所示,壳体内插入柱体,由其产生的涡街信号可用各种检测方式检出,经放大器放大后,输出脉冲信号。涡街流量计的正式产品目前采用的漩涡发生体是多种多样的,但大量采用的圆管内漩涡发生体都是柱体,按其断面形状分为5种:①圆柱;②三角柱;③矩形柱;④梯形柱;⑤T形