研究ZNLUGB涡街流量计旋涡上举力系数    在ZNLUGB涡街流量计中,频率感测元件是其核心部件.旋涡上举力的大小直接影响到感测元件的灵敏度.本文通过实验与研究给出了比较准确的举力系数,为感测元件的设计提供了依据.     ZNLUGB涡街流量计具有其它流量仪表无法同时具备的优点,因而获得了突飞猛进的发展.ZNLUGB涡街流量计通过感测元件可以很方便地测量到流体振动频率.     由流体振动而产生的垂直于旋涡发生体和流体方向的力称为上举力.旋涡上举力的大小是频率感测元件设计的重要依据.依据各种文献介绍的计算方法所计算的上举力与实际值差距较大,主要是举力系数的确定存在误差,所以对举力系数有必要作进一步的研究.     1 卡门涡     若在流体中垂直放置一非流线型的对称物体,在其左右侧就发生旋涡,从左右两侧交替发出,形成了锯齿型的两列并排涡街,称为卡门涡街.该对称物体称作旋涡发生体.     斯特罗哈尔（strouha1）曾研究了称之为斯特罗哈尔数（strouhal number）的无量纲数St（fd/v）,其中f为旋涡发出的频率,d为旋涡发生体的特征宽度,v为流速.图1是梯形旋涡发生体实测的斯特罗哈尔数和雷数的关系[1],则当雷诺数大于2×104时斯特罗哈尔数几乎不变,约为0.17.在此范围内有[2]     f=St·v/d           （1）     在涡街发生体后面的流体中可看到如图2所示的交替排列的非对称涡街.对图2所示的非对称排列中,设涡街间的间隔为h,涡间的间隔为l,如果它们之间满足下式时则为稳定的[4].     h/l=0.281     （2）     图2所示的平行的两列涡,当具有同一环量Γ和-Γ时,由于涡群的互相作用,使涡街以速度u向上流推进.u可用下式表示[4].         （3）     在式（2）的稳定条件下,有tgh（Πh/l）=1/,所以,u=Γ/2l    （4）     式中:环量Γ是表示涡强度的量,可看成在流体中的一个闭合线c上其切线方向的流体速度成分vs平均值与曲线长度的乘积.如果流体中的物体周围是有环流或是流体中有旋涡存在的话,在物体周围闭合曲线中,环量不是零,而且按方向不同有正值或负值.通常Γ可用式（5）来表示[2]         （5）     式中是速度矢量,rot是旋度.     从静止的圆柱体发出的涡,相对于圆柱体,涡街的移动速度变成v-u.若单列涡发出的数目为每秒f.则有:     v-u=f·l     （6）     圆柱体直径d与h之间、v和u之间的比例关系由实验来求出,表示如下[4]:     h=1.3d       （7）     u=0.14v      （8）     2 涡的发出与流体振动     若流体中发出的涡群形成卡门涡街的话,那么就有图2（b）那样的流动情况.在涡街中间可看到像蛇形一样的流动.因此在后部的中心线上流动包含了主流和垂直振动的成分.在涡通过的部分,既存在着垂直振动成分,也存在着和主流平行的成分.     此旋转就是旋涡发生体周围的环流.也即是旋涡发生体周围的环量.由于图上虚线方向的循环速度是附加在主流上,因此旋涡发生体的上侧和下侧流体速度就不同,这样在旋涡发生体上下就产生压力差.结果是在旋涡发生体上作用着一个从下到上的正举力假定旋涡发生体上流是没有旋涡的、均匀流动的流体,那么在此部分根据式（5）的定义环量就为零.就象图2（a）所看到的,在发生涡的旋涡发生体的右下方有旋涡,在这种情况下,作为旋涡旋转运动的反作用,在流体的其他部分产生与旋涡方向相反的旋转.就是说一定存在着逆环量.     .     如果旋涡是在圆柱体的右上方顺时针方向旋转,那么与上述结果相反,圆柱体上是作用一个负举力.由于旋涡是交替的生成和发出,故圆柱体周围的环量应是交替变化着,其上作用着正负周期的举力.设在圆柱体每单位长度上举力的大小是,根据库·茹科夫斯基定理,可表示为下式[4]:     L=ρvΓ     （9）     式中:ρ为流体密度;v为均匀流体速度;Γ为圆柱周围的环量（通常将反时针方向取为正）.     由式（4）知     Γ=2lv     则     L=2ρlvu     （10）     由式（2）、（7）和（8）可计算得     L=clρv2d/2       （11）     式中:cl为举力系数,cl=3.66.     此值与cl的实测值有较大差异,因为式（9）是在没有附面层分离的理想流体下得出的,而在实际的流体中,物体后面的流动是存在着附面层分离现象的.     3 实测上举力     通常,ZNLUGB涡街流量计的频率感测元件是不需要标定的,为了得到旋涡在发生体单位长度比较准确的上举力,作者对频率感测元件（应力检测型传感器）进行了标定与实验.频率感测元件为应力式传感器,其原理是利用安装于旋涡传感器内的压电晶体为力敏检测元件进行涡应力检测的,压电晶体输出与输入频率（即旋涡频率）成正比的交变电荷信号.当压电晶体的材质（压电常数）及结构尺寸（厚度、形状、直径或长宽）确定后,其输出信号只与应力有关.由于压电元件具有输出信号大、损耗小、响应快、耐高温和机械强度大等优点,故已普遍应用于ZNGB涡街流量计.     给传感器分别加一不同交变力P=Psin（2π+ωt）,从数字示波仪上测量到传感器交变的输出信号,读出其电压峰值,并计算出平均灵敏度,列于表1. 表1 传感器标定结果 输入最大交变力P/N 0.2 0.5 1.0 2.0 5.0 输出电压峰值V/mV 57.5 140.5 286 572.5 1408 平均灵敏度/（V·N-1） 0.283     将同一传感器安装在通径为DN25ZNGB涡街流量计上,测得在不同流速下的输出电压峰值,并根据传感器灵敏度计算出作用于传感器上的上举力F.由式（11）的定义可知     F=Ll=clρv2d/2     （12）     式中:l传感器的受力长度,其它符号同前.     DN25ZNLUGB涡街流量计的旋涡发生体的特征宽度d为7mm,传感器受力长度l为15mm.根据不同的上举力F由式（12）可分别计算出不同流速下的举力系数cl′和平均举力系数,见表2. 表2 DN25ZNGB涡街流量计实验结果 流速v/(m·s-1) 0.59 1.08 1.94 3.78 5.02 电压峰值V/mV 24.4 88.5 290 1105 1942 上举力F/N 0.086 0.313 1.025 3.905 6.862 实测举力系数cl′ 4.71 5.11 5.19 5.21 5.19 平均举力系数 5.08     由表2的实验结果知,平均举力系数高于理论举力系数Cl39%.     4 结束语     在ZNGB涡街流量计的设计中,传感器的强度与灵敏度是一对矛盾体,当要提高强度时,必然会牺牲部分灵敏度.只有比较准确地计算出上举力的大小,才能兼顾传感器的强度与灵敏度.在满足强度的情况下,尽可能地提高灵敏度,以扩展ZNLUGB涡街流量计的测量下限. 推荐产品.电磁流量计,压力变送器,孔板流量计,V锥型流量计,超声波流量计,涡街流量计,涡轮流量计,热电偶.