蒸汽流量計(jì)的基本原理

在測(cè)量管道內(nèi)安裝一個(gè)非流線形的阻擋物體（下稱旋渦產(chǎn)生體），它可以是圓柱體、三角形體、矩形體和T形體等形狀。當(dāng)流體沖擊旋渦產(chǎn)生體時(shí)，使流體在產(chǎn)生體兩邊交替分離出旋渦，通常分離出的旋渦是不穩(wěn)定的。但卡爾曼經(jīng)過(guò)對(duì)穩(wěn)態(tài)理論分析后得出結(jié)論，當(dāng)

時(shí)，分離出的旋渦分布是穩(wěn)定的，并形成了2條穩(wěn)態(tài)的渦街。其中h為旋渦產(chǎn)生體的寬度，l是同一渦街上面、后兩渦旋的距離。

流體具體在旋渦產(chǎn)生體分界而上產(chǎn)生旋渦的過(guò)程是，*先流體沖擊旋渦產(chǎn)生體正面的表面，使靠近表面的流體受到阻擋產(chǎn)生停頓或減緩流動(dòng)；該部分流體在旋渦產(chǎn)生體旁得到加速和聚集能量。一旦到達(dá)產(chǎn)生體邊緣處時(shí)，阻擋面積突然失去，這時(shí)旋渦產(chǎn)生體旁靠近流體的流速快，而靠?jī)?nèi)流體的流速慢，并靠外流速快的流體在產(chǎn)生體的背而形成回流，而且使流體流動(dòng)出現(xiàn)時(shí)滯現(xiàn)象，從而使流體形成旋渦。隨著流體不斷的流動(dòng)，在產(chǎn)生體兩側(cè)后方形成2條渦街（間圖4.1）。

這里引入斯特勞哈爾的St系數(shù)，使旋渦分離的頻率f與旋渦產(chǎn)生體的寬度d和流體流速v有下列關(guān)系

同時(shí)，St的性能與雷諾系數(shù)Re有關(guān)。當(dāng)雷諾系數(shù)處于不同范圍時(shí)，用圓柱體旋渦產(chǎn)生體阻擋流動(dòng)流體產(chǎn)生旋渦分離的各種情況如圖4.2所示。

圖4.3表示蒸汽流量計(jì)在自由流體流動(dòng)和采用圓柱體旋渦產(chǎn)生體情況下雷諾系數(shù)與St系數(shù)的關(guān)系。在雷諾系數(shù)Re〈103起，St系數(shù)保持相對(duì)恒定。St系數(shù)定常的含義是使旋渦分離的頻率與流速成正比。在300〈Re〈3.10的定常范圍內(nèi)，St系數(shù)規(guī)定約為0.12.實(shí)際上St系數(shù)和雷諾系數(shù)之間具有相關(guān)性，一部分由不同雷諾系數(shù)的各種流動(dòng)條件引起，另一部分主要是采用圓形旋渦產(chǎn)生體。根據(jù)雷諾系數(shù)不同，旋渦的分離點(diǎn)在圓柱體表面上移動(dòng)，而沒(méi)有明確定義旋渦分離邊緣的界限。

在封閉通道中放置旋渦產(chǎn)生體分離旋渦，與在自由流體中放置旋渦產(chǎn)生體有明顯的不同。*大的區(qū)別是在旋渦產(chǎn)生體分離旋渦的不同條件下流動(dòng)具有三重性，即干擾旋渦的形成、旋渦產(chǎn)生體形成不同頻率的旋渦以及各種分離旋渦頻率產(chǎn)生不期望出現(xiàn)的疊加。這些效應(yīng)是由旋渦產(chǎn)生體和測(cè)量通道內(nèi)壁的環(huán)流所造成，并引起被測(cè)旋渦分離頻率與真正的分離頻率有偏差。另一個(gè)區(qū)別是旋渦產(chǎn)生體的阻流作用。當(dāng)用測(cè)量通道的平均速度來(lái)定義時(shí)，按照不同的阻礙程度使流體加速，從而使被測(cè)得的St系數(shù)大于自由流動(dòng)狀態(tài)的St系數(shù)。由實(shí)驗(yàn)研究表明，在圓柱形旋渦產(chǎn)生體和雷諾系數(shù)在1000一15000之間的情況下,St系數(shù)取0.20一0.21;當(dāng)雷諾系數(shù)為100時(shí)，St系數(shù)為0.25。

圖4.4描述在自由流體流動(dòng)和矩形旋渦產(chǎn)生體時(shí)雷諾系數(shù)Re與St系數(shù)的關(guān)系。通過(guò)圖4.3和圖4.4的比較，可以驗(yàn)證對(duì)不同形狀的旋渦產(chǎn)生體在不同的雷諾系數(shù)范圍內(nèi)有不同的St系數(shù)。因?yàn)椴煌膸缀纬叽缛〔煌腟t系數(shù)值，所以由Roshko引入一個(gè)“廣義”的St系數(shù)。根據(jù)他的理論，對(duì)所有渦街流量計(jì)類似的結(jié)構(gòu)，使“廣義”St系數(shù)與旋渦產(chǎn)生體形狀無(wú)關(guān)。“廣義”St系數(shù)定義為

式中d *---在旋渦形成范圍內(nèi)渦街間的間距;

    Vb---分界面渦旋分離點(diǎn)上的流體流速。

從上述情況來(lái)看，不同形狀的旋渦產(chǎn)生體使保持St系數(shù)恒定的雷諾系數(shù)變化范圍不同，而且St系數(shù)的恒定數(shù)值大小也不同。但在d已知的特定情況下，當(dāng)某一范圍內(nèi)St系數(shù)為常數(shù)時(shí)，使旋渦分離頻率與流體流速成正比。同樣經(jīng)實(shí)踐證明，旋渦產(chǎn)生體的棱角邊緣對(duì)旋渦定位能產(chǎn)生很好的效果。目前采用較多的產(chǎn)生體為矩形體和T形體。