空腔流激振荡在流量测量中的应用探讨

　　0 引言

　　检测技术和仪表是衡量现代科学技术发达程度的重要指标之一。20 世纪以来，由于过程工业、能量计量、城市公用事业等对流量测量需求的急剧增长，流量测量技术与仪表得到迅速发展。目前，流量检测已是工业生产过程中检测方 法最多的参数测量技术之一。常见的流量测量装置分为以下几类: 差压式流量计、浮子流量计、容积式流量计、涡轮流量计、电磁式流量计、涡街流量计、超声流量计、科里奥利流量计、热式流量计等。差压式流量计应用最为广 泛，但测量精度较低、范围窄，测量过程中压损大;浮子流量计只适用于小管径，测量过程中压损大，且一般只适用于自下而上垂直流的管道安装; 容积式流量计精度高，但结构复杂、体积大，同样只适用于小管径，且安全性较低; 涡轮流量计，需要定期校验，受流体物性影响较大; 电磁式流量计只适用于有一定导电率的液体流量测试; 涡街流量计不适用低雷诺数流量测量，不适用强振动场所; 超声波流量计和科里奥利流量计对管道洁净度要求较高; 热式流量计响应较慢。该文提出了一种基于空腔流激振荡原理的流量测量装置方法。该流量测量装置安装方便，结构简单，无运动部件，测量过程中压损小，响应时 间短。

　　1 空腔流激振荡原理

　　在一定条件下，流体掠过腔体结构时，由于剪切层与腔内流体相互作用，诱导产生自维持振荡，出现压力、速度等的剧烈脉动，此物理现象称为空腔流激振荡。空腔流激振荡根据不同的腔体结构和水力条件表现出不同的振荡现象，其内在机理也各有不同。

　　1978 年，Rockwell 和 Naudascher[1]对流体流经空腔结构所引起的自维持振荡进行了综述，并根据其形成机理将空腔流激振荡分成 3 类。

　　1. 1 流体动力型振荡

　　流体动力型振荡可以概括为一个反馈过程，如图 1 所示。剪切层掠过腔体结构时，卷起形成涡结构，接着撞击腔体的后缘，撞击产生的压力脉动又回传到腔体前缘附近反作用于剪切层，影响其不稳定性。

　　1964 年，Rossiter[2]提出了计算空腔流激振荡的振荡频率的半经验公式:

　　其中: f 为振荡频率; Ue为自由层速度; L 为腔体长度; m 为声学模态数; M 为马赫数; k 为涡结构对流速度与自由层速度之比; α 为涡结构冲击腔体后缘壁面与声波反馈之间的相位滞后，目前依然以经验估算为主。对于矩形浅腔，当流速满足 1. 2 > M >0. 2时，式( 1) 能较准确预测一定流速下的振荡频率[2]。Nathalie 在文中比较了 0. 8 马赫数下的模型预测结果与实验结果，误差范围在 1%左右[3]。