涡街流量传感器在二维和三维流场中特性之比较

涡街流量传感器是一种流体振动式传感器，根据钝体绕流原理研制而成．在流体中放置一个阻挡体作为旋涡发生体，当流体流过旋涡发生体时会在发生体下游两侧交替产生有规则的旋涡，这一现象称为卡门涡街现象．对于涡街现象的研究已有百年历史，Strouhal[1]在 1878 年就发现风吹过弦线时，弦所发出的声调频率和风速与弦线直径之比呈正比．随后，1908 年 Benard 研究了圆柱体尾迹中的周期性和旋涡脱落现象．1912 年 Von Karman 研究了涡街的形成和稳定性等问题．之后对涡街的研究成为关注焦点[2-3]，学者们把这一现象简化成二维现象，对涡街流场进行了深入细致的研究．1954 年，Roshko[4]利用热线测速研究了圆柱体尾迹，他发现：40<Re(雷诺数)<150 时，层流尾迹中开始出现旋涡脱落，逐步形成稳定的层流涡街；随后，层流涡街开始转变为湍流涡街(150<Re<300)；300<Re<3×10⁵时附面层仍为层流分离，而尾迹已转变为湍流涡街．此外，Roshko 还给出了不同 Re 下斯特劳哈尔数 Sr 与 Re 关系的经验公式．1988 年 Williamson[5-6]在圆柱体绕流实验中发现，Sr-Re 曲线在低雷诺数时存在两个间断点，第 1 个间断点出现在 Re=170~180，这是由于流场刚由二维(2D)发展成为三维(3D)，形成了涡管；第 2 个间断点出现在 Re=230～260，是由于三维的涡结构发生了变形和错位．这说明 Re 增大到一定程度，涡街现象的二维特性会转变成三维，流动变得更加复杂．2003年，Saha 等[7]在研究方柱绕流时也发现了同样的现象，当 Re=150～175，涡街由 2D 转变成 3D．

涡街流量传感器根据涡街原理研制而成，即涡街脱落频率与流速呈正比，但由于涡街现象发生在管道内，除了涡街本身具有的三维特性外，管壁对涡街脱落过程的影响也不容忽视．了解管道中涡街流场与二维情况下的差异，对于三维涡街流场模型的建立以及涡街流量传感器的研究都具有借鉴意义，而关于这方面的研究鲜见报道．为此，笔者在水槽涡街实验的基础上[8]，在管道中做了相同的实验，讨论压电探头在旋涡发生体下游不同位置处信号幅值、频率的变化规律，通过与 2D(水槽中)结果比较，发现无论是信号幅值还是频率在两种情况下(水槽和管道中)均存在较大差别．因此，通过数值仿真分析涡街流场，对二者存在的差异给出了解释，同时揭示了二维、三维涡街流场的特征．

1 实验装置

实验是在天津大学过程检测和控制实验室的高精度稳压水流量实验装置上进行的，选用的是 100mm 口径的实验装置，可测流量范围 10～200 m³/h，精度 0.2%，重复性 0.1%．图 1 为实验装置示意，36 m的高位水塔为实验提供稳定水源，标准表为电磁流量计，为整个实验提供了准确流量值．被校表是为实验而专门设计的 100 mm 口径涡街流量传感器，其内发生体尺寸与文献[8]水槽实验中的发生体③尺寸一致(如图 2 所示)．为了实现不同位置的信号检测，实验时将压电探头固定，通过移动旋涡发生体来改变与探头之间的距离，如图 3 所示，压电探头固定在位置 1，旋涡发生体上下端部和管壁上下都开有孔，利用螺钉连接，孔间距决定了旋涡发生体可以移动的距离．根据设计，发生体每次移动的最小距离为 6.5 mm，移动范围可到 200 mm．压电探头检测出的涡街信号通过放大电路，再经数据采集卡采集进计算机，最终保存下来以备数据分析．其中，对 6 个流量点进行了采样，采样频率 1 000 Hz，每个流量点连续采样 30 s．