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蒸汽流量计的基本原理

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蒸汽流量计的基本原理
点击次数: 发布时间:2016-05-28
在测量管道内安装一个非流线形的阻挡物体(下称旋涡产生体),它可以是圆柱体、三角形体、矩形体和T形体等形状。当流体冲击旋涡产生体时,使流体在产生体两边交替分离出旋涡,通常分离出的旋涡是不稳定的。但卡尔曼经过对稳态理论分析后得出结论,当
蒸汽流量计工作原理公式
时,分离出的旋涡分布是稳定的,并形成了2条稳态的涡街。其中h为旋涡产生体的宽度,l是同一涡街上面、后两涡旋的距离。
流体具体在旋涡产生体分界而上产生旋涡的过程是,首先流体冲击旋涡产生体正面的表面,使靠近表面的流体受到阻挡产生停顿或减缓流动;该部分流体在旋涡产生体旁得到加速和聚集能量。一旦到达产生体边缘处时,阻挡面积突然失去,这时旋涡产生体旁靠近流体的流速快,而靠内流体的流速慢,并靠外流速快的流体在产生体的背而形成回流,而且使流体流动出现时滞现象,从而使流体形成旋涡。随着流体不断的流动,在产生体两侧后方形成2条涡街(间图4.1)。
蒸汽流量计卡尔曼涡街产生过程
这里引入斯特劳哈尔的St系数,使旋涡分离的频率f与旋涡产生体的宽度d和流体流速v有下列关系
蒸汽流量计工作原理公式
同时,St的性能与雷诺系数Re有关。当雷诺系数处于不同范围时,用圆柱体旋涡产生体阻挡流动流体产生旋涡分离的各种情况如图4.2所示。
蒸汽流量计不同雷诺系数状态下经圆柱体旁流的旋涡分离过程图
图4.3表示蒸汽流量计在自由流体流动和采用圆柱体旋涡产生体情况下雷诺系数与St系数的关系。在雷诺系数Re〈103起,St系数保持相对恒定。St系数定常的含义是使旋涡分离的频率与流速成正比。在300〈Re〈3.10的定常范围内,St系数规定约为0.12.实际上St系数和雷诺系数之间具有相关性,一部分由不同雷诺系数的各种流动条件引起,另一部分主要是采用圆形旋涡产生体。根据雷诺系数不同,旋涡的分离点在圆柱体表面上移动,而没有明确定义旋涡分离边缘的界限。
蒸汽流量计自由流体的流动中经圆柱旋涡产生示意图
在封闭通道中放置旋涡产生体分离旋涡,与在自由流体中放置旋涡产生体有明显的不同。最大的区别是在旋涡产生体分离旋涡的不同条件下流动具有三重性,即干扰旋涡的形成、旋涡产生体形成不同频率的旋涡以及各种分离旋涡频率产生不期望出现的叠加。这些效应是由旋涡产生体和测量通道内壁的环流所造成,并引起被测旋涡分离频率与真正的分离频率有偏差。另一个区别是旋涡产生体的阻流作用。当用测量通道的平均速度来定义时,按照不同的阻碍程度使流体加速,从而使被测得的St系数大于自由流动状态的St系数。由实验研究表明,在圆柱形旋涡产生体和雷诺系数在1000一15000之间的情况下,St系数取0.20一0.21;当雷诺系数为100时,St系数为0.25。
图4.4描述在自由流体流动和矩形旋涡产生体时雷诺系数Re与St系数的关系。通过图4.3和图4.4的比较,可以验证对不同形状的旋涡产生体在不同的雷诺系数范围内有不同的St系数。因为不同的几何尺寸取不同的St系数值,所以由Roshko引入一个“广义”的St系数。根据他的理论,对所有涡街流量计类似的结构,使“广义”St系数与旋涡产生体形状无关。“广义”St系数定义为
蒸汽流量计工作原理公式
式中d *---在旋涡形成范围内涡街间的间距;
    Vb---分界面涡旋分离点上的流体流速。
蒸汽流量计自由流动的流体经长方形旋涡产生体示意图
从上述情况来看,不同形状的旋涡产生体使保持St系数恒定的雷诺系数变化范围不同,而且St系数的恒定数值大小也不同。但在d已知的特定情况下,当某一范围内St系数为常数时,使旋涡分离频率与流体流速成正比。同样经实践证明,旋涡产生体的棱角边缘对旋涡定位能产生很好的效果。目前采用较多的产生体为矩形体和T形体。
 

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