采用雷诺数修正法的高精度气体涡街流量计的研究

　　1　引言

　　涡街流量计又称卡门涡街流量计,是利用流体流过障碍物时产生稳定的旋涡,通过测量旋涡产生的频率而实现对流体流量的计量。

　　涡街流量计是70年代发展起来的一种新型流量测量仪表。其优点主要有:仪表内部没有可动部件,结构简单,使用寿命长;测量范围宽,一般情况量程比为1∶10~1∶15;仪表输出为频率信号,易于实现数字化测量;适用于多种介质测量[4]。目前国内液体涡街流量计测量精度为±1%,气体涡衔流量计为±1. 5%。这样的精度用于贸易结算计量是不能令人满意的。本文以气体涡衔流量计为研究对象,从流体力学的角度分析涡街流量计测量误差产生的原因,并给出了一种工程化的解决方法。

　　2　涡街流量计的原理及测量误差产生的原因

　　涡街流量计是基于流体力学中著名的“卡门涡街”研制的。在流动的流体中放置一非流线型柱形体,称旋涡发生体,当流体沿旋涡发生体绕流时,会在涡街发生体下游产生两列不对称但有规律的交替旋涡列,这就是所谓的卡门涡街,如图1所示。

　　大量的实验和理论证明:稳定的涡街发生频率f与来流速度v1及旋涡发生体的特征宽度d有如下确定关系[1]: 

　　式中S_t为斯特罗哈数,与雷诺数和d相关。

　　当雷诺数Re在一定范围内(3×10²2×10⁵时[4],St为一常数,对于三角柱形旋涡发生体约为0.16

　　雷诺数的定义为　　

　　式中:v为流体的平均流速;D为管道的直径;ρ为介质密度;η为介质动力粘度。　　

　　式中S为管道的横截面积。

　　由涡街流量计的测量原理可知,通过测量旋涡发生频率仅能得到旋涡发生体附近的流速v1,由式(3)可知在横截面积一定的情况下,流体的流量Q与流体的平均流速v成正比,因此要精确计量流体的流量必须找到-v与v1的对应关系。

　　根据流体力学理论,在充分发展的湍流状态下,流体的速度分布有如下关系式[1]:

　　式中:v_p为到管壁距离为y的P点的速度;y为点到管壁处的距离;v_max为管道中的最大流速,通常取管道中心的速度;R为管道的半径;n为雷诺数的函数。

　　表1中给出了部分雷诺数与n的对应关系

　　由于旋涡发生体的位置固定,因此当雷诺数一定时v1与-v有固定的比例关系。换言之,当雷诺数Re变化时,二者的比值也发生变化,

　　图3给出了不同雷诺数下充分发展的湍流的流速分布,如图所示Re越大,流速分布越平滑,即旋涡发生体附近的流速越接近平均流速,故f(R_e)应为单调递减函数。图4给出了3台50mm口径,宽度14 mm三角形旋涡发生体的气体涡衔流量计,在20℃,一个标准大气压下,不同雷诺数下的K值曲线。如图所示实验数据与理论分析基本一致,因此涡衔流量计的测量原理即决定了仪表系数的非线性特性。若要提高涡街流量计的计量精度,必须针对不同的流速分布对K值进行修正。