（控制理論與控制工程專業(yè)論文）基于渦街流量傳感器的濕氣測量方法研究.pdf

基于渦街流量傳感器的濕氣測量方法研究 摘要 氣液兩相流是工業(yè)領(lǐng)域中一種常見的流動形態(tài)。作為氣液兩相流的一種， 濕氣廣泛存在于石油、化工、能源等各個(gè)行業(yè)，因此濕氣的測量技術(shù)也變得日 益重要。 目前對于濕氣測量的研究還處于發(fā)展階段，沒有一種濕氣測量設(shè)計(jì)方案能 夠證明完全滿足工業(yè)對精度的需要。傳統(tǒng)的分離法、多流量計(jì)和多傳感器組合 法還是主要的濕氣計(jì)量方法。國外研究人員在利用組合法測量濕氣組分方面已 經(jīng)取得較大進(jìn)展，而國內(nèi)這方面的研究還不多見。 本文提出一種利用差壓式渦街測量呈霧狀流的濕氣的方法，并使用計(jì)算流 體力學(xué)仿真軟件f l u e n t ，初步驗(yàn)證了測量方法的正確性，確定了渦街發(fā)生體 下游取壓口的最佳位置。搭建了實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，其中包括實(shí)驗(yàn)管段的安裝，差壓傳 感器數(shù)學(xué)建模，基于d s p a c e 和l a b v i e w 的信號采集和處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。利用 該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，進(jìn)行了單相流的定量和濕氣的定性實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了用本文方法測量 單相流體積流量和密度的可行性和有效性，同時(shí)，得到了初步的濕氣測量實(shí)驗(yàn) 結(jié)果。 關(guān)鍵詞：濕氣測量；差壓式渦街；傳感器建模；信號處理系統(tǒng) r e s e a r c ho nw e tg a sm e a s u r e m e n ts o l u t i o n w i t h 場r t e xf l o ws e n s o r a bs t r a c t g a s 1 i q u i dt w o p h a s ef l o wi so n eo fc o m m o nf l o wf o r m si nt h ei n d u s t r y w e t g a s ，a sak i n do fg a s - l i q u i dt w o - p h a s ef l o w , e x i s t si nt h eo i li n d u s t r y ，c h e m i c a l i n d u s t r ya n de n e r g yi n d u s t r y t h e r e f o r e ，t h em e a s u r e m e n to fw e tg a sb e c o m e sm o r e a n dm o r ei m p o r t a n t a tt h em o m e n t ，t h er e s e a r c ho nm e a s u r e m e n to fw e tg a si s s t i l li nt h es t a g eo f d e v e l o p m e n t t h e r ei sn o ta n ym e a s u r e m e n ts c h e m eo fw e tg a st h a tc a nm e e tt h e r e q u i r e m e n to fp r e c i s i o ni nt h ei n d u s t r y t h em a i nm e a s u r e m e n to fw e tg a si n c l u d e s t r a d i t i o n a lw a yo fs e p a r a t i n g ，m u l t i f l o w m e t e ra n dm u l t i - s e n s o r w h i l ef o r e i g n r e s e a r c h e r sh a sm a d eg r e a tp r o g r e s sb yu s i n gc o m b i n e dm e t h o dt om e a s u r ew e t g a s ，s i m i l a rr e s e a r c ha r es e l d o mi no u rc o u n t r y i nt h i sp a p e r ，am e t h o db yu s i n gd i f f e r e n t i a lp r e s s u r et y p ev o r t e xf l o w m e t e rt o m e a s u r ew e tg a si nt h es t a t eo ff o g g yf l o wh a sb e e np r o p o s e d f l u e n th a sb e e n a p p l i e df o re m u l a t i n gt h el i q u i di n t h em e a s u r i n gs e c t i o na n df i x i n gt h eb e s t p o s i t i o no fv o r t e xb a c k w a r dp o s i t i o nf o rt h ep r e s s u r e o nt h eb a s i s ，t h ee x p e r i m e n ts y s t e mh a sb e e nb u i l t ，w h i c hi n c l u d e di n s t a l l a t e d t h ep i p e ，b u i l tm a t h e m a t i c a lm o d e lo fd i f f e r e n t i a lp r e s s u r es e n s o r ，d e s i g n e dt h e s i g n a lp r o c e s s i n gs y s t e m b a s e do nd s p a c ea n dl a b v i e w t h r o u g hm a n y e x p e r i m e n t so nt h es y s t e m ，t h ef e a s i b i l i t ya n dv a l i d i t yo f m e a s u r i n gt h ev o l u m ea n d d e n s i t yo fo n e p h a s ef l o wh a sb e e nv e r i f i e d m e a n w h i l e ，p r e l i m i n a r ye x p e r i m e n t a l r e s u l t so fw e tg a sh a v e b e e no b t a i n e d k e yw o r d s ：w e tg a sm e a s u r e m e n t ；d i f f e r e n t i a lp r e s s u r et y p ev o r t e x ；s e n s o rm o d e l ； s i g n a lp r o c e s s i n gs y s t e m 插圖清單 圖1 1 水平管內(nèi)氣液兩相流流型1 圖2 1 測量原理圖7 圖2 2 上下游壓力示意圖7 圖2 3 系統(tǒng)示意圖9 圖3 1 管道和渦街流量計(jì)的物理模型示意圖1 2 圖3 2 網(wǎng)格劃分示意圖1 3 圖3 3 漩渦脫落示意圖( 流速為5 m s ) 1 4 圖3 4 漩渦脫落示意圖( 流速為1 0 m s ) ：1 4 圖3 5 漩渦脫落示意圖( 流速為1 5 m s ) 一1 4 圖3 6 差壓與頻率關(guān)系圖1 5 圖3 7 管壁靜壓變化曲線圖一1 6 圖4 1 空氣實(shí)驗(yàn)裝置原理結(jié)構(gòu)圖1 9 圖4 2 差壓傳感器數(shù)學(xué)模型圖2 2 圖4 3 頻率和密度實(shí)時(shí)算法s i m u l i n k 框圖2 6 圖4 4 頻率和密度實(shí)時(shí)算法原理圖2 6 圖4 5c o n t o l d e s k 界面截圖2 7 圖4 6l a b v i e w 測量系統(tǒng)前面板2 8 圖5 1c p 標(biāo)定結(jié)果圖31 圖5 2 傳感器一維擬合圖3 2 圖5 3 電荷放大器原始信號( 小流量) 3 5 圖5 4 電荷放大器原始信號( 中流量) 3 6 圖5 5 電荷放大器原始信號( 大流量) 一3 6 表格清單 表1 1 國外濕氣流量計(jì)性能比較5 表4 1 差壓傳感器標(biāo)定實(shí)驗(yàn)原始數(shù)據(jù)l 2 l 表4 2 差壓傳感器標(biāo)定實(shí)驗(yàn)原始數(shù)據(jù)2 2 1 表4 31 2 5 數(shù)據(jù)校驗(yàn)結(jié)果表2 2 表4 4 體積流量的標(biāo)定數(shù)據(jù)2 4 表5 1 傳感器一維標(biāo)定數(shù)據(jù)3 2 表5 2 密度實(shí)驗(yàn)結(jié)果3 2 表5 316 時(shí)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果3 3 表5 418 時(shí)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果3 3 表5 5 密度實(shí)驗(yàn)結(jié)果表( 1 2 5 ) 一3 4 表5 6 濕氣定性實(shí)驗(yàn)結(jié)果3 7 獨(dú)創(chuàng)性聲明 本人聲明所呈交的學(xué)位論文是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的 研究成果。據(jù)我所知，除了文中特別加以標(biāo)志和致謝的地方外，論文中不包含 其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果，也不包含為獲得 金月曼王些盍堂 或 其他教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或證書而使用過的材料。與我一同工作的同志對本研究所 做的任何貢獻(xiàn)均已在論文中作了明確的說明并表示謝意。 學(xué)位論文作者簽字：了家磊 簽字日期加p 年午月侈日 學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書 本學(xué)位論文作者完全了解 金目曼至些太堂 有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī) 定，有權(quán)保留并向國家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和磁盤，允許論文被 查閱或借閱。本人授權(quán)金g 曼互些太堂 可以將學(xué)位論文的全部或部分論文內(nèi) 容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存、匯 編學(xué)位論文。 ( 保密的學(xué)位論文在解密后適用本授權(quán)書) 學(xué)位論文者簽名： 咖 導(dǎo)師簽名： j l 懿 簽字日期：杪f 。年呼月訂日 簽字日期：如f 口年華且必日 學(xué)位論文作者畢業(yè)后去向，：諱棗帳躺專南夠朝互7 淡司 工作單位：角京寸旅槲寺箱陋臻鼉血淡司。 電話：f 1 計(jì)f 6 f 76 乙 通訊地址：箭泵柄杞臺已警勢j 袁脅磁弓郵編：l ) 。口口( ) 1 致謝 衷心感謝我尊敬的導(dǎo)師徐科軍教授在研究生期間對我的指導(dǎo)、關(guān)心和幫助， 徐老師不僅是我的學(xué)習(xí)導(dǎo)師也是我的思想導(dǎo)師。在徐老師的不倦教誨和悉心指 導(dǎo)下，我才順利完成了研究生期間的課題研究和論文的撰寫。徐老師求實(shí)創(chuàng)新 的治學(xué)態(tài)度、以身作則的工作作風(fēng)和虛懷若谷的學(xué)者風(fēng)范將是我終生學(xué)習(xí)的榜 樣。 感謝重慶川儀自動化股份有限公司王剛總工程師為我們提供實(shí)驗(yàn)所需的設(shè) 備，并且在課題研究期間給予了很大的關(guān)心和支持。感謝重慶四聯(lián)測控技術(shù)有 限公司提供差壓變送器的實(shí)驗(yàn)條件。感謝重慶耐得正奇流量儀表有限公司姜川 濤首席工程師對課題研究提出的很好的意見和建議。感謝安徽電子科學(xué)技術(shù)研 究所的傅備戰(zhàn)經(jīng)理給予的指導(dǎo)和幫助。感謝本院能源研究所領(lǐng)導(dǎo)和老師提供的 實(shí)驗(yàn)條件。 感謝本實(shí)驗(yàn)室的高學(xué)海師兄、劉曉麗師姐、趙銳老師、羅清林博士生、朱 志海師兄、梁利平和姜鵬等在我研究生兩年半中給予我學(xué)習(xí)和生活上的支持和 幫助，感謝實(shí)驗(yàn)室的每一個(gè)人：朱永強(qiáng)、楊雙龍、李葉、陳佳臻等，我們在一 起討論、學(xué)習(xí)和工作，一起度過了快樂而充實(shí)的時(shí)光。 感謝我的家人，以及所有關(guān)心和支持我的同學(xué)和朋友，他們的理解、關(guān)心、 幫助和鼓勵，使我能安心地學(xué)習(xí)和工作，順利地完成了研究生期間的學(xué)業(yè)。 作者：張磊 2 0 1 0 年3 月 第一章緒論 1 1 濕氣的基本概念。 濕氣是一種特殊的氣液兩相流，本節(jié)從兩相流的一般概念出發(fā)，介紹了濕 氣的定義及其在流型、流速和介質(zhì)上的特點(diǎn)，以及濕氣測量中的一些基本參數(shù)。 1 1 1 兩相流的概念 “相”即指具有相同物理、化學(xué)性質(zhì)的均勻物質(zhì)部分，各相間有明顯可分 的界面。我們通常所見的沙塵、泥漿以及過飽和的蒸汽都是屬于兩相，其中前 兩者是不同物質(zhì)構(gòu)成的兩相，后者是同一物質(zhì)的不同形態(tài)所構(gòu)成的兩相。 兩相流動指同時(shí)存在兩種不同“相 的物質(zhì)流動。兩相流動不僅廣泛存在 于自然界中，如霧，雨、沙塵、沸水等，而且在化工、能源、食品等工農(nóng)業(yè)生 產(chǎn)當(dāng)中，兩相流動更是廣泛存在，如鋼鐵冶煉廠的煤粉和空氣混合流，食品工 業(yè)中兩種不同原料的混合傳輸，天然氣井口的油水、氣液兩相流等。在不同的 管道壓力、體積流速及氣( 液) 體積含率時(shí)，氣液兩相流動會呈現(xiàn)出不同的流動 形態(tài)，簡稱流型。對兩相流各種參數(shù)的準(zhǔn)確測量往往依賴于對流型的了解 1 】， 尤其是流體的壓力損失及其傳熱特性等關(guān)系安全生產(chǎn)的關(guān)鍵參數(shù)，在很大程度 上也與兩相流的流型有關(guān)。對氣液兩相流動的大量實(shí)驗(yàn)表明，兩相流型大體分 為4 種：分層流、間歇流、環(huán)狀流、泡狀流1 2 1 3 ，如圖1 1 所示。 對兩相流動規(guī)律的研究，為安全生產(chǎn)提供保障。如鍋爐、蒸汽輪機(jī)、再沸 器、冷凝器、核反應(yīng)堆等設(shè)備中，有關(guān)兩相流動的熱負(fù)荷、傳熱惡化、疲勞損 壞已成為普遍的課題，1 9 7 9 年美國三哩島核電站事故和1 9 8 6 年原蘇聯(lián)契爾諾 貝利核電站事故，更是促使各主要工業(yè)國對與核反應(yīng)堆安全問題關(guān)系密切的熱 力、水力狀況進(jìn)行了大量研究，進(jìn)一步推動了氣液兩相流學(xué)科的發(fā)展。 對兩相流動規(guī)律的研究，為過程優(yōu)化提供依據(jù)。在鍋爐、汽車發(fā)動機(jī)、渦 輪噴氣發(fā)動機(jī)等燃燒控制方面，無一例外的都包含了兩相或多相流動過程，其 燃燒效率的提高，都需要研究混相流動規(guī)律。 對兩相流動規(guī)律的研究，為貿(mào)易計(jì)量提供依據(jù)。兩相流或多相流測量是當(dāng) 今的世界性難題之一，如在油氣田開采中，更快速、更準(zhǔn)確、更經(jīng)濟(jì)的兩相或 多相流量計(jì)的不斷出現(xiàn)，大大提高了生產(chǎn)效率。 分層漉泡狀流 問歇漉 環(huán)狀流 圖1 1 水平管內(nèi)氣液兩相流流型 l 1 1 2 濕氣的定義及特點(diǎn) 通常認(rèn)為：當(dāng)氣液兩相流中氣相體積不斷增加，液相體積不斷減小，最后 氣相成為連續(xù)相，液相離散于其中，此時(shí)的氣液兩相流動形態(tài)則為濕氣。理想 的濕氣呈霧狀，小液滴完全離散于氣流之中：但在傳輸管路中，隨著液相質(zhì)量 含率的增加，由于液滴重力及氣體表面張力的作用，一部分大的液滴便沉積在 管壁，形成連續(xù)的環(huán)狀液膜。所以，濕氣通常包括霧狀和環(huán)霧狀兩種流動情況。 對于濕氣的定義，不同的研究人員、儀表制造商有著不同的理解。按照殼牌公 司對濕氣的定義，氣液兩相流的體積含氣率大于9 5 即為濕氣【4 j 。但是這樣一 個(gè)定義也是覆蓋的范圍仍然很大，尤其是在系統(tǒng)壓力及被測介質(zhì)不同的情況下， 如英國北海油田，在典型工況下，按照這一定義，質(zhì)量含氣率大于0 5 才算作 濕氣。而對于天然氣一水介質(zhì)而言，在常溫、系統(tǒng)壓力為0 3 m p a 的條件下， 質(zhì)量含氣率超過o 0 6 即為濕氣【5 j 。 總的來說，濕氣是氣相占大多數(shù)，液相為少數(shù)的兩相流，氣相流速很高， 較其它兩相流型，濕氣的流型比較穩(wěn)定，流量脈動小，多呈混合均勻的霧狀流， 即氣液兩相在流動過程中充分混合均勻，管道內(nèi)流體沒有氣相和液相的分界面。 這就滿足了使用差壓式渦街流量計(jì)測量的基礎(chǔ)條件。 1 1 - 3 主要參數(shù) 在單相流體流動時(shí)，流體的速度、體積流量或質(zhì)量流量是描述一種流動的 基本參數(shù)。在氣液兩相流動中，由于存在著一個(gè)形狀和分布在時(shí)間和空間里均 是隨機(jī)可變的相界面，而相間實(shí)際上又存在著一個(gè)不可忽略的相對速度，致使 流經(jīng)管道的分相流量比和分相所占的管截面比并不相等。因此，除描述單相流 體流動的參數(shù)外，流體的流型( 如圖1 1 所示) ，各相的質(zhì)量含量、體積含量和速 度等也是重要參數(shù)。氣液兩相流的基本參數(shù)如下t i l t 6 ： ( 1 ) 質(zhì)量流量和體積流量 每秒流過管道流通截面積的氣液兩相流體質(zhì)量稱為質(zhì)量流量，用w 表示。 每秒流過管道的氣相質(zhì)量及液相質(zhì)量分別稱為氣相質(zhì)量流量及液相質(zhì)量流量， 分別用w g 和w l 表示。 每秒流過管道流通截面積的氣液兩相流體體積稱為體積流量用q 表示。 每秒流過管道的氣相體積及液相體積分別稱為氣相體積流量及液相體積流量， 分別用q 和q 表示。 ( 2 ) 截面含氣率口及截面含液率( 1 一口) 如果氣液兩相流流過管道的流通截面積為a ，氣相及液相所占截面積分別 為以和4 ，則氣相所占截面積和總流通截面積之比為截面含氣率，用口表示。 液相所占截面積和總流通截面積之比為截面含液率，用( 1 - a ) 表示。即 2 口= 如a ( 1 一口) = 4 a ( 1 1 ) ( 1 2 ) 3 體積含氣率和體積含液率 氣相體積流量和兩相體積流量之比為體積含氣率；液相體積流量和兩相體 積流量之比為體積含液率。由于氣液兩相之間存在速度滑差，所以截面含氣率 與體積含氣率通常并不相等，有時(shí)相差很大。在混合均勻的霧狀流，也就是本 文所研究的情況下，截面含氣率與體積含氣率通常是相等的。 4 質(zhì)量含氣率z 及質(zhì)量含液率( 1 - z ) 氣液兩相流體中氣相質(zhì)量流量所占兩相質(zhì)量流量的分額稱為質(zhì)量含氣率， 用z 表示。液相質(zhì)量流量所占兩相質(zhì)量流量的分額稱為質(zhì)量含液率，用( 1 一z ) 表 示。質(zhì)量含氣率也稱為干度。以數(shù)學(xué)式表示，則質(zhì)量含氣率和質(zhì)量含液率分別 為 z = ( + 睨)( 1 3 ) ( 1 一z ) = 睨( + 睨)( 1 4 ) 此外，還有一些描述氣液兩相流分布的特征參數(shù)，如液滴的尺寸及其分布、 氣相真實(shí)流速和液相真實(shí)流速、滑動比、滑動速度等，它們在氣液兩相流的研 究中的研究中也起到至關(guān)重要的作用，對這些參數(shù)的準(zhǔn)確測量也是十分重要的。 1 2 濕氣檢測技術(shù)的研究現(xiàn)狀 目前，傳統(tǒng)的氣液分離法、多流量計(jì)組合法和單流量計(jì)法仍是工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng) 域主要的濕氣計(jì)量方法。 氣液分離法計(jì)量濕氣是用分離罐等分離設(shè)備將氣液兩相流分離成氣相和液 相單相流體，然后再用相應(yīng)的單相流量計(jì)進(jìn)行計(jì)量。分離法簡單可靠，測量結(jié) 果不受流型影響，是目前油田、天然氣田經(jīng)常使用的計(jì)量方法，也是用來標(biāo)定 其他測量方法的方法之一。但是，分離設(shè)備體積比較龐大、造價(jià)昂貴，使得分 離設(shè)備無法在每個(gè)油井出口安裝，而只能集中安裝在一處，這就使分離法工程 上的進(jìn)一步推廣應(yīng)用受到了制約【7 j 。 要確定濕氣分相流量不僅需要測定兩相混合物的總流量，還需要測定兩相 中任一相在混合物中的含量( 如體積含氣率) ，也就是說，要測量濕氣，需要測 得流體的兩個(gè)參數(shù)，而每種單向流量計(jì)一般可以得到流體的一個(gè)參數(shù)，通過兩 個(gè)流量計(jì)的組合，測得流體兩種不同類型的參數(shù)，稱為多流量計(jì)組合雙參數(shù)測 量法。 設(shè)s 和墨是兩個(gè)流量計(jì)的輸出信號，其雙參數(shù)測量原理可描述為： s = f ( m ，x ) ( 1 5 ) 墨= f 2 ( m ，x ) ( 1 6 ) 式中，m 是濕氣的混合流量，x 是氣體體積含氣率，通過理論推導(dǎo)和實(shí)驗(yàn)，可 以得到兩個(gè)單向流量計(jì)輸出信號與被測兩相流混合流量和氣體體積含氣率等信 息的函數(shù)關(guān)系式石和五。聯(lián)解兩個(gè)方程，消去x ，則能在氣體體積含氣率未知 的情況下得到濕氣的總流量。雙孔板、v 錐與文丘里管等是常用的單向流量計(jì) 組合測量方法博兒引。流量計(jì)組合測量的優(yōu)點(diǎn)是能夠直接利用常規(guī)流量計(jì)進(jìn)行兩 相流流量測量，測量裝置簡單，體積小，安裝方便，缺點(diǎn)是有效測量范圍有限， 測量結(jié)果易受流型的影響。 所謂單流量計(jì)法，其本質(zhì)也是要得到式( 1 5 ) 和( 1 6 ) 兩個(gè)方程，從而解出濕 氣的總流量m 和氣體體積含率x ，只是這種方法通過一臺流量計(jì)就可以得出上 述兩個(gè)方程。單流量計(jì)測量濕氣的優(yōu)點(diǎn)是只利用一臺流量計(jì)就可測量濕氣，裝 置簡單，安裝方便。如長喉頸文丘里管法1 5 1 ，通過測量垂直上升管內(nèi)文丘里管 收縮段流體壓差和長喉頸直管段流體壓力降參數(shù)，得到兩相流總量m 和氣體體 積含率x 。文本所研究的濕氣測量方法也屬于此類，即利用渦街發(fā)生體上下游 差壓值的頻率和幅值兩個(gè)方程計(jì)算m 和x ，以計(jì)量濕氣。 隨著科技的發(fā)展，在兩相流參數(shù)測量中也越來越多的涉及到新技術(shù)【lo 】：如 輻射線技術(shù)、激光技術(shù)、光纖技術(shù)、核磁共振技術(shù)、超聲波技術(shù)、微波技術(shù)、 光譜技術(shù)新型示蹤技術(shù)、相關(guān)技術(shù)、過程層析成象技術(shù)等，這些新技術(shù)都可被 直接用于濕氣的測量之中。 基于輻射線吸收或散射原理的y 射線、射線、z 射線和中子射線儀表是 多相流組分濃度的重要測試手段。國外在此領(lǐng)域的技術(shù)已趨于成熟，形成了商 品化的工業(yè)型儀表，其中以y 射線密度計(jì)應(yīng)用最為廣泛。 激光多普勒測速技術(shù)在進(jìn)入多相流測量領(lǐng)域的二十多年里，由于其具有非 接觸方式、空間分辨率高、動態(tài)響應(yīng)快、方向性好和測速范圍寬的特點(diǎn)，得到 了很大發(fā)展。但激光測速裝置復(fù)雜、價(jià)格昂貴、使用時(shí)技術(shù)要求高，主要仍限 于實(shí)驗(yàn)研究中應(yīng)用。光導(dǎo)纖維具有靈敏度高、不受電磁場干擾、“傳”“感”合 一、工作可靠、便于安裝的特點(diǎn)，在多相流參數(shù)測量中的應(yīng)用得到了迅速發(fā)展 1 1 l 】 o 核磁共振法具有非接觸測量、與被測流體的導(dǎo)電率、溫度、粘度、密度和 透明度等物性參數(shù)變化無關(guān)等特點(diǎn)，在兩相流的含氣率、平均流速、瞬時(shí)流速、 流速分布測量等實(shí)驗(yàn)研究中獲得了應(yīng)用l l 引。 應(yīng)用超聲波測量流體流量的研究已經(jīng)經(jīng)過了數(shù)十年，但直到電子技術(shù)迅速 發(fā)展的近十幾年，工業(yè)實(shí)用的超聲波流量計(jì)才產(chǎn)生。通過測量兩相流體中的顆 粒相( 氣泡、液滴) 散射的超聲波多普勒頻移來確定流體流速的超聲波多普勒流 速計(jì)可用于測量含氣泡或液滴的流體流速，目前已達(dá)到實(shí)用化的程度川。 激光干涉成像測量技術(shù)( i n t e r f e r o m e t r i cl a s e r i m a g i n g ) 是j 2 1 年出現(xiàn)的多相流 測量前沿技術(shù)，它利用透明粒子的側(cè)向散射光干涉原理用高速數(shù)碼相機(jī)拍攝兩 4 相流中顆粒的干涉圖像，并從干涉圖像中提取粒子空間位置、粒徑等信息。不 同于基于信號統(tǒng)計(jì)原理的測量技術(shù)，該技術(shù)可以獲得單個(gè)粒子的【1 4 】。 p n a ( p u l s e dn e u t r o na c t i v a t i o n ) 脈沖中子輻射法是應(yīng)用脈沖中子源轟擊被 測兩相流，使兩相流各組分分別輻射出相應(yīng)的y 射線，通過分析7 射線韻頻譜 和在管道下游的活動時(shí)間測量出各相的化學(xué)成分、相分額和流量。相關(guān)技術(shù)理 論上可用于測量流體系統(tǒng)的流量，而且測量流速的范圍很寬。自6 0 年代中期發(fā) 展起來的、以相關(guān)技術(shù)基礎(chǔ)構(gòu)成的兩相流量測量系統(tǒng)，在國外已形成商品化工 業(yè)儀表，是目前兩相流測量中極少數(shù)已形成工業(yè)型儀表的種f 12 1 。 自2 0 世紀(jì)8 0 年代中期興起的過程層析成象技術(shù)( p r o c e s st o m o g r a p h y ) 因采 用非侵入或非接觸方式測量，能在線連續(xù)的提供兩相流體截面狀況的二維可視 化信息，并可經(jīng)過進(jìn)一步處理提取若干有關(guān)被測兩相流體的特征參數(shù)，受到了 人們的普遍關(guān)注5 1 。隨著傳感技術(shù)、微電子和信息處理技術(shù)的發(fā)展，過程層析 成象在兩相流和多相流測量領(lǐng)域?qū)l(fā)揮越來越重要的作用。 這些新的測量氣液兩相流的技術(shù)都能夠用于測量濕氣，但是由于很多新技 術(shù)還不夠成熟，仍處于實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用階段或者理論研究階段，傳統(tǒng)的分離法、多 流量計(jì)組合法和單流量計(jì)法還是主要的濕氣計(jì)量方法。 除此之外，一些國外公司也對濕氣流量計(jì)進(jìn)行了研究【1 6 2 0 1 。如挪威的r o x a r 公司研制的濕氣流量計(jì)使用了微波技術(shù)加文丘里管( 或內(nèi)錐式流量計(jì)) 的組合。 它不僅測量精度高，測量范圍寬，還擁有數(shù)據(jù)庫、數(shù)字輸出接口和網(wǎng)絡(luò)接口。 下面將目前國外出現(xiàn)的一些濕氣流量計(jì)的性能和結(jié)構(gòu)做一個(gè)比較。 表1 1 國外濕氣流量計(jì)性能比較 名稱 性能 t e as i s t e m i j o a g a rh o p k i n s r o x a r 由三部分組成，兩臺文丘里管 文丘里管( 或孔 微波技術(shù)和文 所用技術(shù)包含孔板和文和一臺渦街流 板) 、差壓裝置和 丘里管( 或內(nèi)錐 丘里管量計(jì)示蹤器 流量計(jì)) 測量范圍8 8 1 0 0 g v f8 0 - 1 0 0 g v f9 0 - 10 0 g v f9 0 1 0 0 g v f 管道直徑 5 0 m m2 5 6 1 0 r a m 不詳不限 長度( e r a ) 10 0 2 6 6 ( 1 5 0 管徑) 不詳 9 2 ( 2 0 0 管徑) 重量( k g ) 不詳 6 8 0 ( 1 5 0 管徑) 8 0 0 ( 15 0 管徑)1 5 0 ( 2 0 0 管徑) 4 2 0 m a 4 2 0 m a4 2 0 m a4 2 0 m a 數(shù)據(jù)輸出 r s 2 3 2r s 一2 3 2 r s 2 3 2 r s 一4 2 2 r s 4 8 5 r s 4 8 5r s 4 8 5l a n ，r a n 精度( 質(zhì)量流氣相： 5 氣相：5 氣相： 5 氣相： 5 量1液相： 5 液相：4 - 5 液相： 1 0 2 0 液相： ，p 是流體密度，u 是流 體平均流速。又有渦街的基本公式： ：s 蘭( 2 3 ) r n a 式中，墨是斯特勞哈而數(shù)，它在一定的雷諾數(shù)范圍內(nèi)是常數(shù)，m ，d 在發(fā)生體的 形狀和管道口徑不變時(shí)，都是常數(shù)，也就是說，m ，d 只和渦街發(fā)生體的尺寸和 管道口徑有關(guān)。由式( 2 2 ) 和( 2 3 ) 可得： p = k 筍 ( 2 4 ) 式中，蜀= 三c p ，i , 至m d 、1 ) 2 ，是常數(shù)，而肇和廠可通過差壓傳感器測出，所以霧狀流 的密度可以求出，又根據(jù)勻相流模型的密度公式： 戶= 織+ ( 1 一) 成 ( 2 5 ) 式中，是體積含氣率，& 是氣相密度，見是液相密度。這里假設(shè)氣相和液相 的密度已知，而混和密度夕又由式( 4 ) 求出了，所以，體積含氣率可以由式( 2 6 ) 求出： ：盟( 2 6 ) p g p l 又因?yàn)榭偟捏w積流量q 可以由式( 2 3 ) 算出： 甌= 警廠 ( 2 7 ) 式中，a 是管道的截面積。用總的體積流量絨乘以就得出了氣相體積流量皺， 用總的體積流量q 乘以1 一就得出了液相體積流量驍。 2 2 總體方案設(shè)計(jì) 根據(jù)上述測量原理，設(shè)計(jì)了總體實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)方案如下。整個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由渦街 流量計(jì)、導(dǎo)壓孔、引壓管、差壓傳感器、管道和信號處理部分組成。系統(tǒng)的總 長度為16 0 0 m m ，管道1 ：3 徑為5 0 m m 。圖2 3 是系統(tǒng)的示意圖，圖中a 點(diǎn)是上游 8 導(dǎo)壓孔，b 點(diǎn)是下游導(dǎo)壓孔，差壓傳感器提供差壓值的動態(tài)輸出，渦街流量計(jì) 提供壓電傳感器的輸出信號。 圖2 3 系統(tǒng)示意圖 ( 1 ) 渦街流量計(jì) 口徑：5 0 m m ； 發(fā)生體：梯型。 選用川儀流量儀表分廠生產(chǎn)的渦街流量計(jì)。流量計(jì)的漩渦發(fā)生體與探頭是 分離的，保留渦街流量計(jì)壓電傳感器信號輸出，以便觀察渦街頻率和幅值對濕 氣的反應(yīng)，同時(shí)可用來驗(yàn)證差壓法測量渦街頻率的準(zhǔn)確性。 ( 2 ) 差壓傳感器 主要技術(shù)指標(biāo)： 測量范圍：0 2 5 k p a ； 精度：o 0 1 一o 0 2 k p a ； 最大工作壓力：5 m p a 。 因?yàn)椴顗盒盘柕暮苄?，首先要選擇高精度、小量程的傳感器。另外，因?yàn)?需要測量差壓信號的頻率，所以，在滿足精度要求的前提下，盡量選擇動態(tài)響 應(yīng)快的差壓傳感器。 ( 3 ) 信號處理系統(tǒng) 對渦街流量計(jì)傳感器的輸出信號，采用我們基于d s p i c 的數(shù)字信號處理系 統(tǒng)，得到頻率和幅值：對于差壓傳感器的輸出信號，。采用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行采 集，然后進(jìn)行分析和處理，得到頻率和差壓的直流幅值。 ( 4 ) 管路結(jié)構(gòu) 管道內(nèi)徑：5 0 m m ； 管道長度( 是包括法蘭的總長度) ：1 6 0 0 m m ： 法蘭尺寸：5 0 m m 口徑標(biāo)準(zhǔn)法蘭； 取壓口位置：根據(jù)下文中f l u e n t 仿真計(jì)算的結(jié)果確定。 因?yàn)橄到y(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)直接關(guān)系到利用差壓信號測量渦街頻率的準(zhǔn)確性，所 以，這里需要補(bǔ)充說明系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)問題。 9 差壓檢測系統(tǒng)可以看作二階系統(tǒng)模型，差壓信號相當(dāng)于一個(gè)正弦信號，經(jīng) 過二階系統(tǒng)后輸出還是一個(gè)正弦信號，頻率與原差壓信號相同，但正弦信號振 幅和相位與原來輸入信號不同，并隨輸入信號頻率而改變。輸出信號的幅值、 相位與輸入信號頻率的關(guān)系就是系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)特性。測量系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)特 性主要決定于測量系統(tǒng)的固有頻率，該固有頻率與傳感器中的敏感元件、測量 電路及引壓管路有關(guān)，差壓傳感器及測量電路的固有頻率一般均遠(yuǎn)高于測壓管 路系統(tǒng)的固有頻率，它們對差壓檢測系統(tǒng)動態(tài)特性的影響很小，所以引壓管路 的動態(tài)響應(yīng)常常成為整個(gè)差壓測量系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)特性的決定性因素。 采用四分之一波長公式估算引壓管路固有頻率石為【2 l j f o = - 苦 ( 2 8 ) 式中，c 是引壓管中介質(zhì)聲速，空氣中c = 3 4 0 m s ，是引壓管長度。 又根據(jù)文獻(xiàn) 2 3 】中的結(jié)論： ( 1 ) 差壓檢測系統(tǒng)的引壓管路固有頻率對系統(tǒng)整體的固有頻率有極其重要 的影響。考慮到傳感器的固有頻率遠(yuǎn)高于引壓管路的固有頻率，因此，差壓系 統(tǒng)的固有頻率主要取決于引壓管路的固有頻率。一般管路越長，其固有頻率越 低。 ( 2 ) 當(dāng)差壓傳感器壓力腔很小時(shí)，引壓管徑對檢測系統(tǒng)的固有頻率基本不 產(chǎn)生影響。 因此，只有在差壓傳感器的壓力腔很小時(shí)，才能使用公式( 2 8 ) 來估算差壓 測量系統(tǒng)的固有頻率，否則，還要考慮壓力腔對測量系統(tǒng)固有頻率的影響。 根據(jù)文獻(xiàn) 2 3 】中的推導(dǎo)，在壓力腔體積不能忽略時(shí)，測量系統(tǒng)固有頻率計(jì) 算公式為 r盯 肛叫瓦 ( 2 9 ) 式中，a 為引壓管的截面積，v 是壓力腔的體積，c 是空氣中的聲速，0 是引壓 管路的長度。當(dāng)腔體有一定體積不能忽略時(shí)，為提高固有頻率，應(yīng)設(shè)法縮短管 路并增加其截面積。 最后，可以得到結(jié)論：要選用盡可能短的引壓管傳輸壓力，同時(shí)，要選擇 壓力腔體較小的差壓傳感器作為本系統(tǒng)中的傳感器。 1 0 第三章f l u e n t 仿真 為了初步驗(yàn)證測量原理和總體測量方案的正確性，使用計(jì)算流體力學(xué)軟件 f l u e n t 進(jìn)行仿真，以此驗(yàn)證測量方案的正確性，同時(shí)，通過仿真結(jié)果確定渦 街發(fā)生體上下游取壓點(diǎn)的最佳位置。 3 1f l u e n t 簡介 f l u e n t 的軟件設(shè)計(jì)基于c f d 軟件群的思想，從用戶需求角度出發(fā)，針對 各種復(fù)雜流動的物理現(xiàn)象，f l u e n t 軟件采用不同的離散格式和數(shù)值方法，以期 在特定的領(lǐng)域內(nèi)使計(jì)算速度、穩(wěn)定性和精度等方面達(dá)到最佳組合，從而高效率 地解決各個(gè)領(lǐng)域的復(fù)雜流動計(jì)算問題。基于上述思想，f l u e n t 開發(fā)了適用于各 個(gè)領(lǐng)域的流動模擬軟件，這些軟件能夠模擬流體流動、傳熱傳質(zhì)、化學(xué)反應(yīng)和 其它復(fù)雜的物理現(xiàn)象，軟件之間采用了統(tǒng)一的網(wǎng)格生成技術(shù)及共同的圖形界面， 而各軟件之間的區(qū)別僅在于應(yīng)用的工業(yè)背景不同，因此大大方便了用戶。 f l u e n t 支持的網(wǎng)格生成軟件包括g a m b i t 、t g r i d 、p r e p d f 、g e o m e s h 及其他c a d c a e 軟件包。目前，g a m b i t 是f l u e n t 最常用的前處理器，生 成供f l u e n t 直接使用的網(wǎng)格模型。 f l u e n t 軟件具有多種優(yōu)化的物理模型，如定常和非定常流動、層流( 包括 各種非牛頓流模型) 、湍流( 包括最先進(jìn)的湍流模型) 、不可壓縮和可壓縮流動、 傳熱、化學(xué)反應(yīng)等等，針對每一種物理問題的流動特點(diǎn)，都有適合它的數(shù)值解 法【2 4 。2 7 1 。用戶可在顯式或隱式差分格式之間進(jìn)行選擇，以期在計(jì)算速度、穩(wěn)定 性和精度等方面達(dá)到最佳，省卻了科研工作者在計(jì)算方法、編程、前后處理等 方面投入的重復(fù)、低效的勞動，提高了設(shè)計(jì)效率。 f l u e n t 軟件是使用有限體積法對流動基本方程進(jìn)行空間離散的。其基本 思路是：將計(jì)算區(qū)域劃分為網(wǎng)格，并使每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)周圍有一個(gè)互不重復(fù)的控制 體積；將待解微分方程( 控制方程) 對每一個(gè)控制體積積分，從而得出一組離散 方程。給出初始條件和邊界條件，以及流體的物理參數(shù)和湍流模型的經(jīng)驗(yàn)系數(shù) 等，使離散方程成為具有定解條件的代數(shù)方程組，采用一定的數(shù)學(xué)解法求解， 得到計(jì)算節(jié)點(diǎn)上的數(shù)值解。 3 2 渦街流量計(jì)f l u e n t 仿真模型 3 2 1 渦街流量計(jì)物理模型 渦街流量計(jì)流場的f l u e n t 仿真主要是研究渦街發(fā)生體周圍的旋渦脫落 特性，以及旋渦形成后引起的流場脈動特性，特別是在渦街發(fā)生體附近的壓力 瞬態(tài)變化特點(diǎn)，分析不同取壓位置得到的壓力信號平均值及壓力波動頻率，為 差壓檢測方法系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供幫助。 渦街流量計(jì)的物理模型按照實(shí)際的幾何尺寸造型，其二維結(jié)構(gòu)如圖3 1 所 示，d 為管道直徑，d 為渦街發(fā)生體迎流面的寬度，d d = 0 2 8 ，計(jì)算區(qū)域共為5 d 。 為了與實(shí)際的實(shí)驗(yàn)裝置相吻合，這里的計(jì)算管徑d 取5 0 m m ，這時(shí)渦街發(fā)生體 寬度d 為1 4 m m 。 d 圖3 1 管道和渦街流量計(jì)的物理模型示意圖 3 2 2 渦街流量計(jì)計(jì)算模型 渦街流量計(jì)的正常工作范圍是雷諾數(shù)( r e ) 在2 1 0 4 7 1 0 6 范圍內(nèi)，處于湍 流狀態(tài)【2 引，這時(shí)流體質(zhì)點(diǎn)在隨主流流動過程中還有隨機(jī)脈動，流動是不穩(wěn)定的。 一般認(rèn)為，無論湍流運(yùn)動多么復(fù)雜，非穩(wěn)態(tài)的連續(xù)方程和n s 方程對湍流的瞬 時(shí)運(yùn)動仍然是適用的。 利用流動控制方程，通過對湍流運(yùn)動進(jìn)行數(shù)值進(jìn)行模擬，可以更好理解湍 流的運(yùn)動機(jī)理。湍流數(shù)值模擬方法可分為直接數(shù)值模擬方法和非直接數(shù)值模擬 方法，而非直接數(shù)值模擬方法又可分為大渦模擬( l e s ) 、r e y n o l d s 平均( r a n s ) 和統(tǒng)計(jì)平均法等。其中，r a n s 被廣泛的應(yīng)用在解決鈍體繞流問題【2 9 1 中。這是 因?yàn)橹苯訑?shù)值模擬方法( d n s ) ，即直接求解瞬時(shí)湍流控制方程，雖然在理論上 可以得到相對準(zhǔn)確的計(jì)算結(jié)果，但d n s 方法對計(jì)算機(jī)的內(nèi)存空間及c p u 速度 要求非常高，目前還無法用于真正意義上的工程計(jì)算，大量的探索性工作正在 進(jìn)行之中。而非直線數(shù)值模擬方法不直接計(jì)算湍流的脈動特性，而是設(shè)法對湍 流作某種的近似和簡化處理，以適應(yīng)工程計(jì)算的要求。r a n s 方法是目前在工 程中使用最廣泛的湍流數(shù)值模擬方法，被許多國內(nèi)外學(xué)者應(yīng)用于計(jì)算鈍體繞流 問題，其核心是不直接求解瞬時(shí)的n s 方程，而是求解時(shí)均化的r e y n o l d s 方程， 這樣可以避免d n s 方法的計(jì)算量大的問題，在工程實(shí)際應(yīng)用中取得了很好的效 果。 3 2 3 初始條件和邊界條件設(shè)置 為了對離散后的流體力學(xué)方程組進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，需要給出定解條件，包括 初始條件和邊界條件。 ( 1 ) 入口邊界條件 入口邊界條件設(shè)定為沿管道軸向均勻速度入口( v e l o c i t y i n l e t ) ，其它方向速 1 2 度均為零。在數(shù)值模擬計(jì)算中，設(shè)置多個(gè)不同的入口速度，并對數(shù)值模擬結(jié)果 進(jìn)行比較分析【3 們。 ( 2 ) 出口邊界條件 出口邊界條件設(shè)置為壓力出口( p r e s s u r e o u t l e t ) ，壓力出口的表壓為零，絕 對壓力為一個(gè)大氣壓【3 們。 ( 3 ) 壁面條件 在粘性流動中，壁面( w a l l ) 處默認(rèn)為無滑移邊界條件( n os l i p ) 。 ( 4 ) 流體介質(zhì) 流體介質(zhì)設(shè)置為水和空氣，即分別對空氣和由水和空氣混合而成的濕氣的 流動情況進(jìn)行了數(shù)值模擬。 ( 5 ) 多相流模型 因?yàn)楸疚脑O(shè)計(jì)的濕氣測量方法針對混合均勻霧狀流的特點(diǎn)，所以，設(shè)置多 相流模型為混合物模型( m i x t u r e ) 。 3 2 4 網(wǎng)格劃分 由渦街流量計(jì)的物理模型可見，該問題的幾何造型比較簡單，在計(jì)算時(shí)， 先使用g a m b i t 網(wǎng)格前處理軟件，把求解區(qū)域按結(jié)構(gòu)化四邊形網(wǎng)格進(jìn)行劃分， 如圖3 2 所示。對幾何模型的網(wǎng)格劃分采用的網(wǎng)格單元為q u a d 單元，即網(wǎng)格區(qū) 域中只包含四邊形單元。在渦街發(fā)生體壁面，由于流動情況變化很大，因此， 以旋渦發(fā)生體為中心，把流場劃分為幾個(gè)小的區(qū)域，以使得在網(wǎng)格劃分時(shí)，旋 渦發(fā)生體附近區(qū)域的網(wǎng)格較密，提高了仿真計(jì)算的精度。 2 5 0 m m 圖3 2 網(wǎng)格劃分示意圖 3 3 仿真結(jié)果與分析 3 3 1 旋渦脫落特性 圖3 3 3 5 是在管道內(nèi)徑為5 0 m m ，應(yīng)用空氣作為介質(zhì)，不同入口速度時(shí)， 流場的仿真結(jié)果。從圖中可以看出，旋渦是從渦街發(fā)生體兩側(cè)交替脫落，分離 點(diǎn)在梯形柱的銳邊上，旋渦逐漸向下游運(yùn)動。旋渦強(qiáng)度在發(fā)生體附近最強(qiáng)，在 向下游流動的過程中，強(qiáng)度逐漸減弱。比較渦街發(fā)生體附近靜壓和旋渦的分布， 旋渦中心的壓力較低，并沿徑向遞增，壓力的變化與旋渦的生成和發(fā)展相對應(yīng)。 不同介質(zhì)情況下，計(jì)算得到的結(jié)果相似。 流體流過渦街發(fā)生體后，旋渦在迎流面兩側(cè)銳邊脫落，向下游運(yùn)動，形成 渦街- 旋渦強(qiáng)度由強(qiáng)變?nèi)酢Ｐ郎u的周期性變化使流場內(nèi)壓力隨之交替變化。通 過檢測壓力的周期性變化頻率，就可吼得到渦街頻率。 國35 漩渦脫落示意圖( 流速為1 5 m s 332 上下游差壓與頻率的關(guān)系 濕氣的測量除了差壓頻率測量以外，還需鍘出上下游差壓平均值，這就要 求式( 21 3 ) 中的壓損系數(shù)c p 能保持恒定。對于一定形狀、尺寸的渦街流量計(jì)， 不同的取壓位置壓損系數(shù)是不同的。上游取壓點(diǎn)是為了取得流體初始壓力， 取壓點(diǎn)越遠(yuǎn)離渦街發(fā)生體，受到的影響越小，但是流量計(jì)的結(jié)構(gòu)尺寸增大。靜 壓在離渦街發(fā)生體迎流面之前1 d 位置基本沒有受到渦街發(fā)生體的影響，因此 上游計(jì)算點(diǎn)選在了發(fā)生體前1 d 。下游取壓考慮差壓平均值及波動頻率，靠近發(fā) 生體，漩渦強(qiáng)度大，壓力波動性較強(qiáng)漩渦往下游移動，壓力波動性減弱，因 此f 游取在壓點(diǎn)距發(fā)生體迎流面1 d 以內(nèi)。取為04 d 。 圖36 是計(jì)算得到的差壓與頻率之間的關(guān)系。從圖中可見，差壓與頻率呈 二次方關(guān)系。 仍 正 芒 趟 = h i l 頻率h z 圖3 6 差壓與頻率關(guān)系圖 3 3 3 流場壓力分布特點(diǎn)及壓力波動性 當(dāng)管道內(nèi)徑為5 0 m m ，介質(zhì)為濕氣，在不同空氣體積含率和流速的條件下， 計(jì)算得到的流體流過渦街發(fā)生體后管壁靜壓分布如圖3 7 所示，橫軸位置 x = 0 0 6 m 處為渦街發(fā)聲體迎流面位置，x 正方向?yàn)榱黧w速度方向。從圖中可見， 靜壓分布與差壓式流量計(jì)中流體流過節(jié)流裝置的分布相類似，渦街發(fā)生體相當(dāng) 于節(jié)流件，在不同的流速條件下，具有相同形狀的靜壓曲線。根據(jù)靜壓特點(diǎn)， 流體流過渦街發(fā)生體大致可以分為以下幾段： 當(dāng)在渦街發(fā)生體迎流面1 d 以前的時(shí)候，流體保持原來流動狀態(tài)。隨著流 體距離渦街發(fā)生體越來越近，當(dāng)流至渦街發(fā)生體迎流面前1 d 以內(nèi)的時(shí)候，流 體開始受到渦街發(fā)生體的影響，并且在0 5 d 左右，出現(xiàn)管內(nèi)流體加速，壓力下 降等情況。流體通過發(fā)生體，在發(fā)生體兩側(cè)分離，生成漩渦，流速增加到最大， 壓力降到最小，出現(xiàn)負(fù)壓區(qū)。壓力最低點(diǎn)位置隨流速不同略有差別。流體流到 渦街發(fā)生體0 5 d 之后，壓力逐漸恢復(fù)，波動減弱，并漸進(jìn)穩(wěn)定，出現(xiàn)因渦街發(fā) 生體而造成的永久壓力損失，該值為壓力穩(wěn)定值與入口壓力之差。 圖3 7 ( b ) 管壁靜壓變化曲線圖( 空氣體積分率為9 5 ) 圖3 7 ( e ) 管壁靜壓變化曲線圖( 空氣體積分率為9 9 ) 由圖可見：( 1 ) 隨著空氣體積分率的減少，也就是含水量的增大，上下游 的壓力損失逐漸增大。( 2 ) 下游壓力損失最大點(diǎn)在o 0 8 m 處，也就是渦街發(fā)生體 迎流面下游0 4 d 處。 3 3 4 小結(jié) 仿真結(jié)果表明，通過上下游取壓的方法測量濕氣，在理論上是可行的，并 得到以下結(jié)論： ( 1 ) 流體流過渦街發(fā)生體后，旋渦在迎流面兩側(cè)銳邊向下脫落，旋渦強(qiáng)度 在發(fā)生體兩側(cè)較強(qiáng)，隨后逐漸減弱。流場內(nèi)壓力的周期性變化與旋渦的變化對 應(yīng)，通過檢測壓力的周期性變化頻率，就可以得到渦街頻率。 ( 2 ) 從管道中的靜壓分布可以得到，管道中的壓力在渦街發(fā)生體1 d 位置前 基本沒有受到渦街發(fā)生體影響，壓力保持穩(wěn)定，通過渦街發(fā)生體后，壓力下降， 在渦街發(fā)生體下游0 4 d 位置附近，壓力降到最低點(diǎn)。同時(shí)，隨旋渦的生成，渦 街發(fā)生體下游的壓力不再保持恒定，而呈周期性變化。通過仿真確定了上下游 的最佳取壓位置，使得前取壓口壓力穩(wěn)定，而后取壓口壓力最低，有助于克服 在利用差壓測量流體密度時(shí)，靜壓絕對值較大，差壓絕對值較小而影響測量精 度的問題。 ( 3 ) 隨著濕氣含水率的增大，渦街發(fā)生體上下游的壓差逐漸變大，這說明 該壓差能夠反映濕氣含水率的變化。 第四章測量系統(tǒng) 在f l u e n t 仿真的基礎(chǔ)上，我們在實(shí)驗(yàn)室搭建實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由壓 電式渦街流量計(jì)、差壓傳感器、引壓管、管道、鼓風(fēng)機(jī)、d s p a c e 虛擬儀器、 放大電路和p c 機(jī)等組成。為了搭建該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，我們又需要建立差壓傳感器 的數(shù)學(xué)建模，標(biāo)定壓電式渦街流量計(jì)，設(shè)計(jì)基于d s p a c e 和l a b v i e w 的信號采 集及其處理系統(tǒng)。 4 1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)簡介 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的原理結(jié)構(gòu)圖如圖4 1 所示。該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由壓電式渦街流量計(jì)、 差壓傳感器