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关于蒸汽涡街流量计的分析和研究

发表时间:2019-12-16
 蒸汽涡街流量计的分析和研究
为提高蒸汽计量水平,上世纪60年代研制了一种耐高温、压损小的涡街流量计,使用于过热蒸汽流量的计量。由于流体流量与它输出的频率信号成正比,并且频率信号具有对流体组分、密度、压力、温度的变化不敏感;量程范围较宽;无可动部件,可靠性高;结构简单牢固,安装维护方便,维护费较低等特点,所以频率信号被广泛应用于计量和工业过程控制领域中,并在80年代后得到了大量的推广和使用,但涡街流量计一直缺乏在蒸汽介质上的测试数据,限于对涡街流量计的结构形式、信号处理、流量量程的拓展、管道的安装条件等方面进行研究,提高了涡街流量计的在液体和空气中测量精度,但没有针对蒸汽介质方面的研究报道,近几年有人对其在蒸汽上的测量精度提出了质疑。但是应该看到,涡街流量计尚属发展中的流量计,无论其理论基础还是实践经验都有待完善,还有许多工作需要探索、充实。近年来,国内外科研工编辑针对涡街流量计开展了大量的研究,并取得了一定成果。以下主要罗列几条与本课题相关的研究成果。
(1)旋涡分离规律的研究
钝体绕流现象是涡街流量计的测量基础。对于钝体绕流问题的研究已经有百多年的历史,1912年卡门首先提出了涡街的形成和稳定性等问题。20世纪50年代开始,国际上对流体绕流物体诱发振动开展了大规模的研究工作,取得了一系列研究成果。这些研究结果大部分是通过实验观测得到的,在理论上还有待于作进一步的分析和论证。涡街扰流现象受流体流动工况、介质、素流度等许多因素的影响,一些基本的理论问题还没有得到很好的说明,尤其是在高雷诺数条件下的绕流现象,对于深入研究旋涡理论具有重要的意义。
近年来,随着计算机和数值仿真技术的发展,对流场特性可以从低雷诺数拓展到高雷诺数,从二维拓展到三维进行研究,建立了更合理的数学模型来分析流体绕流后的流动特性,得到了一些基于仿真的分析结果。分析了斯特劳哈数和压力系数与雷诺数的关系,发现随着雷诺数的增加,涡街形式发生转变,研究得到由涡街引起的速度波动ZUI大幅值出现位置与雷诺数变化的关系;天津大学贾云飞利用仿真研究就分析了不同发生体对涡街信号强度的影响,为涡街流量计的实验提供了理论依据。此外,开展了采用多种数值算法对不同形状钝体和不同雷诺数进行仿真计算,研究了不同雷诺数对斯特劳哈尔数的影响规律。
(2)旋涡发生体结构形状的研究
旋涡发生体的结构形状决定了仪表的仪表系数、线性度、流量方位等与它密切相关的参数。但旋涡发生体几何形状还没有成熟的标准或结构形式,大多通过实验确定。为了获得较好的仪表计量性能,研究人员通过实验和数值仿真计算对涡街流量计旋涡发生体的结构形式开展了一系列的研究,得到LD的值在1.562.0时,涡街信号强,仪表线性度最好。 发现LD是对St数的影响较为显著,St数随着L/D增加而减小。则认为3mm带有螺纹的圆棒在100mm管道中特性ZUI好,压力损失ZUI小。国内科研人员发现DN100的涡街流量计,在旋涡发生体迎流面的宽度为28mm,尾缘夹角角度为45°,平行部分长度为4mm的情况下,能够产生ZUI强的涡街信号。虽然旋涡发生体结构形式的研究取得了一定的成果,但旋涡发生体对涡街流量计的影响还有待于在工作实践中做进一步的检验验证。
(3)其它方面的分析研究
针对涡街流量计,国内外相关的研究人员还开展了涡街信号的分析与处理、数字涡街产品的研究、涡街流量计传感器位置的研究以及涡街流量计应用于两相流测量的研究,通过这些研究拓宽了涡街流量计的应用领域和测量的范以上分析可以看出涡街流量计的研究取得了较大的进展,但同时也暴露出了一些不足,主要表现在以下两个方面:
(1)涡街流量计的理论基础还很薄弱
涡街流量计在应用中,是使用在封闭管道中,流场具有三维不均匀性。但目前对旋涡脱落理论的研究是在气体风洞均匀流场中进行分析的,而在封闭管道中流场的旋涡分离规律与均匀流场中相比不完全相同,因此需要从流量计实际应用条件下出发,建立符合实际工作流场工况的漩涡脱落理论,以便为涡街流量计的设计提供更为合理的理论依据。
(2)涡街流量计缺乏蒸汽介质下的实验研究
涡街流量计主要应用于蒸汽流量的计量,但其在蒸汽流量计量中特性的研究,受蒸汽实流检测装置难于实现、运行成本高、安全性差等局限的限制,在实际工作中使用了基于低温、低雷诺数的水或者空气为介质流体来进行实验测量和理论分析。这种认为涡衠流量计不受流体介质种类影响的假设缺乏实验数据的支撑,并且对低粘度、高流速、高温、高雷诺数等工况也缺乏蒸汽介质下的实验研究。
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