蒸汽流量計的基本原理

在測量管道內安裝一個非流線形的阻擋物體（下稱旋渦產生體），它可以是圓柱體、三角形體、矩形體和T形體等形狀。當流體沖擊旋渦產生體時，使流體在產生體兩邊交替分離出旋渦，通常分離出的旋渦是不穩定的。但卡爾曼經過對穩態理論分析后得出結論，當

時，分離出的旋渦分布是穩定的，并形成了2條穩態的渦街。其中h為旋渦產生體的寬度，l是同一渦街上面、后兩渦旋的距離。

流體具體在旋渦產生體分界而上產生旋渦的過程是，首先流體沖擊旋渦產生體正面的表面，使靠近表面的流體受到阻擋產生停頓或減緩流動；該部分流體在旋渦產生體旁得到加速和聚集能量。一旦到達產生體邊緣處時，阻擋面積突然失去，這時旋渦產生體旁靠近流體的流速快，而靠內流體的流速慢，并靠外流速快的流體在產生體的背而形成回流，而且使流體流動出現時滯現象，從而使流體形成旋渦。隨著流體不斷的流動，在產生體兩側后方形成2條渦街（間圖4.1）。

這里引入斯特勞哈爾的St系數，使旋渦分離的頻率f與旋渦產生體的寬度d和流體流速v有下列關系

同時，St的性能與雷諾系數Re有關。當雷諾系數處于不同范圍時，用圓柱體旋渦產生體阻擋流動流體產生旋渦分離的各種情況如圖4.2所示。

圖4.3表示蒸汽流量計在自由流體流動和采用圓柱體旋渦產生體情況下雷諾系數與St系數的關系。在雷諾系數Re〈103起，St系數保持相對恒定。St系數定常的含義是使旋渦分離的頻率與流速成正比。在300〈Re〈3.10的定常范圍內，St系數規定約為0.12.實際上St系數和雷諾系數之間具有相關性，一部分由不同雷諾系數的各種流動條件引起，另一部分主要是采用圓形旋渦產生體。根據雷諾系數不同，旋渦的分離點在圓柱體表面上移動，而沒有明確定義旋渦分離邊緣的界限。

在封閉通道中放置旋渦產生體分離旋渦，與在自由流體中放置旋渦產生體有明顯的不同。最大的區別是在旋渦產生體分離旋渦的不同條件下流動具有三重性，即干擾旋渦的形成、旋渦產生體形成不同頻率的旋渦以及各種分離旋渦頻率產生不期望出現的疊加。這些效應是由旋渦產生體和測量通道內壁的環流所造成，并引起被測旋渦分離頻率與真正的分離頻率有偏差。另一個區別是旋渦產生體的阻流作用。當用測量通道的平均速度來定義時，按照不同的阻礙程度使流體加速，從而使被測得的St系數大于自由流動狀態的St系數。由實驗研究表明，在圓柱形旋渦產生體和雷諾系數在1000一15000之間的情況下,St系數取0.20一0.21;當雷諾系數為100時，St系數為0.25。

圖4.4描述在自由流體流動和矩形旋渦產生體時雷諾系數Re與St系數的關系。通過圖4.3和圖4.4的比較，可以驗證對不同形狀的旋渦產生體在不同的雷諾系數范圍內有不同的St系數。因為不同的幾何尺寸取不同的St系數值，所以由Roshko引入一個“廣義”的St系數。根據他的理論，對所有渦街流量計類似的結構，使“廣義”St系數與旋渦產生體形狀無關。“廣義”St系數定義為

式中d *---在旋渦形成范圍內渦街間的間距;

    Vb---分界面渦旋分離點上的流體流速。

從上述情況來看，不同形狀的旋渦產生體使保持St系數恒定的雷諾系數變化范圍不同，而且St系數的恒定數值大小也不同。但在d已知的特定情況下，當某一范圍內St系數為常數時，使旋渦分離頻率與流體流速成正比。同樣經實踐證明，旋渦產生體的棱角邊緣對旋渦定位能產生很好的效果。目前采用較多的產生體為矩形體和T形體。