渦街蒸汽流量計工作原理和組成
1.旋渦分離
以圓柱體為例，如圖3.1所示，圓往體左邊箭頭表示流體流動方向，流速為v，壓力為p。當流體流經(jīng)圓柱體時，由于流體的黏性，在圓柱體表面要產(chǎn)生邊界層，在前駐點A處，v=0，該處的邊界層還未來得及發(fā)展，因此邊界層厚度也近似為0。隨著流體沿柱體表面向兩側(cè)繞流，經(jīng)前駐點后，速度逐漸增大，壓力逐漸減小，邊界層厚度逐漸增加。
當流體由A到達B時，流體黏性作用要消耗一些能量，從而使邊界層中的流體速度有降低的趨勢。為了維持邊界層內(nèi)速度的增長，在降壓增速區(qū)域內(nèi)，只有靠邊界層的流體輸送一些能量來補充。因此，從A到達B這段區(qū)間內(nèi)，邊界層內(nèi)的流動是穩(wěn)定的。
在B點以后，邊界層外流體的流動變?yōu)樵鰤簻p速流動。這樣，邊界層外流體的動能有部分轉(zhuǎn)化為壓力能，從而流速會不斷降低。由于減速，它已不能給邊界層內(nèi)的流體補充能量來減緩由于流體鉆性阻滯作用的能量消耗而引起的降速趨勢。這樣，邊界層內(nèi)流體的能量有一部分要轉(zhuǎn)化成壓力能，還有一部分要用于繼續(xù)克服摩擦阻力。因此，在得不到能量補充的情況下，剩余的能量已不足以維持邊界層的外邊界上速度減緩，導(dǎo)致速度更劇烈下降。尤其是靠近圓柱體表面的那部分流體，因受柱體表面影響，速度減小更快。
流體繼續(xù)運動到達C點后，為克服摩擦力所消耗的能量和為增壓而轉(zhuǎn)化出的能量已把圓柱體表面附近流體的動能耗盡，這部分流體只能停滯下來，進而出現(xiàn)倒流現(xiàn)象。從圖3.1中可看出，速度分布曲線越來越窄。在C點以后到D點，出現(xiàn)了邊界層的分離面C-C’。在這個區(qū)域內(nèi)，流體的運動極不穩(wěn)定，不斷地形成一個個旋渦。一方面，這些旋渦不斷地被帶走，一方面又不斷地卷進一些有較大能量的流體來補充被帶走的那部分流體。來流與邊界層內(nèi)倒流的流體相遇，使流線明顯地被擠離圓柱體表面，產(chǎn)生了邊界層分離現(xiàn)象。以上就是旋渦形成和分離的原因和過程。
流體繞曲面運動時，很容易引起邊界層分離。尤其是被繞物體是不良的流線型柱體時，旋渦分離會更加強烈。
根據(jù)實驗觀察，當流體繞過非流線型柱體時，由于邊界層的不穩(wěn)定性，使物體分離的旋渦有一定的規(guī)律性。當雷諾數(shù)較高時，旋渦在柱體的某一側(cè)形成并分離時，則另一側(cè)就不可能形成旋渦。只有某一側(cè)旋渦離開柱體一定距離后，另一側(cè)才可能形成旋渦。于是，隨著流體連續(xù)流動，在柱體兩側(cè)形成交替的、有規(guī)律的旋渦列，這就是渦街。
2.卡曼渦街
斯特勞哈爾用試驗方法發(fā)現(xiàn)阻流體后方旋渦的頻率與流體相對流速有關(guān)的規(guī)律后，事隔30多年，卡曼又通過大量試驗觀察了渦街的穩(wěn)定性，并發(fā)現(xiàn)旋渦的距離與旋鍋的序列存在一個恒定的比例。當流速保持不變時，尾流中旋渦頻率實際上保持穩(wěn)定。他從數(shù)學(xué)上推導(dǎo)證明渦街穩(wěn)定的條件，得出以下重要結(jié)論。
①靜止流體中，單一渦列是不穩(wěn)定的。
②對稱排列的兩列渦列也是不穩(wěn)定的。
③交錯排列的兩列渦列，若上列旋渦順時針旋轉(zhuǎn)，而下列旋渦逆時針旋轉(zhuǎn)，由于旋渦的相互作用，在通常情況下也是不穩(wěn)定的。只有當這兩列旋渦的排列滿足一定條件，才是穩(wěn)定的，那就是兩列旋渦間的距離h，與同列旋渦中的兩個旋渦的間距l(xiāng)之比滿足ch（πh/l）=√2即h/1=0.2806時，這樣的旋渦列才是穩(wěn)定的，如圖3.2所示。這種穩(wěn)定的旋渦列被稱為卡曼渦街。產(chǎn)生旋渦分離的阻流體稱為旋渦發(fā)生體（以下簡稱發(fā)生體）。
對于卡曼渦街來說，發(fā)生體分離出的旋潤頻率f與流速v1成正比，而與發(fā)生體的特征寬度d成反比
公式（3-1）是渦街蒸汽流量計的基本公式。
3.控制邊界層分離—三維流渦街穩(wěn)定化措施
斯特勞哈爾與卡曼等的試驗研究及建立的渦街理論，均是在無限大的二維流條件下得出的。在圈形管道中情況則有所不同。
①流速分布不是均勻的、通常是軸對稱的三維流.
②與靜止的流體不同，流體流動中有徽小的紊亂和波動存在。
③由于上、下游存在彎管、閥門等阻流件的影響，引起流速分布的畸變，并有旋轉(zhuǎn)流和波動存在。
這些對旋渦分離和尾流中的旋渦列規(guī)則排列都有干擾作用。因此，圓管內(nèi)的流動在本質(zhì)上不是很穩(wěn)定的。
為了在圓管內(nèi)產(chǎn)生穩(wěn)定的卡曼渦街，需要采取措施：或者把流動的管道做成二維的矩形管道；或者在三維的流動中迫使旋渦沿著柱狀旋渦發(fā)生體的軸向同時分離，使渦系的彎曲盡量小。在實踐中，采用后一種方法是現(xiàn)實的、有效的。具體可行的措施有以下幾方面。
①在直徑較大的圓管內(nèi)設(shè)置尺寸（主要指迎流面的特征寬度）較小的發(fā)生體，使得發(fā)發(fā)體中間一段處于流速分布較均勻的區(qū)域內(nèi)。
②采用適當柱寬比（d/D），充分利用管璧能量反射作用，在發(fā)生體兩側(cè)弓形截面內(nèi)形成較為均勻的流速分布，為旋禍同步分離創(chuàng)造條件。
③在發(fā)生體上采用邊界層控制技術(shù)，迫使旋渦沿軸向同步分離。
④采用具有明確棱邊的發(fā)生體，利用柱體棱邊的陡斷處，強迫旋渦在該處同步分離。
上述幾方面措施，使插人圓管內(nèi)的發(fā)生體產(chǎn)生旋渦軸向同步分離。這樣，盡管圓管中流速分布是三維的，而經(jīng)過發(fā)生體的作用，就可獲得二維的卡曼渦街，如圖3.3所示，實現(xiàn)圓管的流量測量。
4.渦街蒸汽流量計基本工作原理
當非流線型阻流體（bluff body）垂直插人管道流體中，隨著流體流動，從阻流體兩側(cè)交替分離出卡曼渦街，如圖3.3和圖3.5所示。旋渦頻率與流速v1的關(guān)系用式（3.1）表示。
經(jīng)大量試驗證明，一旦發(fā)生體的形狀和尺寸確定，在一定的雷諾數(shù)范圍內(nèi)，St可視為常數(shù)，如圖3.4所示。這樣，公式中旋禍頻率f與流速v1之間就變?yōu)榫€性關(guān)系。
由式（3.5）可知，體積流量qv與旋渦頻率f成正比。只要測量旋渦頻率f，就可測得體積流量qv。
式（3.5）經(jīng)變換得
從式（3.5）可以看出，渦街蒸汽流量計是一種速度式流量計，輸出信號頻率只與流速有關(guān)，而與被測流體的物理性質(zhì)和組分無關(guān)。
5.組成
主要由儀表表體、旋渦發(fā)生體、檢測元件和信號轉(zhuǎn)換器等組成。如圖3.5所示。表體可制成法蘭型和法蘭卡裝型。表體內(nèi)被加工成直徑為D的測量管；通過表體與被測管道連接，測量管為流體提供流動通道；發(fā)生體和檢測元件也安裝在表體上。
根據(jù)檢測方式和檢測元件不同，信號處理電路也不同。信號處理電路模板、顯示單元、箱出電路等都裝在表體上方的轉(zhuǎn)換器盒內(nèi)。轉(zhuǎn)換器通過支架與表體連接。
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