CN105403730A - 基于亥姆霍兹不稳定性的流体瞬时流速测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于亥姆霍兹不稳定性的流体瞬时流速测量装置及方法，其装置包括变速部件、亥姆霍兹振荡器、麦克风(7)和噪声频谱分析仪(8)，变速部件和亥姆霍兹振荡器通过螺纹连接，麦克风(7)设置在亥姆霍兹振荡器上的通孔（15）内并与振荡腔(14)相通，麦克风(7)还与噪声频谱分析仪(8)相连；所述变速部件由法兰(1)和变速管(2)组成；所述亥姆霍兹振荡器由腔体(3)、体积调节盘(4)、端盖(5)和螺杆(6)组成。本发明利用亥姆霍兹振荡腔中噪声的主频与流速的关系就可实时获得流体的流速，装置简单、成本低、测量准确度高；不仅可以测量液体流速，也可以测量气流流速，且能分别测量管道和空气中流体的流速，因而适用范围广，为流体瞬时流速的测量提供了一种新方法。

Description

基于亥姆霍兹不稳定性的流体瞬时流速测量装置及方法

技术领域

本发明涉及流体流速测量技术领域，具体的说是一种基于亥姆霍兹不稳定性的流体瞬时流速测量装置及方法。

背景技术

在许多工程应用和科学研究中常常需要获得流体在某些特定区域的流速，以研究其流动状态对工作过程和性能的影响。因此，对流体流速的准确测量具有重要意义。目前，测量流体流速的传统方法主要有机械方法、散热率法、动力测压法和激光测速法。其中，机械测速法是通过流体中叶轮的旋转角度与流体流速成正比的原理来测量的，一般适用于流体流速低于30m/s的情况。散热率法是发热的测速传感器的散热率与流体流速成比例的特点，通过测定传感器的散热率来获得流体流速，但这种测量方法需要把探头置于流场中，因而对流场有一定的干扰。动力测压法是通过测量压差再利用伯努利方程将压力转化为流体的速度，从而获得流速，但当测得压力较小时，获得的流速误差较大。激光测速法是利用多普勒效应将散射光和入射光之间的频率偏离量转化为流体的流速，这种方法对流场无干扰，测速范围广，测量精度高，然而激光测速仪的成本非常高。

针对这种情况，新的流体流速测量方法不断的被提出。如公开号为CN103792384A的发明申请公开了一种基于超声波互相关技术的量程比可调的流体流速测量方法，但采用这种方法需要超声波发射器、超声波接收器、噪声信号处理器等，所需测量元件多，成本较高。公告号为CN102645553B的发明专利公开了一种流体流速流量测量装置及方法，是基于非接触式电导测量技术而实现流体流速测量的方法，然而这种方法需要电导传感器、信号处理模块、数据采集模块、电感模块等元件，测量方法较为复杂。目前，还没有一种操作简单、测量精度高、成本低、适用范围广的流体瞬时流速测量方法和装置。

发明内容

本发明的目的在于为了解决流体瞬时流速难以简单而准确测量的缺陷，提供一种基于亥姆霍兹不稳定性的流体瞬时流速测量装置及方法。

本发明的原理，是利用流体在流过亥姆霍兹振荡腔时会导致腔内空气产生一定频率的共振这一特点，并基于流体的流速正比于噪声的主频和振幅的关系，通过对振荡腔内噪声频率的分析，从而准确获得流体的瞬时流速的一种新方法。

本发明基于亥姆霍兹不稳定性的流体瞬时流速测量装置，包括变速部件、亥姆霍兹振荡器、麦克风7和噪声频谱分析仪8，变速部件和亥姆霍兹振荡器通过螺纹连接，麦克风7设置在亥姆霍兹振荡器上的通孔15内并与振荡腔14相通，麦克风7还与噪声频谱分析仪8相连；所述变速部件由法兰1和变速管2组成；所述亥姆霍兹振荡器由腔体3、体积调节盘4、端盖5和螺杆6组成。

所述变速管2与法兰1焊接，且变速管2中心沿轴线从A端到B端依次设有锥形渐缩流道9、圆柱形空腔10和锥形扩散流道11，变速管2的圆柱面上还设有一与圆柱形空腔10相连通的螺纹孔13，用于和亥姆霍兹振荡器相连。

所述亥姆霍兹腔体3为中空的圆柱体，上端开口，下端设置有端盖5，且在腔体3的壁面上有一通孔15，用于放置麦克风7；所述体积调节盘4与螺杆6刚性连接，螺杆6穿过端盖5的中心，并与端盖5螺纹连接，用于调节亥姆霍兹振荡腔14的体积。

本发明基于亥姆霍兹不稳定性的流体瞬时流速测量方法，包括如下步骤：

1、首先将装置通过法兰接入需要测量流速的管道中，启动噪声频谱分析仪，再将噪声频谱分析仪获得的频率信号传入计算机；

2、当流体从变速管的A端以速度V₀经锥形渐缩流道流过圆柱形空腔时，速度增加到V₁，之后流体经过锥形扩散流道后在变速管的B端，流体速度恢复到初始的速度V₀；当流体经过圆柱形空腔时，导致亥姆霍兹振荡腔内气压波动，产生频率为f的噪声，且流速V₁与频率f具有以下关系：

$f=\frac{S\tan L(LS/2d_1)}{4{\mathrm{\πd}}_1}\·V_1---\left(1\right)$

其中 $\begin{array}{cc}S=\frac{{\mathrm{\πfd}}_1}{U_c}& U_c=\frac{V_{1}tan\left(d_1\right){\mathrm{\πd}}_{1}f}{2}\end{array}$

式中，f为噪声频率，S为模数，L为振荡腔腔长，d₁为振荡腔直径，V₁为圆柱形空腔内流体速度，U_c为流体边界层内漩涡的对流速度；

3、获得噪声的频率信号后在计算机中通过上式(1)计算，得出流体在圆柱形空腔处的流速V₁，再将V₁代入下述流体的连续性方程(2)，即可得到流体的初始速度V₀

$\frac{{\mathrm{\πD}}^2}{4}\·V_0=\frac{{\mathrm{\πd}}^2}{4}\·V_1---\left(2\right)$

式中，D为待测流体所在管道直径，d为锥形渐缩流道的小端直径，V₀为待测流体流速。

此外，将亥姆霍兹振荡器从变速管上拆下，并将亥姆霍兹振荡器上端开口靠近射流束；麦克风将腔内的噪声传递至噪声频谱分析仪中，并进一步将频率信号传入计算机根据式(1)计算空气中射流束的速度。

本发明一种基于亥姆霍兹不稳定性的流体瞬时流速测量装置及方法的优点是：利用亥姆霍兹振荡腔中噪声的主频与流速的关系就可实时获得流体的流速，装置简单、成本低、测量准确度高；此装置不仅可以测量液体流速，也可以测量气流流速，且能分别测量管道和空气中流体的流速，因而适用范围广，并且本发明为流体瞬时流速的测量提供了一种新方法。

附图说明

图1为本发明装置的剖视图。

图2为变速管的剖视图。

图3为亥姆霍兹振荡器的剖视图。

图中，1为法兰、2为变速管、3为腔体、4为体积调节盘、5为端盖、6为螺杆、7为麦克风、8为噪声频谱分析仪、9为锥形渐缩流道、10为圆柱形空腔、11为锥形扩散流道、12为连接孔、13为螺纹孔、14为振荡腔、15为通孔。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明做进一步说明：如图1-3所示，一种基于亥姆霍兹不稳定性的流体瞬时流速测量装置，由法兰1、变速管2、亥姆霍兹腔体3、体积调节盘4、端盖5、螺杆6、麦克风7和噪声频谱分析仪8组成，所述法兰1A和1B分别焊接于变速管2的两端，且法兰1A和1B中部通孔直径以及变速管2的A端和B端流道直径，均与待测流体所在管道直径相同。

所述变速管2中部沿轴线从A端到B端依次设有锥形渐缩流道9、圆柱形空腔10和锥形扩散流道11，所述锥形渐缩流道9和锥形扩散流道11的锥角均为14°；所述变速管2在正对圆柱形空腔10的壁面上设置有一螺纹孔13，用于连接亥姆霍兹振荡器，且一连接孔12将圆柱形空腔10与外界连通。

所述亥姆霍兹腔体3为圆柱形腔体，上端为一开口，底端与端盖5螺纹连接，上端通过螺纹孔13连接于变速管2，且亥姆霍兹腔体3的壁面上开有一通孔15。

所述体积调节盘4为圆柱体，置于亥姆霍兹腔体3的内部，并与其形成一亥姆霍兹振荡腔14，体积调节盘4的外圆柱面与亥姆霍兹腔体3的内圆柱面光滑接触，且体积调节盘4下端面与螺杆6刚性连接。

所述螺杆6穿过端盖5的中心，并通过螺纹连接。

所述麦克风7置于亥姆霍兹腔体3壁面上的通孔15中，且通过导线与噪声频谱分析仪8相连。

本发明的功能是这样实现的：首先将装置通过法兰1接入需要测量流速的管道中，启动噪声频谱分析仪8(如型号为HS6288B)，再将噪声频谱分析仪8获得的频率信号传入计算机。当流体以速度V₀经锥形渐缩流道9流过圆柱形空腔10时，速度增加到V₁，之后流体经过锥形扩散流道11后在变速管2的B端，流体速度又会恢复到初始的速度V₀。由于连接孔12将圆柱形空腔10与亥姆霍兹振荡腔14连通，当流体经过圆柱形空腔10时，由于射流的卷吸作用，将导致亥姆霍兹振荡腔14内气压波动，从而产生频率为f的噪声，且流速V₁与频率f具有以下关系：

$f=\frac{S\tan L(LS/2d_1)}{4{\mathrm{\πd}}_1}\·V---\left(1\right)$

其中 $\begin{array}{cc}S=\frac{{\mathrm{\πfd}}_1}{U_c}& U_c=\frac{V_{1}tan\left(d_1\right){\mathrm{\πd}}_{1}f}{2}\end{array}$

因此获得噪声的频率信号后在计算机中通过上式(1)计算，就可得出流体在圆柱形空腔10处的流速V₁，再将V₁代入下述流体的连续性方程(2)，即可得到流体的初始速度V₀.

$\frac{{\mathrm{\πD}}^2}{4}\·V_0=\frac{{\mathrm{\πd}}^2}{4}\·V_1---\left(2\right)$

装置中变速管2的使用是为了生成圆柱形空腔10，从而使连接孔12与射流束保持一微小距离，防止因为流体(液体)进入亥姆霍兹振荡腔14影响噪声的频率和测量结果。由于流体经过锥形扩散流道11后，流体的速度恢复到初始速度，因而对流体无干扰，测量准确。另一方面，由于亥姆霍兹振荡腔14的腔长可以通过螺杆6调节，因而此装置和方法适合测量的流体流速范围广。在测量时，为了提高测量精度，需尽量使亥姆霍兹振荡腔14的空气达到共振状态。因此，需要调节螺杆3，使得麦克风7采集到的噪声频率幅值最强，即此时腔内的空气处于共振状态；再将噪声频谱分析仪8处理后的数据传入电脑进行计算即可获得流体的瞬时流速。

本发明装置可测管内流体流速，当管道内为液体时，即测液体流速；为气体时，则测气体流速。同时，此装置可以测非管内流体流速(如由喷嘴喷入空气中的流体，或渠道内的流体)，将亥姆霍兹振荡腔取下，然后将腔口靠近流体，分析腔内噪声频率既可。

Claims (5)

1.一种基于亥姆霍兹不稳定性的流体瞬时流速测量装置，其特征在于：包括变速部件、亥姆霍兹振荡器、麦克风(7)和噪声频谱分析仪(8)，变速部件和亥姆霍兹振荡器通过螺纹连接，麦克风(7)设置在亥姆霍兹振荡器上的通孔(15)内并与振荡腔(14)相通，麦克风(7)还与噪声频谱分析仪(8)相连；所述变速部件由法兰(1)和变速管(2)组成；所述亥姆霍兹振荡器由腔体(3)、体积调节盘(4)、端盖(5)和螺杆(6)组成。

2.如权利要求1所述的流体瞬时流速测量装置，其特征在于：所述变速管(2)与法兰(1)焊接，且变速管(2)中心沿轴线从A端到B端依次设有锥形渐缩流道(9)、圆柱形空腔(10)和锥形扩散流道(11)，变速管(2)的圆柱面上还设有一与圆柱形空腔(10)相连通的螺纹孔(13)，用于和亥姆霍兹振荡器相连。

3.如权利要求1所述的流体瞬时流速测量装置，其特征在于：所述亥姆霍兹腔体(3)为中空的圆柱体，上端开口，下端设置有端盖(5)，且在腔体(3)的壁面上有一通孔(15)，用于放置麦克风(7)；所述体积调节盘(4)与螺杆(6)刚性连接，螺杆(6)穿过端盖(5)的中心，并与端盖(5)螺纹连接，用于调节亥姆霍兹振荡腔(14)的体积。

4.利用权利要求1-3任一项所述的装置的测量方法，其特征在于包括如下步骤：

(1)首先将装置通过法兰接入需要测量流速的管道中，启动噪声频谱分析仪，再将噪声频谱分析仪获得的频率信号传入计算机；

(2)当流体从变速管的A端以速度V₀经锥形渐缩流道流过圆柱形空腔时，速度增加到V₁，之后流体经过锥形扩散流道后在变速管的B端，流体速度恢复到初始的速度V₀；当流体经过圆柱形空腔时，导致亥姆霍兹振荡腔内气压波动，产生频率为f的噪声，且流速V₁与频率f具有以下关系：

$f=\frac{S\tan L(LS/2d_1)}{4{\mathrm{\πd}}_1}\·V_1---\left(1\right)$

其中 $\begin{array}{cc}S=\frac{{\mathrm{\πfd}}_1}{U_c}& U_c=\frac{V_{1}tan\left(d_1\right){\mathrm{\πd}}_{1}f}{2}\end{array}$

式中，f为噪声频率，S为模数，L为振荡腔腔长，d₁为振荡腔直径，V₁为圆柱形空腔内流体速度，U_c为流体边界层内漩涡的对流速度；

(3)获得噪声的频率信号后在计算机中通过上式(1)计算，得出流体在圆柱形空腔处的流速V₁，再将V₁代入下述流体的连续性方程(2)，即可得到流体的初始速度V₀

$\frac{{\mathrm{\πD}}^2}{4}\·V_0=\frac{{\mathrm{\πd}}^2}{4}\·V_1---\left(2\right)$

式中，D为待测流体所在管道直径，d为锥形渐缩流道的小端直径，V₀为待测流体流速。

5.如权利要求4所述的测量方法，其特征在于：将亥姆霍兹振荡器从变速管上拆下，并将亥姆霍兹振荡器上端开口靠近射流束；麦克风将腔内的噪声传递至噪声频谱分析仪中，并进一步将频率信号传入计算机根据式(1)计算空气中射流束的速度。