CN113375901B - 一种管束结构流致振动的涡街频率与管间流速测试方法 - Google Patents

一种管束结构流致振动的涡街频率与管间流速测试方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开的一种管束结构流致振动的涡街频率与管间流速测试方法，利用测试管引压孔压力值间接获得管间流速，然后采用涡街流量传感器测量压力，通过测试管两侧旋涡脱落区压差的变化频率获得旋涡脱落频率。采用压差式测试方法原理简单，传感器内部无电子器件，适用于各类复杂环境测试，传感器制作成本低，可以消除其他随机误差，保证测试结果的准确性，并且本方法能够克服管束绕流旋涡分离点随流速改变、管束布置变化的缺点，具备测试通用性，可大量推广应用。本测试方法能准确获得旋涡脱落频率和管间流速，与理论涡街频率形成对应，有效判断管束结构在流致振动试验中有无涡街频率出现。

Description

一种管束结构流致振动的涡街频率与管间流速测试方法
技术领域
本发明属于管束结构流致振动测试领域，具体涉及一种管束结构流致振动的涡街频率与管间流速测试方法。
背景技术
目前行业内，用于涡街频率测量的方法主要有两种：
第一种方法，传感器中置入热敏元件，旋涡产生时压差作用促使流体移动至电阻丝，流过时电阻值的变化频率与旋涡频率相对应，由此得到涡街频率；
第二种方法，传感器内置金属膜组成电容，旋涡产生升力变化时导致电容量发生改变，由电容变化频率得到涡街频率。
这两种方法中，虽然测量灵敏度都较高，但是涡街流量传感器均属于精密部件，传感器内置电子元件，内部结构复杂，长期作用于水下测量，传感器内部电子元件封装和制作成本高，单支成本昂贵，不利于推广应用，同时这种内置电子元件的构造精细，还很容易受到流体中杂质的影响。
因此，考虑到以上因素，可以考虑设计一种保证测量精度的前提下，还可以有效降低测量成本的测试方法。
发明内容
本发明提供的一种管束结构流致振动的涡街频率与管间流速测试方法，根据测量管表面产生交替脱落的旋涡时两侧的压力产生交替性变化的原理，测试管两侧旋涡脱落区压差变化频率获得旋涡脱落频率。利用该原理，采用机械结构的涡街流量传感器即可实现涡街频率和流量的测试。
本发明的技术方案如下：
一种管束结构流致振动的涡街频率与管间流速测试方法，其特征在于步骤如下：
步骤一，在作为试验件的管束结构上选择若干根测试管，根据前期管束结构流体仿真结果和经验判断选择流速较大区域，进行涡街流量传感器的布局；选择管束结构出入口处和V型拐弯处作为测量点；因为一般管束结构出入口处的管间流速大，V型拐弯处有流体方向发生变化，易出现涡街频率，均适合作为测量点；
步骤二，在涡街频率测点处将测试管沿径向切开，将涡街流量传感器安装于测试管的切口处，涡街流量传感器的两端分别与测试管的两个切口连接；
步骤三，在测试管同一圆周截面的管壁上打三个引压孔，测试管内部的三根导压管分别与三个引压孔相连，用于测量管间流速；
步骤四，涡街流量传感器连接的毛细引压管和引压孔连接的导压管均从测试管内端部引出，所述导压管均通过接插件分别与外部的差压变送器和差压传感器连接，其中，差压变送器用于管间流速测试，差压传感器用于涡街频率获取；
步骤五，将带测试管的管束结构整体装配完成后，持续加水压测试接插件的密封性，同时连接差压变送器和差压传感器至数据采集分析仪，测试流体压力信号是否正常；
步骤六，当接插件密封效果达到预期效果，且流体压力信号测试正常后，将试验件置于测试台架上，连接水循环***，然后进行正式的流体压力信号采集工作，在不同的流速下进行管束结构流致振动试验，实时采集各导压管的流体压力，单次采集时间至少5min，每个工况重复次数至少5次；
步骤七，测试完成后，分析处理数据，获得管束结构的旋涡脱落频率和管间流速数据，判断管束结构在一定流速下是否出现理论涡街频率。
针对上述测试方法，进一步如下：
所述涡街流量传感器需要根据测试管的管径大小进行定制，传感器外形应为与测试管径一样大小的圆柱形。
步骤二中，在测量点安装涡街流量传感器时，首先需将测试管的对应位置切断，然后在测试管的两个切断处分别连接安装座，通过安装座与涡街流量传感器的两端连接，以此完成涡街流量传感器的安装操作。
所述涡街流量传感器中存在若干根毛细引压管，用于压力信号的采集与分析，导压管连接完毕后均需进行密封处理，保证正式测试时压力信号的准确性。
步骤三中，所述三个引压孔位置与传感器安装位置相邻，且处于测试管同一圆周截面，中间孔正对来流方向，测试速度方向为垂直于测试管方向。三个引压孔分别为引压孔0、引压孔1和引压孔2，分别与三个导压管P0、P1和P2连接，其中，导压管P0居中正对来流方向，导压管P1和导压管P2对称并分别与导压管P0成45°角，导压管P1和导压管P2成90°角。
步骤四中，为保证流体压力测量的准确性，实时获得压差变化情况，所述导压管长度D不宜过长，D的取值范围为：0<D≤2m。
步骤六中，所述工况包括以设计额定流速为100％的工况，还包括流速为20％、50％、75％、125％、150％、175％、200％的阶梯等级工况。
步骤七中，首先通过信号采集***获得管壁上引压孔的压力值计算得到管间流速，其次分析涡街流量传感器中毛细引压管的流体压力变化信号，获得管两侧旋涡脱落区压差的变化频率，即旋涡脱落频率，最后与计算的理论涡街频率对比，判断流致振动试验中有无涡街频率出现。
步骤七中所述的速度通过以下公式(1)计算得到，
Figure GDA0003959456990000031
其中，v表示来流方向速度，P0、P1分别表示导压管P0、导压管P1的管内压力，k表示修正系数，ρ表示流体密度。
管间流速数值与与横向流速和管束排列方式有关系，对于正三角形排列管束，其管间流速计算如下式(2)。
Figure GDA0003959456990000032
式中P表示管中心距，V0表示横向流速度，d表示测试管外径。
根据卡门涡街产生原理及脉动升力频率特点，只要测试到脉动压力的变化频率即可得到卡门涡街频率，即对差压传感器采集的压力时域数据进行频谱分析获得频域信号。判断条件参考国标GB/T151-2014《热交换器》推荐的卡门涡街理论计算公式，见式(3)。
Figure GDA0003959456990000033
上式中f表示涡街频率，St为斯特劳哈尔数，与绕流物体几何结构有关，V是指管间流速，d为测试管外径。
所述传感器使用前应经过水回路***调试和标定，以确定满足设计要求并根据调试结果调整传感器参数至最佳性能，本测试方法的涡街频率测试范围为6-30Hz，管间流速测试范围为0.5-2m/s。
本发明中的涡街流量传感器是根据交替脱落旋涡产生时，测试管两侧压力随之产生变化而设计的，其原理和结构均较为简单，有别于市场上常见的涡街频率测量仪器，制作成本低，并且采用压差式测量方法可消除随机误差，测试准确度高。
本发明的有益效果如下：
(1)本发明通过切断测试管在中间直接对接涡街流量传感器，利用测量旋涡产生时压差变化频率间接得到涡街频率，测试方法创新性高，测试效果明显；
(2)本发明可实现稳定控制涡街流量传感器两侧交替脱落旋涡的作用，克服管束绕流旋涡分离点随流速改变、管束布置变化的缺点，具备测试通用性；
(3)本发明涉及的差压式测量方法可以排除随机干扰，准确度高；
(4)本发明中的涡街流量传感器内部结构相比于传统涡街流量传感器较为简单，涡街流量传感器内部无需内置电子器件，使用范围广，制作与测试成本低，易于推广应用。
附图说明
图1是本发明中的测试流程图。
图2是本发明中涡街流量传感器的布局示意图。
图3是本发明中涡街流量传感器的安装示意图。
图4是本发明中管间流速测试原理图。
图5是本发明适用匹配的测试***示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步的详细说明。
如图1所示，一种管束结构流致振动的涡街频率与管间流速测试方法，其具体步骤如下：
步骤一，在作为试验件的管束结构上选择若干根测试管，根据前期管束结构流体仿真结果和经验判断选择流速较大区域，进行涡街流量传感器的布局；一般管束结构出入口处的管间流速大，V型拐弯处有流体方向发生变化，易出现涡街频率，均适合作为测量点；图2所示为典型的测量点布置位置，其中一侧点位于管束结构入口处，另一测点位于V型拐弯处；
步骤二，在涡街频率测点处将测试管沿径向切开，将涡街流量传感器安装于测试管的切口处，涡街流量传感器的两端分别与测试管的两个切口连接；
步骤三，在测试管同一圆周截面的管壁上打三个引压孔，测试管内部的三根导压管分别与三个引压孔相连，用于测量管间流速；
本实施例中，所述涡街流量传感器需要根据测试管的管径大小进行定制，如图3所示，传感器外形应为与测试管径一样大小的圆柱形。
涡街传感器实际配置五根毛细引压管，分别与测试管内的五根导压管连接。进一步的，在测试管同一圆周截面的管壁上打三个引压孔，将测试管内的三根导压管分别与三个引压孔相连。三个引压孔位置与传感器安装位置相邻，测试速度方向为垂直于测试管方向。
涡街流量传感器安装连接后，进行导压管防水密封处理；其中传感器安装示意图如图3所示，具体在测量点安装涡街流量传感器时，首先需将测试管的对应位置切断，然后在测试管的两个切断处分别连接安装座，传感器的上端与安装座过盈配合连接，紧定螺钉固定，传感器下端与安装座螺纹连接。
管间流速测量原理如图4所示，三个引压孔分别为引压孔0、引压孔1和引压孔2，分别与三个导压管P0、P1和P2连接，其中，导压管P0居中正对来流方向，导压管P1和导压管P2对称并分别与导压管P0成45°角，导压管P1和导压管P2成90°角。
步骤四，涡街流量传感器连接的毛细引压管和引压孔连接的导压管均从测试管的端部引出，所述导压管均通过接插件分别与外部的差压变送器和差压传感器连接，其中，差压变送器用于管间流速测试，差压传感器用于涡街频率测试。为保证流体压力测量的准确性，实时获得压差变化情况，所述导压管长度不宜过长，最多2m；
步骤五，将带测试管的管束结构整体装配完成后，持续加水压测试接插件的密封性，同时连接差压变送器和差压传感器至数据采集分析仪，测试流体压力信号是否正常；
步骤六，当接插件密封效果达到预期效果，且流体压力信号测试正常后，将试验件置于测试台架上，连接水循环***，然后进行正式的流体压力信号采集工作，在不同的流速下进行管束结构流致振动试验，实时采集各导压管的流体压力，单次采集时间至少5min，每个工况重复次数至少5次；
如图5所示，是适用于管束结构流致振动的涡街频率与管间流速测试方法的测试***。试验时，管束结构位于封闭压力容器内，压力容器出入口接入外部水循环***，涡街流量传感器安装于管束结构中的测试管上，通过导压管和接插件连接至外部传感器，然后通过计算机和数据采集仪分析压力数据，用于获得管间流速和涡街频率。
步骤七，首先通过信号采集***获得管壁上引压孔的压力值，并根据公式(1)和(2)计算得到管间流速；其次分析涡街流量传感器中毛细引压管的流体压力变化信号，即对差压传感器采集的压力时域数据进行频谱分析获得频域信号，得到管两侧旋涡脱落区压差的变化频率，即旋涡脱落频率；然后利用公式(3)并根据管间流速、管束排列方式和结构尺寸等参数计算理论卡门涡街频率，最后对比实验获得的管束结构旋涡脱落频率和流速数据，判断管束结构在一定流速下是否出现理论涡街频率。
本方法中传感器使用前应经过水回路***调试和标定，以确定满足设计要求并根据调试结果调整传感器参数至最佳性能。
经调试和标定，本测试方法的涡街频率测试范围为6-30Hz，管间流速测试范围为0.5-2m/s。

Claims (9)

1.一种管束结构流致振动的涡街频率与管间流速测试方法，其特征在于步骤如下：
步骤一，在作为试验件的管束结构上选择若干根测试管，根据前期管束结构流体仿真结果和经验判断选择流速较大区域，进行涡街流量传感器的布局；选择管束结构出入口处和V型拐弯处作为测量点；
步骤二，在涡街频率测点处将测试管沿径向切开，将涡街流量传感器安装于测试管的切口处，涡街流量传感器的两端分别与测试管的两个切口连接；
步骤三，在测试管同一圆周截面的管壁上打三个引压孔，测试管内部的三根导压管分别与三个引压孔相连，用于测量管间流速；
步骤四，涡街流量传感器连接的毛细引压管和引压孔连接的导压管均从测试管内端部引出，所述导压管均通过接插件分别与外部的差压变送器和差压传感器连接，其中，差压变送器用于管间流速测试，差压传感器用于涡街频率获取；
步骤五，将带测试管的管束结构整体装配完成后，持续加水压测试接插件的密封性，同时连接差压变送器和差压传感器至数据采集分析仪，测试流体压力信号是否正常；
步骤六，当接插件密封效果达到预期效果，且流体压力信号测试正常后，将试验件置于测试台架上，连接水循环***，然后进行正式的流体压力信号采集工作，在不同的流速下进行管束结构流致振动试验，实时采集各导压管的流体压力，单次采集时间至少5min，每个工况重复次数至少5次；
步骤七，测试完成后，首先通过信号采集***获得管壁上引压孔的压力值，根据公式(1)、(2)计算得到管间流速，其次分析涡街流量传感器中毛细引压管的流体压力变化信号，获得管两侧旋涡脱落区压差的变化频率，即旋涡脱落频率，最后与利用公式(3)计算的理论涡街频率对比，判断流致振动试验中有无理论涡街频率出现；
其中，公式(1)为：
其中，v表示来流方向速度，P0、P1分别表示导压管P0、导压管P1的管内压力，k表示修正系数，ρ表示流体密度；
管间流速数值与与横向流速和管束排列方式有关系，对于正三角形排列管束，其管间流速公式(2)如下：
式中P表示管中心距，V0表示横向流速度，d表示测试管外径；
卡门涡街理论计算公式，见式(3)：
上式中f表示涡街频率，St为斯特劳哈尔数，与绕流物体几何结构有关，V是指管间流速，d为测试管外径。
2.根据权利要求1所述的一种管束结构流致振动的涡街频率与管间流速测试方法，其特征在于：所述涡街流量传感器需要根据测试管的管径大小进行定制，传感器外形应为与测试管径一样大小的圆柱形。
3.根据权利要求1或2所述的一种管束结构流致振动的涡街频率与管间流速测试方法，其特征在于：步骤二中，在测量点安装涡街流量传感器时，首先需将测试管的对应位置切断，然后在测试管的两个切断处分别连接安装座，通过安装座与涡街流量传感器的两端连接，以此完成涡街流量传感器的安装操作。
4.根据权利要求1所述的一种管束结构流致振动的涡街频率与管间流速测试方法，其特征在于：所述涡街流量传感器中存在若干根毛细引压管，用于压力信号的采集与分析，导压管连接完毕后均需进行密封处理，保证正式测试时压力信号的准确性。
5.根据权利要求1所述的一种管束结构流致振动的涡街频率与管间流速测试方法，其特征在于：步骤三中，所述三个引压孔位置与传感器安装位置相邻，且处于测试管同一圆周截面，中间孔正对来流方向，测试速度方向为垂直于测试管方向。
6.根据权利要求1所述的一种管束结构流致振动的涡街频率与管间流速测试方法，其特征在于：所述导压管长度为D，D的取值范围为：0<D≤2m。
7.根据权利要求1所述的一种管束结构流致振动的涡街频率与管间流速测试方法，其特征在于：步骤六中，所述工况包括以设计额定流速为100％的工况，还包括流速为20％、50％、75％、125％、150％、175％或200％的阶梯等级工况。
8.根据权利要求1所述的一种管束结构流致振动的涡街频率与管间流速测试方法，其特征在于：所述传感器使用前应经过水回路***调试和标定，以确定满足设计要求并根据调试结果调整传感器参数至最佳性能。
9.根据权利要求1所述的一种管束结构流致振动的涡街频率与管间流速测试方法，其特征在于：所述测试方法的涡街频率测试范围为6-30Hz，管间流速测试范围为0.5-2m/s。
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