涡街流量计漩涡信号的形成和特性分析

1.2 偶极流涡街流量计有很多优点，受到国内外广大用户的欢迎，广泛地应用于冶金、电力、化工、医药、环保等多个领域，是目前工业生产过程中常用的流量测量仪表之-。

涡街流量计是利用流体震动原理来进行流量测量的，在-定的条件下，漩涡发生体能产生与流量成正比的频率信号，通过对频率信号的检测可得出流量值。深入了解涡街流量计的特性，特别是对其信号产生的机理和最佳的频率检测区域进行研究，有助于我们改进仪表的设计，提高仪表的性能 l。

l 涡街流量计漩涡形成的机理利用流体力学中的理想势流的平面均匀直线流动、平面势流中的点源、点汇及偶极流，可以推出理想势流绕圆柱体的运动，从而阐述漩涡发生的机理。

1.1 平面势流中的点源、点汇流体中平面内某点向四周呈放射状流出，该点称为点源。流函数线是从原点发出的放射线，其方程为 (1)。点汇与点源相反，流体从四周汇集的点，流函数与点源-样，方向相反 。如图1所示。此时，流函数为(2)。

汇图1 点源与点汇流函数示意图74 ElC Vo1.20 201 3 NO.4点源有-点源位于 (-s，0)和-点汇位于 (s，0)，在同- 平面内，流体从点源流出散开，然后向点汇集中。当点源与点汇之向2 8无限变小-O、Q- 时，形成偶极流 。

如图2所示。设 s M，流函数方程为 ：r M、 r M、r l J l j (3)1.3 无环量绕流平面均匀直线流动和偶极流迭加成为流体对柱体的无环量绕流 。流函数方程为： y。 (4). . M流线方程为： 2 zv2 。 (5) 、，V. r， M零流线为： 0， )由此可知零流线是以坐标原点为圆心，长度为J萧 半径的圆。由于流体不能从里面或外面穿过零流线，因此可以把零流线看做固体边界，即用半径为ro的圆柱体代替零流线。流线在零流线的前驻点，分成两股，沿上下柱面流到后驻点汇合。因此，上述迭加得到的流动为理想流体绕圆柱的流动。如图3所示。

蔫 主至 丝丝三兰图3 无环量绕流示意图 器 塞旦2 流体绕柱体流动产生漩涡理想流体绕圆柱体流动时，根据速度环量保持不变汤姆逊定理，在理想有势质量力作用下 (在理想正压性流体中)，沿任何封闭流体围线的速度环量不随时间变化，即 0。由此可得出：如果静止流体从静止状态开始流动，流动中始终沿相同流体质点组成的封闭线，它的速度环量等于零。根据斯托克斯定理 ，漩涡强度由速度环量度量--沿任意封闭周线L的速度环量，等于穿过该周线所包围面积的漩涡强度的两倍。因此在有势质量力作用下的理想流体，若初始没有漩涡，漩涡不可能在流动过程中自己产生；如果流动中由于某种原因产生了漩涡 ，则必然产生- 个环量大小相等、方向相反的漩涡，保持环量为零 。

对于实际流体，由于粘度的存在，流体内部和边界层都存在摩擦阻力。当流体绕圆柱体流动时，由于摩擦阻力存在，产生了漩涡，为保持环量为零，也会产生方向相反的漩涡，形成我们所知的卡门涡列 。如图4所示。

流体绕圆柱流动时所产生的漩涡，与圆柱分离的位置随流速和粘度的改变而变化，所以，在大多数情况下，卡门涡列是不稳定的。为保证稳定的卡门涡列，通倡圆柱发生体改形为三角柱发生体，强迫漩涡分离点的位置固定，使之在-定的条件下，不再受流速和粘度的影响，形成稳定的卡门涡列。如图5所示。

L -l图4 流体过圆柱后漩涡形成示意图 图5 流体过三角柱后漩涡形成示意图3 有限封闭管道中的实际流体形成漩涡的特点综上所述，在理想状态下，无限大平面势流与偶极流迭加形成流体对柱体的绕流运动，并可在-定条件下形成卡门涡列。然而，实际状态下的流体位于有限的封闭管道内，流体内部具有粘度，与理想流体状态有很大的差别。

为了找出漩涡形成的特性，下面把管内充分发展的紊流分成三个区域，根据实际流体的特点，以理想状态漩涡形成的原理为基础 ，对圆管内实际流体漩涡的形成做进-步的分析 。

- 般说来，圆管内流体 的流动是充分发展的紊流，速度分布是不均匀的。由于流体本身具有粘性和内摩擦力，流体与管壁间存有粘性底层，在充分发展的紊流状态下，由于紊流运动中流体质点的横向脉动，使速度分布趋于均匀。雷诺数越大，流体质点相互混杂得越剧烈，其速度分布越趋于均匀。经大量实验证实，其流速分布呈对数形式。如图6所示。

由图6可知，流体过流断面上的流速分布大致可分三个区域】近管壁处有-薄层流体，由于脉动受管壁的影响，流体质点的横向脉动受到限制，在流体粘性的作用下，流速急剧下降，在管壁处速度降为零，这-区域称欢迎订阅欢迎撰稿 欢迎发布产品广告信息日经验童逾日为近壁层流层。管中心的绝大部分区域内流速分布比较均匀，称为紊流核心区↑壁层流层与紊流核心区之间存在小的过渡区域，其中存在着较大的流速梯度。

如果管道中芭-个三角柱型漩涡发生体，根据卡门涡街形成的原理，流体流过发声体后，将在发生体两侧产生交替的漩涡 ，在形成稳定的漩涡条件下，以及涡列宽度h与同列相邻的两漩涡间距L之比为0.281时，漩涡的频率f与流速成正比，测出漩涡频率就可知流速 J。

假设流体流过三角柱型漩涡发生体，形成稳定的漩涡，漩涡的频率f与流速成正比。此时。因漩涡频率与流速有紧密的关系，同流速分布的三个区域-样，流体过流断面上的漩涡频率分布也可分三个区域。如图7所示。

图6 流速分布 图7 漩涡频率分布在近壁层流层区，由于流速趋于零，漩涡频率也趋于零，传感器无检测频率输出。在过渡区内，由于流速变化的梯度很大，产生的漩涡频率变化的梯度也很大，强度由近壁层流层区的趋于零增加到紊流核心区的数值。即在过渡区内，垂直于三角柱上各不同的平面上，产生的频率值是不同的，越接近管壁，值越校在此区域内，传感器有可能检测到这-区域垂直于三角柱上不同平面上的不同频率信号，容易产生信号错位叠加，使输出不成线性。在紊流核心区，由于流速分布是均匀的，流体的流动类似于理想状态，可形成稳定的卡门涡列。此时，紊流核心区内，在垂直于三角柱上各不同的平面上，由于流速相同，所产生的漩涡频率也都是相同的。在此区域内，传感器会检测到这-区域垂直于三角柱上不同平面上相等的频率信号，即传感器检测到的是单-的频率 。

流体形成漩涡时，内部压力产生变化，传感器是利用漩涡分离时产生的横向升力这-物理特性来检测到漩涡发生的。-般情况下，涡街流量计检测频率的传感器的安装都是平行于三角柱的悬臂形式，贯穿于上述所分的三个区域。由于在三个区域内漩涡频率不同，也就是说在同-时刻，传感器各部位所受横向升力大孝速率不-样，即传感器各部位受力大猩能是不均匀的。在紊流中心区，所受力的速率是恒定的。在过渡区，所受力的速率是渐变的。这样传感器测得的信号是由其顶部紊流区正常信号迭加-列根部过渡区低频信号。低频信号经常会使正常信号发生摆动，最有可能形成涡街的低频摆动噪声。为了避免低频摆动噪声，建议将传感器藏于三角柱漩涡发生体内部，在三角柱的紊流核心区两侧开检测孔，使紊流核心区内的漩涡频率信号作用于传感器上，而过渡区域的信号被隔离，使传感器输出的信号更加优化。

4 结束语本文利用理想流体绕柱体的无环量绕流的运动，简EIC VO1.2O 201 3 No.4 75日经验窒逾日Doi：l 0.39694.issn.1 671-1 041.201 3.04。026基于数据信息安全的手持掌机的设计器 麦袁 泉 ，卢斌先(1.华北电力大学，北京 102206；2.中国电力科学研究院，北京 100192)摘要：为了解决主站和电能表之间的通信质量不稳定、数据传输的安全-I生相对较薄弱等问题，我们设计了-种用于智能电能表现场维护的具有加解密功能的手持设备。它功能完善，增加了安全单元，保证了手持设备的传输数据不被篡改、数据的机密性与完整性不被破坏，用户的身份不被冒用，适应电力用户用电信息采集系统全面高速发展的需要，具有广泛的应用前景。 关键词：手持掌机；安全单元；数据信息安全中图分类号：TM933.4 文献标志码：BThe design ofhandheld device based on data information securityYUAN Quanl'2，LU Bin-xian(1.North China Electric Power University，Beijing 102206，China；2.China Electric Power Research Institute，Beijing 100192，China)Abstract：In order to solve the unstable problem of communication quality and data transmission between power stationand energy meter，we design a portable device with the functions of encryption and decryption used the field maintenanceof intelligent electric meter.With the increased security，the data transmission iS not tampered，cOnfidentiaIitV and dataintegrity iS not destroyed.the identity information of the users iS not disabused.1t meets the need of the power systemwhich can colect the power consumption information and has the widespread application prospect。

Key wOrds：handheld device；safety unit；data information securityO 引言电力用户用 电信息采集系统已于2008年全面开展统- 建设工作，它是-种电能信息采集、处理和实时监控系统，能进行电能数据自动采集、异常计量和电能质量监测、用电分析和管理，具备相关信息发布、分布式能源监控、智能用电设备的信息交互等功能。在该系统的网络架构中，采集终端和主站之间的通信方式是GPRS无线公网，采集终端与电能表之间的通信” 方式-般是电力载波或小无线，通信方式及天气因素等势必影响主站与智能电能表之间的数据通信质量和服务响应速度。为了提高客户服务质量，迅速解决通信问题，手持设备广泛应用于该系统。

本产品对传统手持设备做了相应的改进，增加了安全单元、智能卡读写单元等，实现了手持设备与主站、电能表、采集终端通信时的数据加密/解密功能，实现了安全的设置和读取电能表参数 、对电能表进行充值和密钥更新等功能，为主站与电能表之间提供了-个可靠、安全、便捷的通信媒介。

1 手持掌机硬件的方案设计1.1 手持掌机的逻辑功能述了理想流体产生漩涡的原理，并以此为基础，分析了实际圆管内有限的非均匀流场的三个区域所形成漩涡信号的特性，得出了流量信号应是紊流区内的漩涡频率信号 ，并建议尽量使涡街流量计的传感器芭于三角柱漩涡发生体内，以便获得最佳的测量信号≮