[发明专利]基于亥姆霍兹不稳定性的流体瞬时流速测量装置及方法

说明书

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：