超声波涡街风速计的研究及理论分析

论文摘要

风速的测量作为流速测量领域一个重要的部分,与人们的日常生产、生活已密不可分。古时候的中国人就利用风吹芦苇的弯曲程度以及随风飘扬的旗帜来估计风速的大小;现代科技的发展更促使其广泛地应用在航天航空、科研实验、现代农业及气象科学等重要的领域。为了满足各个领域的使用要求,科技人员开发出了种类繁多、各具特色的风速仪表。根据测量的原理,风速计可分为转轮式(风杯式与旋桨式)、热敏式、热线式、超声式、皮托管式等五大类,数十个品种。其中,利用涡街发生体(VortexGenerator)产生旋涡原理制成的涡街风速计因具备测量范围大、无活动耗损部件,便于携带等优点获得了广泛的应用。本课题的主要内容是开发一种具备新型涡街发生体的超声波风速计原型,改进在低雷诺数流场下的流体动力学性能,扩展量程下限,改进市场上现售涡街风速计测量低风速时性能不佳的弱点。本论文主要囊括了以下研究工作:1.结合国内外涡街风速计的研究现状,提出了风速计研究的重点和需要改进的方面,设计了整体的方案。2.对涡街流场的稳定性进行理论推导,详细分析了涡街发生体的重要参数——撕特劳哈尔数S_r的作用。3.为了改进传统涡街发生体在低雷诺数下的性能不佳的缺点,笔者设计了一种新型涡街发生体。并根据流体力学的基本定律,从理论上分析证明了它的优点。4.采用GAMBIT前处理软件建立涡街流场模型,利用FLUENT软件对涡街流场进行数值仿真,比较了几种不同发生体产生的涡街流场,验证了理论分析的结论。5.风速计壳体、信号处理电路的设计与制作。6.进行试验,测试超声波涡街风速计的性能并获得相关参数。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景和意义
• 1.2 涡街测速之简介
• 1.3 国内外研究现状
• 1.4 本课题来源、研究难点和主要内容
• 第二章 仪器总体设计
• 2.1 涡街风速计测量原理
• 2.2 传感器系统
• 2.3 总体方案设计
• 2.4 小结
• 第三章 流体力学分析及流场数值仿真
• 3.1 涡街流场分析
• 3.1.1 涡街形成和脱落机理
• 3.1.2 涡街稳定条件分析
• r的流体力学含义'>3.1.3 斯特劳哈尔数S_r的流体力学含义
• 3.2 涡街发生体的基本结构
• 3.2.1 涡街发生体的基本要求
• 3.2.2 涡街发生体的几种形状
• 3.3 新型涡街发生体的设计及分析
• 3.3.1 常用涡街发生体
• 3.3.2 新型涡街发生体
• 3.3.3 新型涡街发生体流体力学性能分析
• 3.4 流场数值仿真方法概述
• 3.4.1 计算流体力学概述
• 3.4.2 流体动力学基本控制方程
• 3.5 流场仿真软件FLUENT简介
• 3.5.1 程序的结构
• 3.5.2 FLUENT软件应用领域
• 3.5.3 FLUENT求解问题的方法
• 3.5.4 FLUENT求解步骤
• 3.6 涡街发生体的流场数值仿真
• 3.6.1 前处理—利用GAMBIT创建计算模型
• 3.6.2 FLUENT求解过程
• 3.7 流场仿真结果及分析
• 3.8 小结
• 第四章 仪表结构设计
• 4.1 仪表结构的技术要求
• 4.2 结构的设计
• 4.3 试验用风速计壳体外观
• 4.4 小结
• 第五章 硬件电路设计
• 5.1 超声波传感器的介绍
• 5.1.1 超声波传感器的等效电路
• 5.1.2 超声波传感器的种类
• 5.1.3 本课题传感器的选用
• 5.2 仪表电路要求
• 5.3 电路设计
• 5.3.1 激励信号发生电路
• 5.3.2 接收、放大电路
• 5.3.3 检波器
• 5.3.4 功率放大器
• 5.3.5 滤波器
• 5.3.6 整形电路
• 5.3.7 计数处理、显示部分
• 5.4 小结
• 第六章 风速计的性能试验及数据分析
• 6.1 试验意义及目的
• 6.2 试验方法与步骤
• 6.3 试验数据及结果分析
• 6.4 小结
• 第七章 总结及展望
• 符号表
• 参考文献
• 硕士期间发表的学术论文
• 致谢