CN1282407A

CN1282407A - 带有延展槽的流体振荡器

Info

Publication number: CN1282407A
Application number: CN98812223A
Authority: CN
Inventors: 安德鲁·J·卡弗; 伊布尼·索里芬
Original assignee: Schlumberger SA
Current assignee: Itron Soluciones de Medida Espana SA; Schlumberger SA
Priority date: 1997-10-17
Filing date: 1998-10-12
Publication date: 2001-01-31
Also published as: HUP0004903A2; CA2306923A1; DE69821965D1; FR2769957A1; JP2001521105A; US6321790B1; BR9812907A; CA2306923C; AU745657B2; PL339807A1; KR20010024516A; FR2769957B1; AU9448898A; RU2208718C2; HUP0004903A3; WO1999020905A1; EP1025366A1; EP1025366B1; DE69821965T2

Abstract

本发明涉及一种沿一纵向对称面(P)对称的流体振荡器,该振荡器包括一开口,使相对于所述对称面(P)横向振荡的二维流体流束形式的流体进入到一“振荡”室中,一阻滞体,占据了所述振荡室的主要部分并具有一个带凹腔,朝向所述开口,并被振荡中的流体扫过的前壁,振荡器的特征在于,有二个侧壁在开口二侧延展并构成振荡室内的喷嘴;该喷嘴向阻滞体方向延伸,并具有一个小于开口与阻滞体前壁间距离的纵向尺寸。

Description

带有延展槽的流体振荡器

本发明涉及一种相对一纵向对称平面P对称的流体振荡器，该振荡器具有一个开口，可使流体以相对于所述对称平面P横向振荡的二维流体流束方式进入“振荡”室，该振荡器还包括一个阻滞体(obstacle)，该阻滞体占据了所述振荡空间的主要部分并具有一个前壁，该前壁带有朝向所述开口部分的凹腔并在振荡过程中被流体流束所扫过。

流体振荡器已为人所熟知，同时文献WO 93/22627中给出了一个实例，如图1的平面图所示。

该种关于一纵向对称平面P对称的振荡器1包括一个振荡室3和一个位于室3中的阻滞体5，该阻滞体5具有一个前壁7，前壁7上形成有一个朝向开口11的“前”凹腔9。

开口11形成一个进入振荡室3的流体入口，并且它便于形成沿振荡器纵向对称平面P横向震荡的二维流体流束。

在流体震荡器的工作过程中，当流体流束在振荡中遇到并扫过凹腔时，主涡流T1，T2形成在流束的二侧，并且随流束的振荡，和相位的对置交替变化其强弱。

在图1中，涡流T1所占据的空间远大于阻滞体前凹腔占据的空间，尽管位于凹腔附近的阻滞体5的前壁7与朝向振荡室并与开口11相连的侧壁13之间存在有另一涡流T2，涡流T1的压力仍使流束偏向至一极端位置。

当流体流束处于该位置时，流束的一部分液流被自阻滞体导向下游，同时，另一部分液流用于形成涡流T2，涡流T2扩展得越来越大，其压力也一直加大，当大得足以使流束转向另一侧时，流束就变化到另一侧进入到与原先相对的另一极端位置上。

对于流束的这种由某一极端位置向另一极端位置的振荡，以及通过对流束振荡频率的探测，可以确定流体的流动速率，因为振荡频率被认为是同流动速率成正比的。

为了减小确定流体流动速率时产生的误差，振荡频率与流动速率的比值做为流体状态的函数不能变化太大。

遗憾的是，在所谓的“过渡”条件下，即当在开口11处计算出的流体的雷诺值(Reynolds′number)约为300时，申请人观察到在涡流T1所在处一侧上的流体流束的底部附近有一个高压区(涡流T3)，以及位于涡流T1和T3之下的朝向前壁的其他局部涡流，如图1所示。

这些涡流加强了涡流T1的作用，其结果是，涡流T2需要更多的时间来获得足够大的力来平衡T1和T3产生的压力，因而降低了振荡频率，并增大了确定流体流动速率时产生的误差。

本发明旨在通过提供一相对纵向对称平面P对称的流体振荡器来解决上述问题。该振荡器包括一个可使流体以相对于所述对称平面P横向振荡的二维流体流束的形式进入“振荡”室的开口，还包括一个阻滞体，该阻滞体占据了所述振荡器室大部分空间并且具有一个前壁，该前壁设置有一个凹腔朝向所述开口并且在发生振荡时有流体扫过前壁。该振荡器的特征在于：二个侧壁在开口的二侧延伸并在振荡室内形成一个喷嘴，侧壁朝阻滞体方向延展并具有一个小于开口与阻滞体前壁之间距离的纵向尺寸。

喷嘴形成一个屏障，将流体流束与位于靠近流束底部的高压区并使流束过分偏移的涡流隔开。

因此，较现有技术而言，本发明可因此使流体流束更少地受那些干扰性涡流的影响。

本发明的流体振荡器提供了一个在过渡条件下比现有流体振荡器振荡频率更高的振荡频率。

根据本发明的一个特征，侧壁大致相互平行。最好是，侧壁的纵向尺寸Le范围定为0.75b至b之间，其中b表示横向尺寸或开口的宽度。

例如，侧壁的纵向尺寸Le大致等于b。

再者，阻滞体的前壁在其凹腔的二侧具有二个基本上是平面的前表面，分别与纵向对称面部大致垂直。

还有，振荡室具有二个壁部，位于开口的二侧并且包括朝向阻滞体各前表面设置并与之大致平行的平面。

根据本发明的特征之一，凹腔由一表面界定，在流体流束的振荡平面上，首先，该表面具有二平直部分，在所述表面与各所述前表面相交处，该平直部分与纵向对称面P大致平行。其次，所述表面具有与所述平直部分相连接的半圆形部分。

最好是，距离开口最远的凹腔部距离阻滞体的前壁为一距离Lo，Lo的范围是2.2b至2.5b，其中b是开口的横向尺寸或宽度。

根据本发明的另一特征，开口与阻滞体前壁之间的距离为L，其尺寸范围在2.8b到3.2b之间，其中b代表开口横向尺寸或宽度。

根据本发明的又一特征，流体振荡器10具有至少2个传感器，用于检测流体流动中的速度和压力变化。

另外，用于检测流体流动速度变化的传感器设置在喷嘴端部附近。

通过阅读下面的说明，并结合示例与附图，可以了解本发明的其他特征和优点，其中：

图1是现有技术流体振荡器的平面图；

图2是本发明流体振荡器的平面图；

图3是图2流体振荡器的平面图，示出了当流体流束处于极端位置时主涡流T1，T2和位置；以及

图4是一图表，示出了带有喷嘴38和不带喷嘴38时图2流体振荡器的折线图。

如图2所示，以标号20总体表示2000年6月13日的流体振荡器与一气流共同作用以确定经过该振荡器的气体量与流动速率。

流体振荡器20沿一纵向对称面P对称设置，在该对称平面上有一个入口22，可使流体进入“振荡”室24。在振荡室24的中间设有一个占据了其大部分空间的阻滞体26，同时还有一个用于将气流自振荡室排出的出口28。

振荡室由相对于平面部对称并与入口和出口相连的二个侧壁30，32界定。

入口22以一个开槽的形式实现，该开槽的横向尺寸或宽度b为定值，并且其较大的尺寸或称“高度”位于与图2纸面平面相垂直的平面方向上。

开槽在纵向方向上沿展，在该纵向方向相对应的方向上，入口22和出口28通过共同构成喷嘴38的二平行侧壁34和36相对齐。这些侧壁从位于入口二侧振荡室24的各侧壁30和32分别延伸进振荡室24，并且它们是在整个高度方向上延伸的。

喷嘴使经过它的气流改变成以箭头F表示的二维流体流束(在与开槽的高度相平行的方向上，流体流束或多或少地保持一致)，流束相对于纵向对称面P横向振荡。

振荡室24的侧壁30和32同阻滞体26的侧壁共同构成了二个通道C1和C2，允许气流经一个或另一个通道交替到达流体振荡器出口28。

阻滞体26具有一个前侧壁40，再次形成有一个朝向喷嘴38的凹腔42，并且在振荡过程中，气流束会扫过该前侧壁。

阻滞体26的前侧壁40还具有二个“前”表面44和46，分别对称地位于凹腔42的二侧且为大致平面形。

这些前表面所在的平面位于与纵向对称平面P大致垂直的平面上，并与开槽22处的流体流动方向大致垂直。

振荡室24还具有两个侧壁部分30a和32a，分别对称地位于朝向前表面44和46的开槽22的两侧。

壁部30a和32a具有与前表面44和46相平行的表面。这样，在流束的二侧形成的涡流将会位于前表面44、46和壁部30a和32a的各相应表面之间的二个为空的空间内。这些涡流将会在所述表面之间以准自由方式发展。

不是非要使前表面44和46的横向尺寸或宽度Fo很大才能使所述表面实现其功能，宽度Fo取值在0.8b至1.4b的范围内，或是例如等于1.2b，就可以得到令人满意的结果。

前表面44、46与侧壁30a和32a之间的距离L一定不能太小，以便能够使空间足够大，以便涡流的发展。

如果距离L过小，例如小于2.8b，那么在层流状态下就会发生问题，因为涡流压力会增加的过快，从而导致流束过快改变。

例如，距离L可以等于3b。

在图2平面上，凹腔42提供了一表面，其外形使气体流束可以在振荡时被导入到所述凹腔中，并防止在所述凹腔中产生重复循环的现象。

在图2的平面上，凹腔的表面由二个平直部分42a，42b所界定，这二个部分与纵向对称平面P相平行，并且在凹腔开口处分别与二前表面44，46相接。

凹腔的表面还由一半圆形部分42c所界定，该部分与前述平直部分相连接，并构成了凹腔的端壁。这样，来自喷射束、在遇到凹腔表面时被分开、并被所述表面导向的流束流在与同平面P大致平行的方向上离开所述凹腔。

另外，其他形状也可以完成上述功能。

例如，表面的外形可以是抛物面形。

此外，侧壁30a和32a与前表面44，46相平行这一事实以及离开凹腔42的流体在同所述表面大致垂直的方向上通过的事实，能够在各种流体速率情况下避免给与侧壁30a和32a相遇的流体流一个与所述表面法向偏差过大的入射角。

一个距所述表面的法线方向太远的入射角具有改变位于所述二前表面之一与侧壁30a和32a的相应表面之间的涡流尺寸的作用。

还应注意到，本发明中的凹腔深度比图1中所示的现有技术流体振荡器中凹腔的深度更深，以便无论流体处于何种状态(层流，过渡，湍流)，主涡流T1均可被固定下来。这样，既使在很低的流体流速下，即雷诺数约为50时，也可以与在湍流状态下形成的涡流相同的方式在所述凹腔中形成涡流。这样即使在雷诺数约为50的条件下，也可以测量振荡频率，而这在图1中所示的现有振荡器中是不可能的。

距离开槽22最远的凹腔部分位于距前表面44，46距离为Lo的地方，所述前表面44，46位于凹腔开口所在的平面上，这里Lo取值范围是2．2b至2．5b，例如可以是Lo=2．4b。

凹腔42取值不能太深(例如取Lo=3b)，以避免强化在低流体速率下流束上方的涡流T1的作用，因为这样会大大降低所述流束的振荡频率。

凹腔42在其二个平直部分42a和42b之间的开口部处的宽度Ro的尺寸范围是3.4b至3.8b，例如可以等于3.6b。

通过利用喷嘴延长开槽22长度，当流体流束被偏移到如图3所述的位置上时，流束在被侧壁34和36的通道所导引时不会受到位于前表面46和侧壁32a相应表面之间的涡流的干扰作用。流束的底部被强化，从而使其即使是在过渡状态下也能承受这些干扰性涡流的干扰作用，并从而获得比现有技术(图1)更高的振荡频率。

另外，根据如图2和图3所示的本发明流体振荡器的结构，较现有技术而言，流束在其自由部分可以有更“猛烈”的偏转，同时可以看到；朝向前表面44，所述流束偏向侧壁30a的相应表面，因而为涡流T2的发展留下更小的空间。

这就解释了为什么可以比现有技术更快地向涡流T2提供压力，所以由T1产生的压力被更快地补充，从而使流束的改变更快。

侧壁34，36的纵向尺寸Le必须严格地小于长度L，以保证所述侧壁不与即将完全被涡流T1做占据的凹腔42靠的太近。而所述涡流T2位于前表面44和侧壁30a的表面之间的空余空间中，如图3所示。

太长的侧壁(例如Le=2b)将会阻碍涡流T1的发展并因此将会影响流束的振荡。由于流束将保持在凹腔内，涡流T2的发展将被改变，这使T2在一个被限定的空间内发展。

例如，Le尺寸可以优选为在0.75b至b的范围内。

此外，这些侧壁的存在还将流体流束的底部同回流的流体隔开，这些回流的流体会增加流束振荡频率检测中的误差。

如图2所示，喷嘴侧壁34和36在长度方向Le上相有相同的厚度，只有在其与壁部30a和32a相连接的地方是个例外，在此处，侧壁表面形成一个小的凹陷区。为了避免对主涡流T1和T2的发展形成阻碍，使侧壁占据尽可能小的空间这一点很重要。

这样，侧壁34和36可以做成非常薄的平直薄片，只要使其能引导流体流束并保护流束免受干扰即可。

上述流体振荡器的结构可以使涡流T1和T2获得一种随流体状态变化很小的形状，从而保证了测量精度。

图2中的流体振荡器可以借助安放在凹腔42中气流流束扫过的极端位置处的二个压力输出器来测量出经过该振荡器的流体流束。这些压力输出器与可对流束振荡频率进行测量的已知设备相连接。预先的校准操作可以使频率与流体流速相关。

热工传感器或超声传感器也可被用来检测流束的流速变化并因此检测流束的振荡频率。

这种传感器可以被放置在构成流体振荡器盖的顶壁(图2未视出)中位于喷嘴38与阻滞体26之间的位置上，或者是放在所述流体振荡器的底壁上(即构成图2背景的部分)。

这类传感器48，50的位置在图2中以圆圈表示。

应当注意到，在图2所在平面上，传感器48和50最好是放置在喷嘴38端部的前侧位置并相互间隔一个距离，该距离小于或等于侧壁34和36之间的距离，以便位于流束之中。

在流体流速较低的情况下，沿着侧壁34，36的内表面形成有一边界层，从而在喷嘴38出口处赋与流束一个速度梯度，该速度梯度比起图1中开口11处的流束底部获得的梯度更陡，从而使传感器检测到的信号比现有技术所测得的更强。

这样，比较现有技术而言，利用放置在喷嘴38前方的传感器48和50在较低流速上进行振荡频率测量更加容易。

此外，在流速较高时，以该方式放置的传感器可以免受在其他情况下因传感器检测到回流而造成的干扰。

图4示出了具有三种不同结构的流体振荡器的折线图：折线A表示不带喷嘴38的图2振荡器，图B和图C表示具有不同长度的喷嘴的图2振荡器，其一具有长度0．5b(折线B)，另一个具有长度0．9b(折线C)。

对于这些振荡器，开槽22的宽度b等于19mm，其他尺寸可以如上定义为宽度b的函数。

因此，振荡室内的喷嘴具有在过渡状态下提高流束振荡频率的作用，从而修正了流体振荡器的折线。

通过稍微加长喷嘴，可以相应提高这一效果，虽然如此，仍应当避免过度加长其纵向尺寸，因为在层流状态下，流束的转变频率(changeoverfrequency)有显著加大的危险。

这种流体振荡器可以同样很好地应用于气体和液体(水，交通工具燃料……)。

Claims

1．一种沿纵向对称面P对称的流体振荡器，该振荡器包括一开口(22)，使相对于所述对称面(P)横向振荡的二维流体流束形式的流体进入到一“振荡”室中，一阻滞体(26)，占据了所述振荡室的主要部分并具有一个带凹腔(42)，朝向所述开口，并被振荡中的流体扫过的前壁(40)，振荡器的特征在于，有二个侧壁(34，36)在开口(22)二侧延展并构成振荡室内的喷嘴，该喷嘴向阻滞体方向延伸，并具有一个小于开口与阻滞体前壁间距离的纵向尺寸。

2．根据权利要求1所述的流体振荡器，其中侧壁(34，36)彼此大致平行。

3．根据权利要求1或2所述的流体振荡器，其中侧壁(34，36)的纵向尺寸Le的范围是0．75b至b，其中b表示开口(22)的横向尺寸或宽度。

4．根据权利要求3所述的流体振荡器，其中，侧壁的纵向尺寸Le大致等于b。

5．根据权利要求1至4中任一所述的流体振荡器，其中阻滞体(26)的前壁(40)具有二个大致为平面的前表面(44，46)，位于所述阻滞体凹腔(42)的二侧，所述表面所在的平面与纵向对称面P大致垂直。

6．根据权利要求5所述的流体振荡器，其中，振荡室(24)具有位于开口(22)二侧，包含朝向阻滞体各前表面(44，46)并且大致平行与于二表面的二个壁部(30a，32a)。

7．根据权利要求5所述的流体振荡器，其中凹腔由这样一个表面来界定，该表面在流体流束的振荡平面上具有；首先是二个在与所述各前表面(44，46)相接处与纵向对称面P大致平行的二个平直部分(42a，42b)，其次是与所述平直部分相连接的半环形部分(42c)。

8．根据权利要求1至7中任一项所述的流体振荡器，其中，距离开口(22)最远的凹腔(42)部分位于距阻滞体(26)前壁(40)距离为Lo的地方。Lo取值范围是2．2b至2．5b，其中b是开口的横向尺寸或宽度。

9．根据权利要求1至8中任一所述的流体振荡器，其中开口(22)与阻滞体(26)的前壁(40)之间的距离L的取值范围是2．8b至3．2b，其中b表示开口的横向尺寸或宽度。

10．根据权利要求1至9中任一所述的流体振荡器，包括至少二个用于检测流体中速度或压力变化的传感器(48，50)。

11．根据权利要求10所述的流体振荡器，其中，用于检测流体流速度变化的传感器(48，50)设置在喷嘴(38)的端部附近。