第七章流速测量071202

第七章流速测量•测量工作介质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。•如进排气管道的流动特性、燃烧室内的气流运动对燃烧速度和燃烧质量的影响等。•测量方法：1、皮托管测速；2、热线流速仪测速；3、激光多普勒流速仪测速等。第一节皮托管测速皮托管的命名：用发明者、法国工程师HcnriPitot的名字命名。由于其主要测量对象为气体，因些又有风速管之称。•皮托管的特点：•（1）结构简单，制造使用方便，价格低廉；•（2）在一定的速度范围内可达到较高的测量精度。•地位：是热能与动力机械中最常用的传统流速测量手段。皮托管基本构造1总压探头2总压连接管3总压表接头4静压探头5静压连接管6静压表接头探头的头部尺寸：受工艺、刚度、强度和仪器惯性等因素的限制，目前最小的皮托管头部直径约为0.1~0.2mm。皮托管测速原理•利用流体总压与静压之差，即动压来测量流速，故也称动压管。•根据不可压缩流体的伯努利方程，流体参数在同一流线上有着如下关系式中，p0、p分别为流体的总压和静压；为流体密度；v为流体流速。由上式可得•可见，只要测得流体的总压和静压，或它们之差，即可计算流体的流速，这就是皮托管测速的基本原理。0221pvp)(20ppv公式修正•考虑到总压和静压的测量误差，引入皮托管的较准系数•合理地调整皮托管各部分的几何尺寸，可以使得总压、静压的测量误差接近于零。例如，图示的标准皮托管是迄今为止最完善的一种，其校准系数为1.01~1.02，且在较大的流动马赫数Ma和雷诺数Re范围内保持定值。)(20ppv•当气体流动的马赫数Ma＞0.3时，还应考虑气体的压缩性效应，些时可用下式进行流速计算•式中，为气体的压缩性修正系数，可由表查取。)1()(20ppv三、皮托管的标定•皮托管的标定可在校准风洞中进行，校准风洞有吸入式、射流式、吸入—射流复合式以及正压式等多种类型，其中最常用的是射流式风洞。射流式校准风洞的工作段是开式的，它由稳流段1和收敛器3构成，稳流段内装有整流网和整流栅格。压缩空气先通过稳流段，再通过收敛器后形成一自由射流。皮托管的标定步骤1）安装好被标定的皮托管，使皮托管的总孔轴一对冷校准风洞的轴线，然后连接好测量管路。2）合理选择标定流速的范围，记录各稳定气流流速下校准风洞的标准动压值和被标一皮托管的动压值。3）整理记录数据，或拟合成标定方程，或绘制成标定曲线，以备查用。当与之间呈线性关系时，可以直接求出皮托管的标定系数。第二节热线流速仪测速•特点：•1.几何尺寸较小；•2.热惯性较小，反应灵敏；•3.使流速的量程扩大到500m/s、脉动频率上限提高到80kHz，大大扩展了热线流速仪的应用范围；•4.便于与计算机联用，简化人工整理工作。•用途：•1、可用于微风速（如冷库和空调房内的风速）；•2、脉动速度（如内燃机燃烧室内的湍流强度和压气机的旋转失速）；•3、皮托管难以安装的场合。一、基本构造•组成：•热线流速仪由探头、测量电路、信号和数据处理系统构成。•分类：1、按结构分：为热线和热膜两种，均由电阻值随温度变化的热敏材料构成。2、按适用范围分：对分别适用于一维、平面和空间流场流速测量的探头，分别称为一元探头、二元探头和三元探头。探头常见的结构形式•热线探头：热线材料多为铂丝和钨丝。其一般的几何尺寸范围为：直径3.8~5μm，长度1~2mm。这种十分纤细的金属丝被焊在两根支杆上，通过绝缘座引出接线。为避免热线受气流沿支杆绕流的干扰，热线两端靠近支杆的部分有时涂覆合金膜，而仅留中间部分作为敏感材料。热膜探头：由熔焊在楔形或圆柱形石英骨上的铬或铂金属膜构成，其机械强度比热线探头高，可承受的电流也较大，能用于液体或带有颗粒的气流流速的测量，但其尺寸相对较大，因而响应速度不及热线探头高。二、工作原理•热线流速仪是利用通电的探头在气流中的热量散失强度与气流速度之间的关系来测量流速的。工作时，若通过热线的电流为I，热线的电阻为Rw，相应的热线温度为Tw，则热线产生的焦耳热为I2Rw。假定热线在流体中的热量散失主要靠其与流体间的强迫对流换热，而不考虑热线的导热和辐射损失，则在热平衡条件下有•式中，h为热线与被测流体之间的表面传热系数，与流体的流速、热导率、粘度等参数有关；F为热线的换热面积；Tf为被测流体的温度。)(2fwWTThFRI一般，对于与流体流动方向垂直放置的热线探头，其单位时间内散失的热量和由加热电流在其上产生的焦耳热之间的关系可表示为式中，a和b为与流体参数及探头结构有关的常数；n为与流速有关的常数。))((2fwnWTTbvaRI•由于热线的电阻与其温度是一一对应的，所以流体的流速仅仅是热线电流和热线温度（或电阻）的函数，即•或•由此可见，只要固定其中的一个变量，流速就成为另一变量的单值的函数。这样也就形成了热线流速仪的两种工作方式：恒流式和恒温（恒电阻）式。),(wTIfv),(wRIfv•（1）恒流式在热线流速仪的工作过程中保持加热电流不变（I=常数），热线的表面温度随流体流速而变化，其电阻值也随之改变。此时，测速公式可改写为•通过测定热线的电阻值就可以确定流体速度的变化。)(wRfv如图所示的恒流式测量电路中，假定热线尚未置入流场（即热线感受的流速为零）时，测量电桥处于平衡状态，即检流计指向零点，此时，电流表的读数为I0。当热线被放置到流场之中后，由于热线与流体之间的热交换，热线的温度下降，相应的电阻也随之减小，致使电桥失去平衡，检流计偏离零点。当检流计达到稳定状态后，调节与热线串联于同一桥臂上的可变电阻Ra，直至其增大量抵消热线电阻的减小量，此时，电桥重新恢复平衡，检流计回到零点，电流表也回到原来的读数I0（即电流保持不变）。通过测量Ra的改变量可以得到Rw的数值,进而根据测速公式计算出被测流速。•（2）恒温（恒电阻）式在热线流速仪工作过程中，通过调节热线两端的电压以保持热线的电阻不变，这样就可以根据电压值的变化，测出热线电流的变化，进而计算流速。此时，测速公式可改写为)(Ifv恒温式测量电路如图所示，其工作方式与前述恒流式的不同之处在于：当热线因感受流动而出现温度下降、电阻减小，致使电桥失去平衡时，调节可变电阻R，使R减小增加电桥的供电电压，增大电桥的工作电流，即加大热线的加热功率，促使热线温度回升，阻值回增，直至电桥重新恢复平衡。第三节激光多普勒流速仪测速•激光多普勒流速仪（LaserDopplerVelocimeter，简称LDV）非接触式测速方法的主要优点：•①对流场无干扰；•②输出特性的直线性相当好，不必进行标定；•③测量精度不受流体折射率以外的其他物理性能及温度、压力等参数的影响；•④空间分辨率高、无惯性，频响特性好；•⑤测速范围广，可从10－3mm/s级的低速到超音速；•⑥测量方向特性稳定；•⑦可以测量逆流现象中循环流的湍流速度成分。缺点：①测量系统比较庞大；②价格昂贵；③使用操作复杂；④必须在流动管壁上设置激光观测窗口；⑤在被测流体中加载能够充分响应流体速度的散射微粒等。一、工作原理•激光多普勒流速仪是利用激光多普勒效应进行流速测量的。当激光照射到跟随流体一起运动的微粒上时，微粒散射的光频率将偏离入射光频率，这种现象就叫激光多普勒效应，其中散射光与人射光之间的频率偏离量称作多普勒流移。多普勒频移与微粒的运动速度，即流体的流速成正比。因此，测量出多普勒频移就可以测得流体的速度。下图为利用激光多普勒效应测量流速原理示意图。图中LS为固定的激光光源•根据多普勒效应，对于固定光源LS发射的人射光，运动微粒P（相当于人射光的接受器）所接受到的光波频率为•式中，c为光速。•对于运动微粒的散射光波（频率为fp），固定接收器PD接收到的光波频率为•将两式整理后得cKvffsps11sisisKvcKKvff)(1cKvffiip1•因此，固定接收器收到的光波频率与固定激光光源发射的光波频率之间的多普勒频移为因为而微粒的速度所以上式可简化为isDfffcKvKKvcfsisi1)(iicf/cv||)(1isDKKvfsisiKvcKKvf)(•根据入射光波的方向矢量与散射光波的接受方向之间的夹角，以及速度矢量与合成矢量之间的夹角，则•将•代入上式，得••cos||||1isiDKKvf2sin2||isKKcos2sin2iDf•再将速度v在方向上的分量•代入式（7-20），得•（7-21）•或者niDf2sin2Dinf2sin2cosnisKK上式就是激光多普勒流速仪工作原理的基本表达式。可见，只要激光器发射的入射光波的波长以及入射光波方向与散射光波接收方向的夹角一定，则微粒运动速度在－定方向上的分量大小与多普勒频移呈简单的线性关系，因此测量出多普勒频移，就可以得到运动微粒在相应方向上的分量大小。这也就意味着通过改变光源与检测器的相对位置，就可以测量出微粒速度在任意方向上的分量大小。