流体压强、速度和流量的测量-力学基础实验课件-中国科技大学-08

第8章流体压强、速度和流量的测量§8.1流体压强的测量§8.2流体速度的测量§8.3流量测量实验室负责教师：王奎老师联系电话：3607646（L）地点：力四楼四层流体力学实验室§8.1流体压强的测量1什么是流体的压强2静压探头3表面测压4总压探头5压力计6动态压力测量7多点压力测量8真空测量垂直作用在单位面积上的力称压强。在国际单位制（SI）和我国法定计量单位中，压强的单位是“帕斯卡”，简称“帕”，符号为“Pa”。即1N的力垂直均匀作用在1m2的面积上所形成的压强值为1Pa。21222kgm1Pa1N/m11kgmsms1什么是流体的压强（pressure）过去采用的压力单位“工程大气压力”（kgf/cm2）、“毫米汞柱”（mmHg）、“毫米水柱”（mmH2O）、“标准大气压”（atm）、“巴”（bar）、“psi”等均应改成法定计量单位帕。1kgf/cm2=0.9807×105Pa1mmH2O=0.9807×10Pa1mmHg=1.332×102Pa1atm=1.01325×105Pa1bar=105Pa1psi=6.89×103Pa压强的单位▲英寸水柱（inH2O）※压力单位的英寸水柱符号为inH2O不要书写为inh2O;▲千克力/厘米2（kgf/cm2）※压力单位的千克力/厘米2符号为kgf/cm2不要书写为Kgf/cm2;▲物理大气压（atm）※压力单位的物理大气压符号为atm不要书写为Atm;▲巴（bar）;毫巴（mbar）※压力单位的巴和毫巴符号为bar和mbar不要书写为Bar和mBar;▲托（Torr）※压力单位的托符号为Torr不要书写为torr.▲兆帕（MPa）;千帕（kPa）;帕（Pa）※压力单位的兆帕符号为MPa不要书写为Mpampa;千帕符号kPa不要书写为KPaKpa或kpa;帕的符号Pa不要书写为pa▲磅力/英寸2（lbf/in2,psi）※压力单位的磅力/英寸2符号为lbf/in2,psi不要书写为Ibf/ln2Psi;▲毫米汞柱（mmHg）※压力单位的毫米汞柱符号为mmHg不要书写为mmhg;▲英寸汞柱（inHg）※压力单位的英寸汞柱符号为inHg不要书写为inhg;▲毫米水柱（mmH2O）※压力单位的毫米水柱符号为mmH2O不要书写为mmh2O;常用压力计量单位及其标识符号特别说明本课程中讲解涉及测量技术一般限于低速流动。1）绝对压力：以绝对真空为基准的压力表达，又称总压力或全压力，常用P表示。2）大气压力：地球表面的空气柱重量所产生的压力表达，常用Pa表示3）表压力（又称表压）：一般测压仪表所指示的压力常以p表示，当绝对压力大于大气压力时，它等于绝对压力减大气压力之差。即：在被测介质的绝对压力大于大气压力时，表压＝绝对压力－大气压力4）负压或真空度：即在被测介质的绝对压力低于大气压力时的一种压力表达。压力的几种表示方法在被测介质的绝对压力低于大气压力时：真空度（接近真空的程度）＝大气压力－绝对压力即真空度等于大气压力与绝对压力之差（前提是被测的绝对压力低于大气压力）。在压力测量中，以上所说到的表压、绝对压力、大气压力和真空度都是经常用到的表达方式，它们之间的相互关系可用下图表示：（大气压力也可能不恰为1个atm）。表压、绝对压力、真空度、大气压力间的关系大气压力线被测压力1绝对压力的零线P绝对p负压或真空度p表压Pa)P0（被测压力0静止流体运动流体静压(Staticpressure)总压(Totalpressure)滞止压力、驻点压力（Stagnationpressure）动压(Dynamicpressure)表面压(Surfacepressure)压强作为流体运动状态参数的描述运动流体的静压-----流场中某点的静压是指该点三个主方向上法向应力的平均值。在静止流体中测量的都是静压。总压-----指运动流体等熵滞止下来，速度为零时的压强。又称滞止压力、驻点压力。一维、定常、不可压、伯努利方程动压表面压-----流体作用于表面的压强2012pVp212qV以压强(静态)为关键参数的设备装置或结构高压容器（管道）水立方充气结构拱门飞艇系留气球（部分动态）近空间飞行器浮空器（M≈0,静态为主）低速大展弦比（M1,低动态）高超声速（M5,高动态）以压强(动态、速度)为关键参数的设备装置或结构主要原因：火箭：推力自重飞机：推力≈0.2自重新一代高超：吸气式推进航空的代价，航天的速度航天（火箭）航空（飞机）代价：航天器（火箭）20000$/Kg,航空200$/kg自带氧利用空气中的氧以压强(动态、非定常)为关键参数的生物运动以压强(动态、非定常)为关键参数的生物运动举例2－大（巨）型工具、装置的研制实物实验：代价高、危险性大或不允许模型实验：廉价、高效、形成设计理论；替代或显著减少实际试验；新发现或拓宽应用范围问题：如何保证模拟的正确性？运动流体的静压-----流场中某点的静压是指该点三个主方向上法向应力的平均值。在静止流体中测量的都是静压。总压-----指运动流体等熵滞止下来，速度为零时的压强。又称滞止压力、驻点压力。一维、定常、不可压、伯努利方程动压表面压-----流体作用于表面的压强2012pVp212qV2静压探头•如何才能测量到流体静压？•原则上说不可能测量到流体静压。XsXhD静压探头（低速）Xh：3-8D,Xs：8-15Dd/D=0.1-0.2用于测量低速流动081624320-2-424XXh/DXs/D2416802%/2ppV楔型探针用于测量超声速流动静压探头（超声速）锥型探针3表面测压R=1/4dR=1/4dR=d820820R=1/4d300450450300+0.2%-0.8%-0.5%+1.1%+0.3%+0.4%0%-0.1%-0.1%-0.3%4总压探头V2012pVpP0U总压？驻点压力？笛形皮托管为了测量尺寸较大的管道内的平均流速，常常采用笛形皮托管，将一根或数根钢管或铜管垂直插入被测的管道内，笛形管上按等面积原则布置了若干个小孔，小孔正对来流方向，并在笛形管的两端通过连通管连接起来，测量孔内感受的总压自动取平均值获得被测管道内的总压，而静压孔则就开在被测管道的壁面上，与笛形管一起构成了笛形皮托管，由于各测量小孔内的总压自动取平均值，所以又称它为积分管。用于超声速气流ptp0M1总压排管(总压分布)总压损失1121121210)1112(])1(2)1([MMMPPtP0M5压力计一次仪表和二次仪表传感器或探头放大器、显示器或压力计管道测压仪表的分类测压仪表液柱式压力计依据重力与被测压力平衡的原理制成的，可将被测压力转换为液柱的高度差进行测量U型管压力计、单管压力计以及倾斜压力计弹性式压力计依据弹性力与被测压力平衡的原理制成，弹性元件变形的多少反映了被测压力的大小。弹簧管压力计、波纹管压力计以及膜盒式压力计电测式压力计利用一些物质与压力有关的物理性质进行测压。电阻应变片式、电容式、压电式、电感式、霍尔式活塞式压力计根据水压机液体传送压力的原理，将被测压力转换成活塞面积上所加平衡砝码的质量。它普遍地被作为标准仪器用来校验或刻度弹性式压力计。（1）液柱式压力计液柱式测压仪表是根据流体静力学原理，利用液柱所产生的压力与被测压力平衡，并根据液柱高度来确定被测压力大小的压力计。所用液体叫作封液，常用的有水、酒精、水银等。液柱式压力计多用于测量低压、负压和压力差。常用的液注式压力计有U型管压力计、单管压力计和斜管微压计。U型管压力计p1、p2与封液液柱高度h间有如下关系)()(12121gHghpp式中：ρ1、ρ2、ρ分别为左右两侧介质及封液密度；H为右侧介质高度；g为重力加速度。若ρ1=ρ2且远远小于ρ时，上式变为：ghpp21当U型管内封液密度一定并已知时，液柱高度差反映了压力的大小。这就是液柱式压力计测量压力的基本工作原理。单管压力计其两侧压力差为212121)/1)((hFFgppp若F1F2，且ρρ1，则221hgpp贝兹（Bates）微压计1-毛玻璃片；2-目镜；5-宽断面容器；4-浮子；5、8-压力接头；6-升管；7-软管；9-玻璃刻度；10-测量液体；11-投影装置；12-灯泡在大容器的中部插有一根升管，被测压力接到容器的软管上（若测压差，则低压端接到升管上端的压力接头）。当容器的压力高于环境大气压时，升管中的液面上升，在升管中的浮子也随之上升。浮子的下端挂有玻璃刻度板，投影仪将刻度的一段放大约20倍后显示在具有游标的毛玻璃上。相邻两刻线相差为1mm，用游标尺读数的方法可精确读出1Pa的压力。倾斜压力计斜管微压计两侧压力p1、p2和液柱长度l的关系可表示为sin21lgpp斜管压力计的刻度比U型管压力计的刻度放大了1/sinα倍。若采用酒精作为封液，则更便于测量微压，一般这种斜管压力计适于测量2～2000Pa范围的压力。测量范围:0-500,750,1000,1500,2000(Pa)精度:1.0级液体介质:(20℃时)密度为810kg/m3的酒精重量:5kg外形尺寸:330*175*200液柱式压力计的测量误差及其修正环境温度变化的影响环境温度偏离规定温度20°C后，封液密度改变对压力计读数影响的修正公式为式中：h20为20°C时封液液柱高度；h为t°C时封液液柱高度；β为封液的体膨胀系数；t为测量时的实际温度。)20(120thh液柱式压力计的测量误差及其修正重力加速度变化的修正仪器使用地点的重力加速度gφ由下式计算式中：H,φ为使用地点海拔高度（m）和纬度(°)；gN为9.80665m/s2，标准重力加速度；R为6356766m，地球的公称半径。式中：hN为标准地点封液液柱高度；hφ为测量地点封液液柱高度。)/21()2cos(00265.01RHggNnNgghh/液柱式压力计的测量误差及其修正毛细现象造成的误差毛细现象使封液表面形成弯月面，这不仅会引起读数误差，而且会引起液柱的升高或降低。这种误差与封液的表面张力、管径、管内壁的洁净度等因素有关，难以精确得到。实际应用时，常常通过加大管径来减少毛细现象的影响。当封液为酒精时，管子内径d≥3mm；水、水银作封液，d≥8mm。此外液柱式压力计还存在刻度、读数、安装等方面的误差。读数时，眼睛应与封液弯月面的最高点或最低点持平，并沿切线方向读数。U型管压力计和单管压力计都要求垂直安装，否则将带来较大误差。水银读数读数水（2）弹性式压力计弹性式压力计是以各种形式的弹性元件受压后产生的弹性变形作为测量的基础。常用的弹性元件有弹簧管、膜片和波纹管，相应的有弹簧管压力计、膜式压力计和波纹管式压差计。弹簧管压力计弹簧管是弹簧管压力计的主要测压元件。弹簧管的横截面呈椭圆形或扁圆形，是一根空心的金属管，其一端封闭为自由端，另一端固定在仪表的外壳上，并与被测介质相通的管接头连接，当具有压力的介质进入管的内腔后，由于弹簧管的横截面是椭圆形或扁圆形的。所以在压力的作用下它会发生变形。短轴方向的内表面积比长轴方向的大，因而受力也大，当管内压力比管外大时，短轴要变长些，长轴要变短些，管子截面趋于更圆，产生弹性变形。使弯成圆弧状的弹簧管向外伸张，在自由端产生位移。此位移经杆系和齿轮机构带动指针，指出相应的压力值。膜式压力计膜式压力计分为膜片压力计和膜盒压力计两种。前者主要用于测量腐蚀性介质或非凝固、非结晶的粘性介质的压力；后者常用于测量气体的微压或负压。它们的敏感元件分别是膜片和膜盒。膜片压力计膜片压力计的膜片可分为弹性膜片和挠性膜片两种。膜片呈圆形，一般由金属制成，常用的弹性波纹膜片是一种压有环状同心波纹的圆形薄片，它的四周被固定起来。通入压力后，膜片将向压力低的一面弯曲，其中心产生一定的位移（即挠度），通过传动机构带动指针转动，指示出被测压力。（a）弹性膜片（b）挠性膜片膜盒压力计为了增大膜片