第七章流速测量

StateKeyLaboratoryofEngines,TianjinUniversity热能与动力机械测试技术天津大学机械学院内燃机燃烧学国家重点实验室StateKeyLaboratoryofEngines,TianjinUniversity皮托管测速技术；热线（热膜）测速技术；激光多普勒测速技术；粒子图像测速技术。本章主要内容学习要求：☆了解皮托管测速的基本原理和方法，熟练掌握热线流速仪测速、激光多普勒流速仪测速的基本方法和工作原理。第七章流速测量StateKeyLaboratoryofEngines,TianjinUniversity流速测量一．机械法测量流速：转杯风速仪二．动压法：毕托管三.散热率法测量流速：热线风速仪，热球风速仪——可测低速StateKeyLaboratoryofEngines,TianjinUniversity补充．机械法测量流速1．种类：杯式、翼式杯式翼式适用范围：以前：风速范围为15—20m/s以内，只能测量流速的平均值，不能测量脉动流。通过机械仪表用指针指示。目前：测速范围为0.25—30m/s，并且可测量流速的瞬时值。可将叶轮的转速转换成电信号。StateKeyLaboratoryofEngines,TianjinUniversity2.测量原理空气通过转杯时，推动叶片转动。根据叶片的角位移推算流过的空气速度。StateKeyLaboratoryofEngines,TianjinUniversityStateKeyLaboratoryofEngines,TianjinUniversityAVM-03风速计风速计檔位测量范围分辨率误差M/S0.3-45.00.1±3%or0.1位KNOTS0.6-88.00.1±3%or0.1位ft/min60-880010±3%or10位Km/hr1-140.00.1±3%or0.1位温度(AVM-03)℃0-600.1±0.8温度(AVM-03)℉32-1400.1±1.5StateKeyLaboratoryofEngines,TianjinUniversity毕托管：可同时测得流体总压和静压之差的复合测压管，又称为动压管、速度探针。分别采用总压管和静压管测得流体的总压和静压，然后利用公式计算得到流体速度。第一节皮托管测速技术特点：结构简单，使用制造方便，价格便宜，坚固可靠，精度高。毕托管测量的是空间某点处的平均速度，它的头部尺寸决定了它的空间分辨率。根据所测量的流体性质，将毕托管设计成不同的形状，常用的有L形和T形。StateKeyLaboratoryofEngines,TianjinUniversity（一）基本构造和测速原理皮托管由两根同心圆管组成，内管前端敞开，管口截面垂直于流动方向并正对流体流动方向。外管前端封闭，但管侧壁在距前端一定距离处四周开有一些小孔，流体在小孔旁流过。内、外管的另一端分别与U型压差计的接口相连，并引至被测管路的管外。StateKeyLaboratoryofEngines,TianjinUniversity皮托管测速的基本原理：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2012pp式中：p0、p分别为流体的总压和静压；ρ为流体密度；v为流体速度。可得：02()pp考虑到总压和静压误差，引入皮托管校准系数ζ作适当修正：02()pp皮托管的标准系数ζ=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。StateKeyLaboratoryofEngines,TianjinUniversity当被测流体为气体，且流动的马赫数Ma＞0.3时，应考虑压缩性效应。02()(1)pp式中：ε为气体的压缩性修正系数。见表：对于可压缩气体，其绝对流速还与温度有关，一般用Ma表示气体流速：02()(1)ppMak式中：k为气体的等熵压缩（或膨胀）指数，对于空气，k=1.40StateKeyLaboratoryofEngines,TianjinUniversity锥形探头皮托管：用普通的皮托管测试时，一般要求流动的Ma小于临界Ma。对于高Ma（接近1）下的流动，为了避免在皮托管的头部附近发生脱体激波，采用锥形探头皮托管，适用于Ma达0.8-0.85范围的流速测量。皮托管在使用前必须经过严格标定。StateKeyLaboratoryofEngines,TianjinUniversityStateKeyLaboratoryofEngines,TianjinUniversity（二）二维气流速度的测量对于平面流动，可以采用三孔测速管测量其流速的大小和方向。三孔测速管主要由三孔感压探头、干管、传压管和分度盘等组成，其中探头可以做成圆柱形、球形、尖劈形等。StateKeyLaboratoryofEngines,TianjinUniversity探头的三个感压孔中，居中的一个为总压孔，两侧的孔用于探测气流方向，故也称方向孔。两个方向孔在同一平面内按90°夹角布置，总压孔则布置在两个方向孔的角平分线上。测速管探头插入气流中，通过转动干管使得两个方向孔的压力相等，此时气流方向与总压孔的轴线平行。流速的方向是根据两个方向孔的压力平衡情况来判断的，而流速的大小根据总压孔压力（p2）与方向孔压力（p1）之间的压力差进行计算的。21ppvStateKeyLaboratoryofEngines,TianjinUniversity测量空间（三维）流动速度的大小和方向及流体的压力，常用球形五孔三元测压管、管束形五孔三元测压管和楔形五孔三元测压管。StateKeyLaboratoryofEngines,TianjinUniversity（三）皮托管的标定在校正风洞中用比较法进行标定，它将被标定的仪表测得的数据与标准仪表测得的数据相比较，就可得出被标定的仪表的修正系数或特性曲线。标准风洞有吸入式、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。StateKeyLaboratoryofEngines,TianjinUniversity毕托管要标定的是毕托管的校正系数以及在不同流速时，毕托管对流动偏斜角的不灵敏性。基本步骤：（1）安装被标定皮托管，保证皮托管总压孔的轴线对准校准风洞的轴线。（2）合理选择标定流速范围，记录各稳定气流流速下校准风洞的标准动压值Δh和被标定皮托管的动压值Δh1。（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。StateKeyLaboratoryofEngines,TianjinUniversity第二节热线（热膜）测速技术散热率法测量流速的原理:是将发热的测速传感器置于被测流体中，利用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的流速。热线（热膜）测速是一种热电式测试技术，其相应的测量装置通常称为热线风速仪。•可用来测量微风（如冷库和空调房内的风速）•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）•皮托管难以安装的场合（如边界层、压气机级间）的流速。StateKeyLaboratoryofEngines,TianjinUniversity热线风速仪是利用被加热的金属丝的热量损失来测量气体流速的。StateKeyLaboratoryofEngines,TianjinUniversity（一）热线风速仪的基本构造热线风速仪由探头、信号和数据处理系统构成。探头选用热敏电阻材料，结构上分热线和热膜两种形式。另外，对分别适用于一维、平面和空间流场流速测量的探头，又分别称为一元、二元和三元探头。标准的热线探头由两根支架张紧一根短而细的金属丝组成，如图a所示。金属丝通常用铂、铑、钨等熔点高、延展性好的金属制成。热线长度一般在0.5～2毫米范围，直径在1～10微米范围。根据不同的用途，热线探头还做成双丝、三丝、斜丝及V形、X形等。有时用金属膜代替金属丝，通常在一热绝缘的基体上喷镀一层薄金属膜，称为热膜探头，如图b所示。热膜风速仪功能与热丝相似，但多用于测量液体流速。StateKeyLaboratoryofEngines,TianjinUniversityStateKeyLaboratoryofEngines,TianjinUniversityStateKeyLaboratoryofEngines,TianjinUniversity热线探头在使用前必须进行校准。静态校准是在专门的标准风洞里进行的，测量流速与输出电压之间的关系并画成标准曲线；动态校准是在已知的脉动流场中进行的，或在风速仪加热电路中加上一脉动电信号，校验热线风速仪的频率响应，若频率响应不佳可用相应的补偿线路加以改善。StateKeyLaboratoryofEngines,TianjinUniversity（二）热线风速仪的基本原理热线风速仪基本原理是将一根细的金属丝放在流体中，通电流加热金属丝，使其温度高于流体的温度，因此将金属丝称为“热线”。当流体沿垂直方向流过金属丝时，将带走金属丝的一部分热量，使金属丝温度下降。根据强迫对流热交换理论，可导出热线散失的热量Q与流体的速度v之间存在关系式2()()nwwfIRabvTT式中：Rw、I分别为热线的电阻和流过的电流强度；Tw为相应的热线温度；Tf为流体的温度，a、b为与流体和热线有关的物理常数，由试验确定；n为与流速有关的常数。StateKeyLaboratoryofEngines,TianjinUniversity考虑到热线材料的电阻温度特性，热线电阻Rw与其温度Tw是一一对应的，因此在流体温度一定的条件下，流体的流速仅仅是热线电流和热线温度的函数，即(,)wvfIT(,)wvfIR或者这样通过测量热线两端的电压，即可确定流速。它有两种工作模式：1.恒流式2.恒温式StateKeyLaboratoryofEngines,TianjinUniversity1.恒流型热线风速仪如果在热线工作过程中，人为地用一恒值电流对热线加热，由于流体对热线对流冷却，且冷却能力随着流速的增大而加强。当流速呈稳态时，则可根据热线电阻值的大小确定流体的速度。()wvfR测流速时，热线温度下降、电阻Rw下降，通过调整Ra使电桥平衡。通过测量Ra的改变量得到Rw的数值，计算出流速。StateKeyLaboratoryofEngines,TianjinUniversity2.恒温型热线风速仪如果在热线工作过程中，始终保持热线的温度不变，则可通过测得流经热线的电流值来确定流体的速度。()vfI测速时热线因为对流换热温度下降、电阻减小，调节可变电阻R增大电桥的供电电压，桥臂上的电流随之增大，热线加热功率增大，温度回升，阻值增大到电桥重新恢复平衡。根据电流和流速的函数关系式计算得到流速。StateKeyLaboratoryofEngines,TianjinUniversity恒温式比恒流式应用更广泛。恒流式因热线热惯性的影响，存在灵敏度随被测流体流动变化频率减小而降低，而且会产生相位滞后等缺点。实际应用中，由于测速公式的函数关系不易确定，通常采用试验标定曲线的方法，或把标定数据通过回归分析整理成经验公式。从热线输出的电信号，经放大、补偿和数字化后输入计算机，可提高测量精度，自动完成数据后处理过程，扩大测速功能，如同时完成瞬时值和时均值、合速度和分速度、湍流度和其他湍流参数的测量。热线式风速计与皮托管相比，具有探头体积小，对流场干扰小；响应快，能测量非定常流速；能测量很低的流速（如低达0.3米／秒）等优点。非定常流动：流体的流动状态随时间改变的流动。若流动状态不随时间而变化，则为定常流动。流体通常的流动几乎都是非定常的。StateKeyLaboratoryofEngines,TianjinUniversity热线测速仪的优点是（1）体积小，对流场干扰小；（2）适用范围广。不仅可用于气体也可用于液体，在气体的亚声速、跨声速和超声速流动中均可使用；除了测量平均速度外，还可测量脉动值和湍流量