07第七章 流速测量.ppt

第七章第七章 流速测量流速测量概述概述n在热能与动力机械工程中，常常需要研究进、排气在热能与动力机械工程中，常常需要研究进、排气管道的流动特性等与流速测量有关的物理量；管道的流动特性等与流速测量有关的物理量；n目前常用的流速测量方法：目前常用的流速测量方法：皮托皮托管管测速速 热线流速仪测速热线流速仪测速 激光多普勒流速仪测速激光多普勒流速仪测速第一节第一节 皮托皮托管管测速速一、基本构造和测速原理一、基本构造和测速原理(一一)n皮皮托托管管是是以以其其发发明明者者、法法国国工工程程师师Hcnri Pitot的的名字命名的；名字命名的；n它是利用流体总压与静压之差，即动压来测量流它是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；速，故也称动压管；n其基本结构其基本结构：n皮皮托托管管的的特特点点是是结结构构简简单单，制制造造使使用用方方便便，价价格格低低廉廉，而而且且只只要要精精心心制制造造并并经经过过严严格格标标定定和和适适当当修修正正，即即可可在在一一定定的的速速度度范范围围内内达达到到较较高高的的测测量量精度。精度。一、基本构造和测速原理一、基本构造和测速原理(二二)n根据不可压缩流体的伯努利方程：根据不可压缩流体的伯努利方程：n则则流速可表示为：流速可表示为：n引入皮托管的校准系数引入皮托管的校准系数，则：则：n 当气体流速较高，考虑气体的压缩性效应和温度，可用下式当气体流速较高，考虑气体的压缩性效应和温度，可用下式进行流速计算：进行流速计算：二、常见皮托管的结构二、常见皮托管的结构n标准皮托管；标准皮托管；n笛形皮托管；笛形皮托管；n遮板式皮托管；遮板式皮托管；n三孔测速管。三孔测速管。三、皮托管的标定三、皮托管的标定n各种皮托管由于结构上的不同各种皮托管由于结构上的不同和制造上的差异，在制造后或和制造上的差异，在制造后或使用前都必须经过标定；使用前都必须经过标定；n皮托管的标定是在校准风洞中皮托管的标定是在校准风洞中进行的；进行的；n记录各稳定气流流速下校准风记录各稳定气流流速下校准风洞的标准动压值和被标定皮托洞的标准动压值和被标定皮托管的动压值；管的动压值；n整理记录数据，或拟合成标定整理记录数据，或拟合成标定方程，或绘制成标定曲线，以方程，或绘制成标定曲线，以备查用。备查用。第二节第二节 热线流速仪测速热线流速仪测速一、概述一、概述n热线流速仪是一种以热线流速仪是一种以热线或热膜为探头热线或热膜为探头的的流速测流速测量仪器量仪器；n热线流速仪由热线流速仪由探头、信号和数据处理系统探头、信号和数据处理系统构成；构成；n具有具有几何尺寸小及热惯性小几何尺寸小及热惯性小的优点；的优点；n可用于微风速、脉动速度以及皮托管难以安装场可用于微风速、脉动速度以及皮托管难以安装场合；合；n广泛用于广泛用于汽车内燃机进气的流量测量汽车内燃机进气的流量测量。二、探头的基本构造二、探头的基本构造n探头探头按结构分为按结构分为热线和热膜热线和热膜两种，均由电阻值随温度变化的热两种，均由电阻值随温度变化的热敏材料构成敏材料构成；n热线探头中的热线材料多为铂丝和钨丝，一般直径热线探头中的热线材料多为铂丝和钨丝，一般直径3.83.85 5mm，长度长度1 12mm2mm：n热膜探头热膜探头由熔焊在楔形或圆柱形由熔焊在楔形或圆柱形石英骨架上石英骨架上的的铬或铂金属膜铬或铂金属膜构构成，其成，其机械强度机械强度比热线探头比热线探头高高，可承受可承受的的电流电流也较也较大大；n探头常见的结构形式又可分为一元探头、二元探头和三元探头。探头常见的结构形式又可分为一元探头、二元探头和三元探头。三、工作原理三、工作原理n热线流速仪热线流速仪是利用通电的探头在气流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中的热量散失强度与气流速度之间的关系来测量流速；关系来测量流速；n在热平衡条件下：在热平衡条件下：n对于对于与流体流动方向垂直放置的热线与流体流动方向垂直放置的热线探头：探头：n由于热线的电阻由于热线的电阻 RwRw 与其温度与其温度 TwTw 是是一一对应，流体的一一对应，流体的流速流速仅仅仅仅是是热线电流和热线温度热线电流和热线温度(或电阻或电阻)的函数；的函数；n只要只要固定固定I I 和和TwTw(或或RwRw)中的一个变量，流速就成为另一变量的单中的一个变量，流速就成为另一变量的单值函数。值函数。三、工作原理恒流式三、工作原理恒流式n保持加热电流不变保持加热电流不变(I I常数常数)，热，热线的表面温度随流体流速而变化，线的表面温度随流体流速而变化，其电阻值也随之改变；其电阻值也随之改变；n假定热线尚未置入流场假定热线尚未置入流场(或流速较或流速较小小)，测量电桥处于平衡状态，即，测量电桥处于平衡状态，即检流计指向零点检流计指向零点；n当热线被放置到流场中后，热线的当热线被放置到流场中后，热线的温度和阻值温度和阻值RwRw也随之减小，电桥失也随之减小，电桥失去平衡，检流计偏离零点；去平衡，检流计偏离零点；n调节可变电阻调节可变电阻RaRa，直至其增大量抵消直至其增大量抵消RwRw的减小量，此时，电桥的减小量，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；重新恢复平衡，检流计回到零点，电流表也回到原来的读数；n通过测量通过测量RaRa的改变量可以计算出被测流速。的改变量可以计算出被测流速。三、工作原理恒温三、工作原理恒温(恒电阻恒电阻)式式n通过调节热线两端的电压以保持热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。压值的变化，测出热线电流的变化。进而计算流速；进而计算流速；n当热线因气体流动而出现温度下降、当热线因气体流动而出现温度下降、电阻减小，致使电桥失去平衡时，电阻减小，致使电桥失去平衡时，增加电桥的供电电压，促使热线温增加电桥的供电电压，促使热线温度回升，阻值回增，直至电桥重新度回升，阻值回增，直至电桥重新恢复平衡；恢复平衡；n通过测量通过测量I I 的改变量可以计算出被测流速；的改变量可以计算出被测流速；n恒流式受热线热惯性的影响，产生相位滞后等缺点，现在的热线恒流式受热线热惯性的影响，产生相位滞后等缺点，现在的热线流速仪大多采用频率特性较好的恒温式；流速仪大多采用频率特性较好的恒温式；nT Tf f 的的影响。影响。第三节第三节 激光多普勒流速仪激光多普勒流速仪一、概述一、概述n皮托管测速和热线流速仪测速都属于接触式测速方法，它们的测皮托管测速和热线流速仪测速都属于接触式测速方法，它们的测量探头不仅对流场产生干扰，而且还限制了测量的频率响应速度量探头不仅对流场产生干扰，而且还限制了测量的频率响应速度和空间分辨率；和空间分辨率；n激光多普勒流速仪属于非接触式测速，其优点有：激光多普勒流速仪属于非接触式测速，其优点有：对流场无干扰；对流场无干扰；输出特性的直线性好；输出特性的直线性好；测量精度不受除流体折射率以外的其他物理性能及参数的影响；测量精度不受除流体折射率以外的其他物理性能及参数的影响；空间分辨率高、无惯性，因而频响特性好；空间分辨率高、无惯性，因而频响特性好；测速范围广；测速范围广；测量方向特性稳定；测量方向特性稳定；可以测量逆流现象中循环流的湍流速度成分。可以测量逆流现象中循环流的湍流速度成分。二、工作原理二、工作原理n当激光照射到跟随流体一起运动当激光照射到跟随流体一起运动的微粒上时，微粒散射的散射光的微粒上时，微粒散射的散射光频率将偏离入射光频率，这种现频率将偏离入射光频率，这种现象就叫激光多普勒效应；象就叫激光多普勒效应；n其散射光与入射光之间的频率偏其散射光与入射光之间的频率偏离量称作多普勒频移，多普勒频离量称作多普勒频移，多普勒频移与微粒的运动速度，即流体的移与微粒的运动速度，即流体的流速成正比。流速成正比。n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。意方向上的分量大小。三、基本光路系统三、基本光路系统n目前常用的外差检测方法测量多普目前常用的外差检测方法测量多普勒频移；勒频移；n外差检测法的基本光路系统大致有外差检测法的基本光路系统大致有三种：三种：参考光束系统参考光束系统 单光束系统单光束系统 双光束系统双光束系统