热工测量第5章流速测量
- 格式：pptx
- 大小：932.90 KB
- 文档页数：54
下载文档原格式
合集下载
流体力学中的流体流速测量
流体力学中的流体流速测量流体力学是研究流体运动规律和性质的学科，涉及到流体的流速测量也是其中重要的内容之一。
流体流速测量的准确性和可靠性对于许多领域都至关重要，例如航空航天、能源、环境工程等。
本文将介绍几种常见的流体流速测量方法及其原理。
流体流速的测量可以基于不同的物理现象，下面将分别介绍以下三种常见方法：流管法、热膜法和超声波法。
一、流管法流管法是一种常用的流体流速测量方法，其基本原理是根据流体通过管道时的压力变化来计算流速。
具体操作过程是将待测流体通过一段已知长度和截面积的管道，进入一段较宽的容器，形成不同截面积的两端，称为流管。
通过测量流管两端的压力差，可以计算出流体的流速。
二、热膜法热膜法是通过在流体中加热膜元件来测量流速的一种方法。
其原理是利用热量传递的规律来推算流体的流速。
热膜法适用于流速较小或者粘性较大的流体，例如液体。
在实际应用中，会在流体中插入一个加热器，通过测量加热器上的温度变化，可以得到流体流速的信息。
三、超声波法超声波法是一种基于超声波技术的流体流速测量方法。
它采用超声波在流体中传播的速度与流体流速之间的关系，通过超声波传感器和接收器之间的时间差来计算流速。
超声波法适用于不同介质的流体测量，如气体、液体等。
它具有测量范围广、测量精度高等优点。
总结：流体力学中的流体流速测量是一项重要的技术，涉及到多种测量方法。
本文简要介绍了流管法、热膜法和超声波法这三种常见的流速测量方法及其原理。
通过选择合适的测量方法，可以准确地获取流体流速的信息，为相关领域的工程和研究提供有价值的数据。
在未来的发展中，相信会有更多更先进的流体流速测量方法被提出并应用于实际生产和科学研究中。
流速测量原理与公式
流速测量原理与公式1.引言流速是指单位时间内流体通过某一特定截面的体积，是流体力学中的一个重要参数。
流速的测量对于许多工程和科学领域都至关重要，例如水力学、气象学和环境工程等。
本文介绍了流速测量的基本原理和常用的测量方法。
2. 流速测量原理流速测量的基本原理是利用流体通过单位时间内通过截面的体积来确定流速。
根据流体力学基本方程，流速可以通过测量截面上的压力差或涡旋流的旋转速度来得到。
2.1 压力差法压力差法是一种常用的测量流速的方法。
该方法基于伯努利方程，通过测量流体在两个不同截面处的压力差和流道几何参数，可以计算出流速。
其中，流道几何参数包括截面面积和长度等。
2.2 涡旋流法涡旋流法是另一种常用的测量流速的方法。
该方法利用流体在涡旋流装置中的旋转速度来反映流速。
通过测量涡旋流的旋转速度和装置的几何参数，可以计算出流速。
3. 流速测量公式根据上述原理，可以得到一些常用的流速测量公式。
以下是两种常见的测量方法对应的公式：3.1 压力差法公式流速（V）可以通过以下公式计算：V = (2*(P1 - P2) / (ρ * A))^0.5其中，P1和P2分别为两个截面处的压力，ρ为流体的密度，A 为截面的面积。
3.2 涡旋流法公式涡旋流法可以通过测量旋转速度（ω）来计算流速（V）。
涡旋流法的计算公式如下：V = k * D * ω其中，k为修正系数，D为涡旋流装置的直径，ω为涡旋流的旋转速度。
4. 结论流速测量是一种重要的工程和科学任务，可以通过压力差法和涡旋流法等方法来实现。
通过测量截面处的压力差或涡旋流的旋转速度，并结合相应的测量公式，可以准确计算出流速。
流速
临界点 滞止压力是指在没有外力的作用下，流 体速度绝热地减速到零时所产生的压力， 此时，流体的全部动能全部绝热地转变 成压力能。 总压与静压之差称为动压
应用动力测压法测量流速的压力感受元 件为测压管 伯努利方程式
udu +
dp
ρ
= 0
u p1 u p2 + = &
二、散热率法测量流速
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。 卡他温度计
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。
Q = QR = Q α F (Tw − T f ) QR = I Rw
测量被绕流体表面上某点的压力或流道 壁面上流体的压力 这时可利用在通道壁面或绕流物体表面 开静压孔的方法进行测量。
2. 毕托管
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。 缺点：不能同时测得某一点的流体的总 压和静压。 可同时测得流体总压和静压之差的复合 测压管称为毕托管（动压管、速度探针）
在实际测量电路中，测量的不是流经电路 的电流，而是惠斯顿电桥的桥顶电压。 克英公式：E2=A+Bun
三、动力测压法测量流速
在静止气体中，由于不存在切向力，故 这个力与所取面积的方向无关，称为静 压力。 对于运动流体而言，静压可用垂直于流 体运动方向单位面积上的作用力来衡量。 总压力是指流体在某点速度等熵滞止到 零时所达到的压力。
Rw =
( a '+ b ' u ) − I
物理实验技术中的流速测量方法与技巧
物理实验技术中的流速测量方法与技巧引言：在物理实验中，流体的流速是一个重要的参数，它对于研究流体运动和流量的特性至关重要。
本文将介绍几种常用的流速测量方法与技巧，帮助读者了解流体的运动规律和实验操作。
一、流速测量方法之涡轮流量计涡轮流量计是一种常见的流速测量设备。
它利用涡轮在流体中旋转产生的频率与流速成正比的原理进行测量。
在实验中，将涡轮流量计放置在流体管道内，通过固定的转子叶片与流体发生转动摩擦，从而测量流速。
使用涡轮流量计时，需要注意选择适合流量范围的设备，以确保测量精度。
二、流速测量方法之风速计风速计主要用于气体流速的测量。
它采用热线或热膜测温原理，通过测量气体流经探头时温度的变化来计算流速。
风速计在实验中的应用非常广泛，例如测量风速、气体排放速度等。
测量时要注意探头与气体流动方向垂直，并做好温度补偿以提高测量精度。
三、流速测量方法之皮托管皮托管是一种常见且精确的流速测量仪器。
它利用流体速度与静压差的关系进行测量。
皮托管由一个通入流体的长导管和一个短导管组成。
通过测量长导管与短导管中的压力差，可以计算出流体的速度。
使用皮托管时，需要选择合适的导管长度和直径，以确保测量结果的准确性。
四、流速测量技巧之数据处理在进行流速实验时，良好的数据处理技巧是至关重要的。
首先，要保证实验中的数据采集准确可靠。
其次，在数据处理过程中，需要进行数据分析和统计，以去除异常值和噪音干扰，确保测量结果的准确性。
最后，还需要对数据进行合理的图表展示，以便清晰地观察和解读测量结果。
五、流速测量技巧之实验操作在进行流速测量时，合理的实验操作是非常关键的。
首先，要充分了解所使用仪器的操作原理和使用方法，并保证其正常工作状态。
其次，在操作过程中，要注意保持实验环境的稳定和恒定，避免外界因素对测量结果的影响。
最后，要保证实验的重复性，进行多次测量并取平均值，以提高测量的准确性。
六、流速测量技巧之误差分析在进行流速测量时，误差是无法避免的。
流速测量
流速测量测压管与测速技术热线热膜风速仪激光多普勒测速技术粒子图像测速技术6.0 概述气流速度是热力机械中工质运动状态的重要参数之一。
速度是矢量，它具有大小和方向。
测量气流速度的很多，但在热能动力方面，目前世界上最常用的方法还是空气动力测压法，其典型仪器就是各种测压管。
按用途，测压管可分为总压管、静压管、动压管、方向管和复合管。
伯努利方程是最基本的方程。
伯努利方程对同一条流线有效，只有在进口均匀的流场中才对整个流场有效6.1 测压管与测速技术气流速度测量平面气流测量空间气流测量6.1.1 气流速度测量气体流速低，不考虑其可压缩性；气体流速高，需要考虑可压缩性。
式中ε为气体的压缩性修正系数，它表示了气体的压缩效应的影响。
1．L型动压管(皮托管)考虑气体的压缩效应，有皮托管的结构2. T型动压管总压和静压分别由管口迎着气流方向和背着气流方向的管子引出。
优点：结构简单，制造容易，横截面积小；缺点：不敏感偏流角小，轴向尺寸大，不适于在轴向上速度变化较大的场合应用。
3. 笛型动压管主要用于测量大尺寸流道内的平均动压，以得到平均流速。
按一·定规律开孔的笛形管垂直安装在流道内，小孔迎着气流方向，得到气流的平均总压。
静压孔开在流道壁面上，与笛形管一起组成了笛形动压管。
在保证刚度的前提下，笛形管的直径d要尽量小，常取d/D＝0.04~0.09。
总压孔的总面积一般不应超过笛形管内截面的30％。
6.1.2 平面气流测量平面气流的测量包括气流方向的测量和气流速率的测量。
测量气流速度的依据是不可压缩理想流体对某些规则形状物体的绕流规律。
常用的测压管有二元复合测压管和方向管。
为了准测出气流的方向，要求方向管或复合管对气流方向的变化尽量敏感，这恰恰与总压管、静压管的要求相反。
常见类型1. 圆柱三孔型复合测压管圆柱体上沿径向钻三个小孔，中间的总压孔的压力由圆柱体的内腔引出，两侧方向孔的压力由焊接在孔上的针管引出。
结构简单．制造容易，使用方便，应用广泛。
第五章 流速测量
图5-6 单光束系统光路示意图 LS—激光器 P—运动的微粒 L—透镜 S—分光镜 M─反射镜 PD—光电检测器
按下式计算流体速度
λ ( f0 − f υ = θ
2 sin 2
)
式中 v--被测流体速度 m/s λ--等于c/ƒ0，c为光速，c=3×108m/s ƒ0--入射激光频率 Hz ƒ--散射光频率 Hz θ--夹统光路示意图） 图5-5 参考光束系统光路示意图（双光束系统光路示意图） LS—激光器 S—分光镜 M─反射镜 L1、L2—透镜 P—运动的微粒 激光器 分光镜 反射镜 、 透镜 运动的微粒 N—光闸 PD—光电检测器 光闸 光电检测器
下图为单光束系统光路图
图5-1 毕托管流速测量示意图
2 ρυ 一般称P0为总压力（全压），P为静压力， 2 为动压 力。即动压力为总压力与静压力之差。由上式可导出 流速的计算式： 2
2
P+
ρυ 2
= P0
υ=
ρ
( P0 − P )
修正计算式
υ = Kp
2
ρ
( P0 − P )
式中 Kp--毕托管速度校正系数。S形毕托管Kp=0.83～0.87， 标准毕托管Kp=0.96左右
图 常用热线探头 a) 一元热线探头 b) 热膜探头 c) 三元热线探头
平均流速计算式 因为
P ρ= RT
被测气体的绝对静压力 被测气体的绝对温度 被测气体的气体常数
被测气体的密度
υ = Kp
RT (P0 − P) = Kp 2 (P0 − P) ρ P
2
管道内平均流速为各测点的平均值
υ == K p
RT 1 2 ⋅ P N
n
∑
i =1
热工测量仪表——流体流量的测量方法共109页PPT
圆筒形喉部长度为0.3d，其直径就是节流件开孔直径d。d值应是不 少于8个单测值的算术平均值，其中4个在圆筒喉部的始端测得， 另4个在其终端测得，并且是大致相距45度的位置上测得的。要 求任何一个单测值与平均值的差值不得超过±0.05%。各段型线 之间必须相切，不得有不光滑部分。
当β>2/3时，由于此时1.5d已大于管道直径D，必须将喷嘴上游端面 切去一部分△L，使上游进口部分最大值径与管道内径相等，以 便夹持，应切去的长度为:
L[0.2(0.7 50.22 50.5
1
2)22]d5
标准节流装置应根据我国《流量测量、制造、安装和使用。我
国的标准和国际标准（ISO/R541）
基本一致。
1993 年发布了国标GB/T2624——
图7-3 整套节流装置示意 1—上游侧第二个局部阻力件；
93流量测量节流装置：用孔板、喷 2—上游侧第一个局部阻力件；3—节
（3）孔板进口边缘应是严格直角，不能有 毛刺和可见的反光，即进口边缘应很 尖锐，边缘半径不大于0.0004d。所谓 薄壁是指孔板厚度E和圆筒形厚度e不 能过大。
图7-4 标准孔板 E=0.02～0.05D， e=0.005～0.02D
标准孔板制造安装的其他要求
1)在各处测得的E值之间的最大差值和各处测得的e值之间的最大差值均 不得超过0.001D
7.2 节流式流量计
在管道内装入节流件，流体流过节流件时流束 收缩，于是在节流件前后产生差压，对于一 定形状和尺寸的节流件，一定的测压位置和 前后直管段情况，一定参数的流体，和其他 条件下，节流件前后产生的差压值随流量而 变，两者之间并有确定的关系。因此可通过 测量差压来测量流量。
节流变压降流量计的显示仪表就是差压计，只 是差压的标尺是按求得的流量与差压间的关 系，以流量值刻度的。
当β>2/3时，由于此时1.5d已大于管道直径D，必须将喷嘴上游端面 切去一部分△L，使上游进口部分最大值径与管道内径相等，以 便夹持，应切去的长度为:
L[0.2(0.7 50.22 50.5
1
2)22]d5
标准节流装置应根据我国《流量测量、制造、安装和使用。我
国的标准和国际标准（ISO/R541）
基本一致。
1993 年发布了国标GB/T2624——
图7-3 整套节流装置示意 1—上游侧第二个局部阻力件；
93流量测量节流装置：用孔板、喷 2—上游侧第一个局部阻力件；3—节
（3）孔板进口边缘应是严格直角，不能有 毛刺和可见的反光，即进口边缘应很 尖锐，边缘半径不大于0.0004d。所谓 薄壁是指孔板厚度E和圆筒形厚度e不 能过大。
图7-4 标准孔板 E=0.02～0.05D， e=0.005～0.02D
标准孔板制造安装的其他要求
1)在各处测得的E值之间的最大差值和各处测得的e值之间的最大差值均 不得超过0.001D
7.2 节流式流量计
在管道内装入节流件，流体流过节流件时流束 收缩，于是在节流件前后产生差压，对于一 定形状和尺寸的节流件，一定的测压位置和 前后直管段情况，一定参数的流体，和其他 条件下，节流件前后产生的差压值随流量而 变，两者之间并有确定的关系。因此可通过 测量差压来测量流量。
节流变压降流量计的显示仪表就是差压计，只 是差压的标尺是按求得的流量与差压间的关 系，以流量值刻度的。
第五章流速测量
• 热线温度高低变化，电阻值随之发生变化
• 气体流过发热体时，会带走部分热量，发热体降温 ；气流带走热量多少与风速大小有关系
• 可根据热线的电阻大小来确定气流速度值
2. 实际测量
v f (I , Rw )
• 热线阻值变化，电桥输出电压变化，气体流速可 确定；
• 电压变化与气体流速大小的关系在标准风洞中标 定。
R0[1 Tw Tf ] a ' aF
d
b Fd n1
b' vn
26
1
v
I
2
R0
1
Tw
T0
a,
(Tw
Tf
)
n
b, Tw Tf
1
v
I
2 R0
1
Tw Tf
Tf
T0
a,
(Tw
Tf
)
n
b, Tw Tf
27
四 热线风速仪的种类
1.恒温(恒电阻)式热线风速仪
气体速度变化
n
ln
U12
U
2 2
U
2 0
U
2 0
ln v1
v2
如果把温度效应加以分离，则可改写成：
U 2 (T2 T0 )( A Bvn )
其中，A、B与温度的关系很小。这个表示式通常作为自动 温度补偿分析的基础。
Davies和Patrik建议使用扩展了的KING公式：
U 2 A B v cv
这个表达公式的速度灵敏度非常接近动态校准所得到的结果。 后来又有人提出了分段拟合的表达公式：
用马赫数Ma表示可压缩气体流速：p*'、p'分别为动压管总压和静压的 读数；a为声速；ξ为动压管的校准系数
05速度测试技术(热工测试技术)
C、当热线置于速度U未知的流场中，若U↑则Tw↓Rw↓导致热线 V↓，记录该V值，在标定曲线上则可查得V值对应的U值（调节 R使A保持不变，维持恒流）。 D、记录不同的电压V值，则可得到不同的速度U值。
V伏 铂丝 L=10mm d=0.127mm Iw=0.118A
恒流型热线风 速仪校正曲线
2.0
K j e / u j B / Ae 1 M cc j
幅频特性：
e/u
*
K 1 ( M cc )
1
2
相频特性：
tg ( M cc )
分析恒流型热线的动态响应特性，由于热线的热惯性造成测量 的动态误差。反映在输出的电信号上振幅衰减、相位滞后 。 例：一恒流式热线，钨丝
Iw=常数
脉动速度 U 热线
e=Iwrw 脉动电压
rw
脉动电阻
②方程的测量意义
热线的动态方程为一阶惯性环节；
一阶环节的动态特性参数为时间常数Mcc。 ③方程的动态响应特性
当输入量为一正弦脉动速度，热线风速仪输出为一正弦脉动电压：
u( ) u * sin t
用频率型传递函数表示：
K j t e( t ) u * e 1 jM cc
为了从理论上建立总压和静压之差与流速的关系，我们先考虑理想 情况，即忽略流体的粘性、压缩性，并假设流动是不随时间变化的 定常流动。由流体力学可知，毕托管顶端的 M点和下游的 N 点是同 一流线上的两点，因此，根据理想不可压缩流体的伯努利 （D.Bernoulli）方程有以下关系式 2 Po U P
BR 2( R f
2 f
2 / f Iw 3/ 2
fI
2 w
1 )2 U 2
流体流动速度测量
流体流动速度测量1. 引言流体流动速度的测量在科学研究和工程应用中具有重要意义。
流体的速度是指流体中质点在单位时间内通过某一截面的位移量，是流体动力学中的重要参数之一。
流体流动速度的准确测量可以帮助我们深入了解流体运动特性，为相关领域的设计和工程提供重要依据。
本文将介绍一些常用的流体流动速度测量方法及其原理，包括瞬时速度测量、平均速度测量和流速剖面测量。
2. 瞬时速度测量瞬时速度测量是指对流体在某一时刻的流动速度进行准确测量。
常用的瞬时速度测量方法有以下几种：2.1 流体力学方法流体力学方法是最常用的瞬时速度测量方法之一。
通过在流体中放置一根细长的测量探针，可以测量探针所受到的流体阻力，并由此计算出流体的速度。
常用的流体力学方法包括细管测速法、流速计和压力差法。
2.2 光学方法光学方法利用光的传播速度和干涉现象来测量流体的瞬时速度。
常见的光学方法包括激光多普勒测速法和激光干涉测速法。
激光多普勒测速法通过测量流体中散射的激光的频率变化来计算流体速度。
激光干涉测速法则是利用光的干涉现象，通过测量干涉图案的变化来计算流体速度。
2.3 声学方法声学方法是利用声波在流体中传播的时间来测量流体速度的方法。
常见的声学方法包括超声多普勒测速法和声速仪。
超声多普勒测速法通过测量流体中散射的超声波的频率变化来计算流体速度。
声速仪则是通过测量声波在流体中传播的时间来计算流体速度。
3. 平均速度测量平均速度是指在一定时间内流体通过某一截面的平均速度。
常用的平均速度测量方法有以下几种：3.1 流量计流量计是一种常用于测量流体平均速度的仪器。
常见的流量计有涡街流量计、浮子流量计和电磁流量计等。
这些流量计利用流体运动时产生的一些物理量的变化来计算流体的平均速度。
3.2 瞬时速度测量的平均瞬时速度测量方法中得到的一系列瞬时速度可以进行平均运算，得到平均速度。
这种方法适用于瞬时速度变化较小的情况。
4. 流速剖面测量流速剖面是指流体在某一截面上的速度分布情况。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
圆柱三孔复合测压管只适于测量平面气流。当气流方向与测压管轴线 垂直的平面不平行时,气流方向和平面的夹角称为俯仰角。当俯仰角不为 零时,它不影响气流在上述平面内方向的测量,但会影响测量气流的总压和 静压大小。例如当俯仰角大于50°时,测得的静压误差将大于1%。
5.2 流动方向的测量
3.两管形方向管 在只需要测量气流方向的场合,可用两根针管制成两管形方向管。其斜 角在45°~60°之间,两管要尽量对称,以斜角向外的较常用。如图5-10a所 示,两方向孔的距离小,测量结果受气流横向速度梯度的影响也小,当刚性较 差时,方向管的使用方法大致与复合管相同。
(2)测压管的校验 被校验的测压管与标准测压管读数进行对比实验, 以标准表读数为真值做被校验仪表的校验曲线。由于风速与被测气流的温 度、湿度及大气压等因素有关,对比实验时,应同时测出这些量作为参考因 素。
5.2 流动方向的测量
速度是矢量,不仅有大小,还有方向。方向测量可以分为平面和三维空 间气流的检测。本节主要介绍平面气流的测量。平面气流的测量包括气流 方向和气流速率的测量。测量气流速率的依据是不可压缩流体对某些规则 形状物体的绕流规律;流动方向是通过测量流速在不同方向的变化得到的, 可以在测压管得到不同方向的压力来反映速度的变化。
5.2 流动方向的测量
为了保证安装测压管的位置及方向,通常都在测压管上焊接一方向块, 焊接时尽量使方向块的平面与总压孔2的轴线相平行,方向块的平面就作为 测压管的原始位置,即几何轴线。
在使用时,几何轴线和气动轴线分别对应于坐标架刻度盘上的一个读数, 几何曲线与气动轴线的夹角称为校正角,如图5-8所示。校正角和校正曲线 一样,是在校正风洞上得到的。由于工艺上的原因,气动轴线、几何轴线及 总压孔2的轴线三者不一定平行。气流方向与气动轴线的夹角称为气流偏 角。气流偏角正负的规定:气流方向在基准方向的左侧,取正号;气流方向在 基准方向的右侧,取负号。α以几何轴线为基准方向,αc以气动轴线为基准方 向。
5.1 测压管测量流速的大小
(2)S形毕托管 图5-3所示为S形毕托管。它由两根相同弯 曲的金属细管焊接而成,而总压、静压分别由管口迎着气流方 向和背着气流方向的管子引出,它的校准系数ξ<1。它的优点是 结构简单、制造容易、横截面积小,缺点是不敏感偏流角小、 轴向尺寸大,可用于测量含尘浓度较高的空气流速,但不适于在 轴向速度变化较大的场合应用。
为了准确测出气流的方向,可用方向管或复合管对气流方向的变化来测 量,并要求对气流的变化越敏感越好,这恰恰与总压管、静压管测量压力时 的要求相反。一般用修正方向特性、总压特性和速度特性的方法修正流体 的运动方向。
5.2 流动方向的测量
1.测量原理 以三孔测压管为例说明方向测量的原理。如图5-6所示,由三孔圆心组 成的三角形,两侧孔为方向孔,中间孔为总压孔,总压孔的圆心在方向孔与总 压孔的角平分线上。把三孔测压管垂直插入均匀平行的气流中,三孔都迎 着气流方向,调整方向孔1和3的压力,当孔1和孔3的压力相等时,在三个孔决 定的平面内,过测压管截面的圆心和气流方向平行的方向,就是测压管的气 动轴线。图5-6 管道内轴线与气流方向一致的图示
图5-9 圆柱三孔测压管特性曲线 a)方向、总压特性 b)速度特性(Ma<0.3) c)速度特性(Ma>0.3)
5.2 流动方向的测量
理论分析和实验都表明,中心角为45°时,方向孔对气流方向的变化最 敏感,所以,方向孔在垂直于测压管轴线的平面内径向开孔,夹角为90°,总压 孔开在两个方向孔夹角的角平分线上,为了消除测压管端部对测量的影响, 侧孔应离开端部一定距离。
5.3 热线风速仪
热线风速仪可以用来测量脉动气流的速度,其探头尺寸小,响应速度快, 是一种将流速信号转变为电信号的一种测速仪器,测量如果与数据处理系 统联用,可以简化繁琐的数据整理工作。
1.工作原理 热线风速仪是以热丝或热膜(前者大都用钨丝、铂丝制成,后者常用铂 丝、铬丝制成)为探头直接暴露在被测的气流中,并把它接入平衡电桥作为 一个桥臂,用电流供给热丝进行加热,热丝在气流中的散热量与流速的大小 有关,此散热量导致热丝温度变化,进而引起热线电阻的变化,这样就把流速 信号转变成电信号,通过测量电信号从而达到测量气体流速的目的。
图5-5 风洞结构简图
5.1 测压管测量流速的大小
风机段1包括由可调速直流电动机驱动的轴流风机及导流器,它是产生 具有一定参数气流的动力。稳定段7包括蜂窝器、阻尼网和一定长度的直 管段。气流由稳定段7导入,经导直整流形成流场稳定的气流。工作段5是 校验中速测压管的直管段。经粗收缩段6的气流进入工作段5,工作段5流场 均匀度小于2%,流场稳定度小于1%。测量段3是校验高速测压管的直管段。 经细收缩段4的气流进入测量段,流场均匀度小于2%,稳定度小于1%。为减 小能量损失,气流经扩散段2由轴流风机排出风洞。风机段1入口设有导流 装置,以保证测量段3的均匀性和稳定度。
5.1 测压管测量流速的大小
一般情况测量气流速率时,Ma>0.3以后,应考虑气体的压缩效应。则
式中,p*'、p'分别为动压管总压和静压的读数;ξ为动压管的校准系数, 即 考虑气体的压缩效应时,应为
5.1 测压管测量流速的大小
2.测压管 设计测压管最主要的要求是:尽一切可能保证总压孔和静压孔所接受到 的压力是真正被测点的总压和静压。 (1)毕托管(动压测量管) 如图5-1所示,从流体绕流考虑,N点的流动状态 既受上游毕托管头部绕流的影响,还受下游毕托管立杆绕流的影响。通过 实验研究发现,当静压孔N开在某一适当位置时,这两种影响有可能相互抵消, 使得该处的压力恰好等于未插入毕托管时的静压。 在毕托管设计中,既要考虑静压孔的位置,还要考虑静压孔的数量与形 状、毕托管的头部形状、总压孔的大小、探头与立杆的连接方式等,它们 都会影响毕托管的测量结果。
5.2 流动方向的测量
图5-8 测压管孔号及校正角 a)测压管孔位置 b)校正角
5.2 流动方向的测量
每根测压管一般应有方向特性、பைடு நூலகம்压特性和速度特性三条校准曲线。 常见形式的校准曲线的基本原理都相同。下面推荐一组特性曲线。
方向特性
总压特性
速度特性
式中,p*和p分别为校准风洞中的总压和静压;p1、p2、p3分别为被校测 压管1、2、3孔测量到的压力。
5.2 流动方向的测量
速度特性Xv受气流马赫数Ma影响较大,但在Ma<0.3时。可不考虑马赫 数Ma的影响,即
当Ma>0.3时,可采用p3/p2=f(p/p*,α)(α>0)或p1/p2=f(p/p*,α)(α≤0),相应的 校准曲线如图5-9所示,其中α角箭头所指方向就是气流流动的方向。
5.2 流动方向的测量
5.1 测压管测量流速的大小
图5-1 毕托管工作原理图 毕托管有多种形式,测量原理都是相同的。图5-2所示为三种基本毕托 管的结构图。它是一个弯成90°的同心管,主要由感测头、管身及总压和 动压引出管组成。感测头端部呈锥形、圆形或椭圆形,总压孔位于感测头 端部,与内管连通,用来测量总压。在外管表面靠近感测头端部的适当位置 有一圈小孔,称为静压孔,用来测量静压,它的总压孔和静压孔不是在同一点 上,甚至不在流道的同一界面上,所以得到的读数有可能不能准确地反映气 流速率的大小,而应加以修正。
热工测量
目录
5.1 测压管测量流速的大小 5.2 流动方向的测量 5.3 热线风速仪 5.4 激光多普勒测速仪
5.1 测压管测量流速的大小
1.测量原理 在气流速度小于声速时,伯努利方程给出了同一流线上气流速率和气流 其他状态参数的关系。 气流流速低,不考虑其可压缩性,由伯努利方程得
p+ρv 2=p*
5.2 流动方向的测量
2.圆柱三孔复合测压管 圆柱三孔复合测压管的结构如图5-7所示,在一个圆柱体上沿径向钻三 个小孔,中间2为总压孔,其压力由圆柱体的内腔引出,两侧的孔1、3为方向 孔,其压力由焊接在孔上的针管引出。这种测压管结构简单,制造容易,使用 方便,应用广泛。
图5-7 圆柱三孔复合测压管 1、3—方向孔 2—总压孔
5.1 测压管测量流速的大小
3.测压管的标定 测压管在出厂前或使用一段时间之后都需要进行校验,以保证其准确度 在一定范围之内,用于校验的实验装置称为风洞。 (1)风洞的原理和结构 风洞具有一定形状的管道,在管道中造成具有 一定参数的气流,被校验的测压管与标准测压管仪表在其中进行对比实验。 风洞的结构如图5-5所示,主要由风机段1、扩散段2、测量段3、细收缩 段4、工作段5、粗收缩段6和稳定段7组成。
量流速,此为热线风速仪的恒温工作方式或恒电阻工作方式,如
图5-11和图5-12所示。此外,还可以始终保持tw-tf为常数,同 样可以根据热线电流I来测量流速,这叫恒电流工作方式。无论 采用哪种工作方式。都需要对流体实际温度tf与偏离热线标定 时的流体温度t0进行修正,这种修正可通过适当的温度补偿电
5.3 热线风速仪
热线风速仪是利用通电的热线探头在流场中会产生热量损失来进行测 量的,如果流过热线的电流为I,热线的电阻为R,则热线产生的热量是
Q1=I 2R(5-13)
当热线探头置于流场中时,流体对热线有冷却作用。忽略热线的导热损 失和辐射损失,可以认为热线是在对流换热状态下工作的。根据牛顿冷却 公式,热线损失的热量为
图5-10 测压管 a)两管形方向管 b)三管形复合测压管
5.2 流动方向的测量
4.三管形复合测压管 三管形测压管比圆柱三孔管的头部小,可用于气流马赫数Ma更高、横 向速度梯度更大的场合。 把三根弯成一定形状的小管焊接在一起,就组成了三管形复合测压管。 如图5-10b所示,两侧方向管的斜角要尽可能相等;斜角可以向外斜,也可以向 内斜;总压管可以在两方向管之间,也可以在它们的上方或下方。在相同条 件下外斜的测压管比内斜的灵敏度高。总压孔和方向孔尽量垂直迎着气流 方向,若不知道气流方向偏于哪一侧,则总压管应安排在两个方向管之间,但 这样容易增加方向孔测量误差。为了加强测压管道刚度,可以焊上加强筋。 为了避免对流场的干扰,各测压孔到杆柄和加强筋的距离要分别大于6倍和 12倍的管子外径。
5.2 流动方向的测量
3.两管形方向管 在只需要测量气流方向的场合,可用两根针管制成两管形方向管。其斜 角在45°~60°之间,两管要尽量对称,以斜角向外的较常用。如图5-10a所 示,两方向孔的距离小,测量结果受气流横向速度梯度的影响也小,当刚性较 差时,方向管的使用方法大致与复合管相同。
(2)测压管的校验 被校验的测压管与标准测压管读数进行对比实验, 以标准表读数为真值做被校验仪表的校验曲线。由于风速与被测气流的温 度、湿度及大气压等因素有关,对比实验时,应同时测出这些量作为参考因 素。
5.2 流动方向的测量
速度是矢量,不仅有大小,还有方向。方向测量可以分为平面和三维空 间气流的检测。本节主要介绍平面气流的测量。平面气流的测量包括气流 方向和气流速率的测量。测量气流速率的依据是不可压缩流体对某些规则 形状物体的绕流规律;流动方向是通过测量流速在不同方向的变化得到的, 可以在测压管得到不同方向的压力来反映速度的变化。
5.2 流动方向的测量
为了保证安装测压管的位置及方向,通常都在测压管上焊接一方向块, 焊接时尽量使方向块的平面与总压孔2的轴线相平行,方向块的平面就作为 测压管的原始位置,即几何轴线。
在使用时,几何轴线和气动轴线分别对应于坐标架刻度盘上的一个读数, 几何曲线与气动轴线的夹角称为校正角,如图5-8所示。校正角和校正曲线 一样,是在校正风洞上得到的。由于工艺上的原因,气动轴线、几何轴线及 总压孔2的轴线三者不一定平行。气流方向与气动轴线的夹角称为气流偏 角。气流偏角正负的规定:气流方向在基准方向的左侧,取正号;气流方向在 基准方向的右侧,取负号。α以几何轴线为基准方向,αc以气动轴线为基准方 向。
5.1 测压管测量流速的大小
(2)S形毕托管 图5-3所示为S形毕托管。它由两根相同弯 曲的金属细管焊接而成,而总压、静压分别由管口迎着气流方 向和背着气流方向的管子引出,它的校准系数ξ<1。它的优点是 结构简单、制造容易、横截面积小,缺点是不敏感偏流角小、 轴向尺寸大,可用于测量含尘浓度较高的空气流速,但不适于在 轴向速度变化较大的场合应用。
为了准确测出气流的方向,可用方向管或复合管对气流方向的变化来测 量,并要求对气流的变化越敏感越好,这恰恰与总压管、静压管测量压力时 的要求相反。一般用修正方向特性、总压特性和速度特性的方法修正流体 的运动方向。
5.2 流动方向的测量
1.测量原理 以三孔测压管为例说明方向测量的原理。如图5-6所示,由三孔圆心组 成的三角形,两侧孔为方向孔,中间孔为总压孔,总压孔的圆心在方向孔与总 压孔的角平分线上。把三孔测压管垂直插入均匀平行的气流中,三孔都迎 着气流方向,调整方向孔1和3的压力,当孔1和孔3的压力相等时,在三个孔决 定的平面内,过测压管截面的圆心和气流方向平行的方向,就是测压管的气 动轴线。图5-6 管道内轴线与气流方向一致的图示
图5-9 圆柱三孔测压管特性曲线 a)方向、总压特性 b)速度特性(Ma<0.3) c)速度特性(Ma>0.3)
5.2 流动方向的测量
理论分析和实验都表明,中心角为45°时,方向孔对气流方向的变化最 敏感,所以,方向孔在垂直于测压管轴线的平面内径向开孔,夹角为90°,总压 孔开在两个方向孔夹角的角平分线上,为了消除测压管端部对测量的影响, 侧孔应离开端部一定距离。
5.3 热线风速仪
热线风速仪可以用来测量脉动气流的速度,其探头尺寸小,响应速度快, 是一种将流速信号转变为电信号的一种测速仪器,测量如果与数据处理系 统联用,可以简化繁琐的数据整理工作。
1.工作原理 热线风速仪是以热丝或热膜(前者大都用钨丝、铂丝制成,后者常用铂 丝、铬丝制成)为探头直接暴露在被测的气流中,并把它接入平衡电桥作为 一个桥臂,用电流供给热丝进行加热,热丝在气流中的散热量与流速的大小 有关,此散热量导致热丝温度变化,进而引起热线电阻的变化,这样就把流速 信号转变成电信号,通过测量电信号从而达到测量气体流速的目的。
图5-5 风洞结构简图
5.1 测压管测量流速的大小
风机段1包括由可调速直流电动机驱动的轴流风机及导流器,它是产生 具有一定参数气流的动力。稳定段7包括蜂窝器、阻尼网和一定长度的直 管段。气流由稳定段7导入,经导直整流形成流场稳定的气流。工作段5是 校验中速测压管的直管段。经粗收缩段6的气流进入工作段5,工作段5流场 均匀度小于2%,流场稳定度小于1%。测量段3是校验高速测压管的直管段。 经细收缩段4的气流进入测量段,流场均匀度小于2%,稳定度小于1%。为减 小能量损失,气流经扩散段2由轴流风机排出风洞。风机段1入口设有导流 装置,以保证测量段3的均匀性和稳定度。
5.1 测压管测量流速的大小
一般情况测量气流速率时,Ma>0.3以后,应考虑气体的压缩效应。则
式中,p*'、p'分别为动压管总压和静压的读数;ξ为动压管的校准系数, 即 考虑气体的压缩效应时,应为
5.1 测压管测量流速的大小
2.测压管 设计测压管最主要的要求是:尽一切可能保证总压孔和静压孔所接受到 的压力是真正被测点的总压和静压。 (1)毕托管(动压测量管) 如图5-1所示,从流体绕流考虑,N点的流动状态 既受上游毕托管头部绕流的影响,还受下游毕托管立杆绕流的影响。通过 实验研究发现,当静压孔N开在某一适当位置时,这两种影响有可能相互抵消, 使得该处的压力恰好等于未插入毕托管时的静压。 在毕托管设计中,既要考虑静压孔的位置,还要考虑静压孔的数量与形 状、毕托管的头部形状、总压孔的大小、探头与立杆的连接方式等,它们 都会影响毕托管的测量结果。
5.2 流动方向的测量
图5-8 测压管孔号及校正角 a)测压管孔位置 b)校正角
5.2 流动方向的测量
每根测压管一般应有方向特性、பைடு நூலகம்压特性和速度特性三条校准曲线。 常见形式的校准曲线的基本原理都相同。下面推荐一组特性曲线。
方向特性
总压特性
速度特性
式中,p*和p分别为校准风洞中的总压和静压;p1、p2、p3分别为被校测 压管1、2、3孔测量到的压力。
5.2 流动方向的测量
速度特性Xv受气流马赫数Ma影响较大,但在Ma<0.3时。可不考虑马赫 数Ma的影响,即
当Ma>0.3时,可采用p3/p2=f(p/p*,α)(α>0)或p1/p2=f(p/p*,α)(α≤0),相应的 校准曲线如图5-9所示,其中α角箭头所指方向就是气流流动的方向。
5.2 流动方向的测量
5.1 测压管测量流速的大小
图5-1 毕托管工作原理图 毕托管有多种形式,测量原理都是相同的。图5-2所示为三种基本毕托 管的结构图。它是一个弯成90°的同心管,主要由感测头、管身及总压和 动压引出管组成。感测头端部呈锥形、圆形或椭圆形,总压孔位于感测头 端部,与内管连通,用来测量总压。在外管表面靠近感测头端部的适当位置 有一圈小孔,称为静压孔,用来测量静压,它的总压孔和静压孔不是在同一点 上,甚至不在流道的同一界面上,所以得到的读数有可能不能准确地反映气 流速率的大小,而应加以修正。
热工测量
目录
5.1 测压管测量流速的大小 5.2 流动方向的测量 5.3 热线风速仪 5.4 激光多普勒测速仪
5.1 测压管测量流速的大小
1.测量原理 在气流速度小于声速时,伯努利方程给出了同一流线上气流速率和气流 其他状态参数的关系。 气流流速低,不考虑其可压缩性,由伯努利方程得
p+ρv 2=p*
5.2 流动方向的测量
2.圆柱三孔复合测压管 圆柱三孔复合测压管的结构如图5-7所示,在一个圆柱体上沿径向钻三 个小孔,中间2为总压孔,其压力由圆柱体的内腔引出,两侧的孔1、3为方向 孔,其压力由焊接在孔上的针管引出。这种测压管结构简单,制造容易,使用 方便,应用广泛。
图5-7 圆柱三孔复合测压管 1、3—方向孔 2—总压孔
5.1 测压管测量流速的大小
3.测压管的标定 测压管在出厂前或使用一段时间之后都需要进行校验,以保证其准确度 在一定范围之内,用于校验的实验装置称为风洞。 (1)风洞的原理和结构 风洞具有一定形状的管道,在管道中造成具有 一定参数的气流,被校验的测压管与标准测压管仪表在其中进行对比实验。 风洞的结构如图5-5所示,主要由风机段1、扩散段2、测量段3、细收缩 段4、工作段5、粗收缩段6和稳定段7组成。
量流速,此为热线风速仪的恒温工作方式或恒电阻工作方式,如
图5-11和图5-12所示。此外,还可以始终保持tw-tf为常数,同 样可以根据热线电流I来测量流速,这叫恒电流工作方式。无论 采用哪种工作方式。都需要对流体实际温度tf与偏离热线标定 时的流体温度t0进行修正,这种修正可通过适当的温度补偿电
5.3 热线风速仪
热线风速仪是利用通电的热线探头在流场中会产生热量损失来进行测 量的,如果流过热线的电流为I,热线的电阻为R,则热线产生的热量是
Q1=I 2R(5-13)
当热线探头置于流场中时,流体对热线有冷却作用。忽略热线的导热损 失和辐射损失,可以认为热线是在对流换热状态下工作的。根据牛顿冷却 公式,热线损失的热量为
图5-10 测压管 a)两管形方向管 b)三管形复合测压管
5.2 流动方向的测量
4.三管形复合测压管 三管形测压管比圆柱三孔管的头部小,可用于气流马赫数Ma更高、横 向速度梯度更大的场合。 把三根弯成一定形状的小管焊接在一起,就组成了三管形复合测压管。 如图5-10b所示,两侧方向管的斜角要尽可能相等;斜角可以向外斜,也可以向 内斜;总压管可以在两方向管之间,也可以在它们的上方或下方。在相同条 件下外斜的测压管比内斜的灵敏度高。总压孔和方向孔尽量垂直迎着气流 方向,若不知道气流方向偏于哪一侧,则总压管应安排在两个方向管之间,但 这样容易增加方向孔测量误差。为了加强测压管道刚度,可以焊上加强筋。 为了避免对流场的干扰,各测压孔到杆柄和加强筋的距离要分别大于6倍和 12倍的管子外径。