第7章 流速测量.ppt

第七章 流速测量,学习要求 要求掌握常用的流速流量测量方法及相关测量仪表(主要掌握皮托管测速、热线流速仪）的组成及测量原理。,流速测量在热能动力机械工程中的意义研究：进排气管、燃烧室内气流运动对工作过程的影响；水泵叶轮内的水流运动规律 锅炉、换热器内流体运动规律 传热传质学研究，芯片散热问题监控：水文监测,第一节 皮托管测速,发展过程1732年 法国工程师 Henri Pitot 发现一段密封的直管迎着流动的流体，可测出流体总压，减去静压能算出流速，发明了原始的皮托管；1905年 德国大流体力学家 L.Prandtl 修改了 Henri Pitot 发明，与今天的皮托管结构一样，能直接测出流体的总压和静压之差动压，直接算出流速，但仍称皮托管；1920年后，英国国家物理实验室（NPL)对皮托管的结构、特性作了详细研究，为制定皮托管的标准奠定了基础；1943年 英国出台皮托管国家标准；1977年 ISO颁布关于用皮托管测速的国际标准 ISO39661977,由于皮托管的主要测量对象为气体，故又称风速管。,皮托管测速的特点结构简单，价格低廉，制造使用方便；在一定的流速范围内，测量精度高；对来流方向不太敏感；频率相应慢，只能测量稳定流动 一.基本构造和测量原理,总压力,静压力(静压),动压力(动压),1.测量原理对不可压缩流体的一维等高度的管流，有伯努里方程：静压+动压=总压=常数考虑到总压和静压的测量误差，需要修正。为校准系数对标准皮托管：=1.01 1.02对于气体，可看成理想气体，测出压力和温度后可根据标准状态下的气体参数算出密度：,用马赫数Ma表示可压缩气体流速：,当气流马赫数Ma大于0.3时，须进行压缩性修正。为压缩性修正系数。,2.结构型式 直角型（L形）皮托管 带半圆形头部的标准皮托管 带锥形头部的皮托管，高速气流测量，防头部发生脱体激波,P0总压力,P静压力(静压),3.笛形管测速的基本原理,流量较大，雷诺数较大时，边界层厚度较小，p可近似得到，误差工程上允许,P0总压力,P静压力(静压),吸气式（负压管道）遮板式（高尘气流）靠背式（高尘气流）,对皮托管的要求：尽可能保证总压孔和静压孔接收到的压力真正是被测点的总压力和静压力。静压孔N的位置对测量值的影响皮托管头部绕流使后方实测静压力降低皮托管立杆滞流使前方实测静压升高存在一个开孔位置正好使上述两种影响互相抵消，使实测静压正好等于皮托管放入前该点的静压值其他影响因素总压孔大小静压孔数量、形状探头与立杆的连接方式保证测量准确度的方法严格按标准制造皮托管、做试验标定,二、二维气流速度的测量1.要求能测出平面流动的方向和数值2.三孔测速管结构三孔感压探头总压孔（居中）方向孔（两侧）干管传压管分度盘,探头形状：球形尖劈形圆柱形：普通发散聚合,3.测量原理 流体绕流圆柱体的压力分布得：,圆柱三孔测速管探头总压孔与方向孔的夹角为450时，方向灵敏度最高。这时转动干管，使：,三.皮托管的标定1.校准风洞射流式校准风洞组成：稳流段，收敛器。A、B两点处总压相等。,第二节 热线流速仪测速,主要用途 用于测量气体的平均流速、脉动速度和流动方向。主要优点几何尺寸较小，对气体流动干扰小，可测量一般探针难以测量的地方；热惯性小，特别适合气流脉动（如叶栅后的气流尾迹）测量。,1.构造 探头：热线、热膜 一元、二元、三元 铂、钨、铂铹、铂铱 信号和数据处理系统 2.对探头材料的要求电阻温度系数大机械强度高电阻率高热传导率小最高可用温度高,一.基本构造,主要原理 通电探头在流体中的换热规律。忽略轴向导热、辐射换热，只考虑热丝（膜）与流体的对流换热，有关系：热丝（膜）电功率=对流换热量恒定电流通过电阻丝（热线）时，热线发热热线温度高低变化，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。,二.热线风速仪工作原理,三.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,热线温度变化,热线阻值变化,电桥电路失衡,输出电压变化,控制电阻值R变化,热线电流恢复,热线电阻恢复,R电阻变化量确定流速,电桥恢复平衡,热线温度恢复,2.恒流式型热线风速仪,气体速度变化,热线温度变化,热线阻值变化,桥臂电流变化,电桥电路失衡,控制电阻值Ra变化,桥臂电阻恢复,桥臂电流恢复,Ra电阻变化量确定流速,电桥恢复平衡,方向特性 对流放热系数K是流向角的函数.随着K减小,热线风速仪的电桥输出电压降低.电桥输出电压与气体流速、流向角的关系称为其方向特性,四.热线风速仪的方向特性,2.方向特性的应用 流向角为45时,曲线斜率最大,即对方向最敏感,欲测气流方向,应选45的热线风速仪.,比较：恒流式受热线热惯性影响，流体运动变化频率越高，测量灵敏度越低，且存在相位滞后的缺点，故用得不多。恒温式的频率特性比恒流式好，用的比较多。,Doppler效应：任何形式的波在传播时，波源、接收器、传播介质、中间反射器或散射体的运动都会使波的频率产生变化。,一、激光多普勒测速仪的工作原理 激光测速仪是依据多普勒效应设计而成的。激光照射到具有一定速度的运动粒子上，产生多普勒频移，频率的频移量与粒子的运动速度成比例关系。测得频率的频移量，即可知道粒子运动速度。,第三节 激光多普勒流速仪测速,LDV:Laser Doppler Velocimeter,一.工作原理,二.测量多普勒频移的基本光路系统 直接测量法 外差检测法1.参考光束系统（基准光束系统）进入光电检测器PD的两束光：参考光 fi 散射光 fs,光电检测器接受到参考光束和散射光束后，通过光电转换的平方率效应得到它们的差频，即fD.。其他与光频接近的高频信号因远远超过光电器件的频响特性而检测不到。为使进入光电检测器的两束光强度接近，参考光束和散射光束的强度比为 1:90-99,2.单光束系统 光路布置 进入光电检测器PD的两束散射光 fs1 fs2,特点：要求光栅孔径适当，过大则分辨率下降，过小则光强损失增加；光能利用率低 测量环境要求避光 因此单光束系统用得很少。,3.双光束系统 光路布置，光电检测器PD方向任意，进入光电检测器PD的两束散射光：fs1 fs2,特点：fD与KS无关；因此双光束系统使用广泛。系统布置方案：前向散射型：入射和接受光路布置于试验段两侧，要开2个窗口，信号强信噪比高。后向散射型：入射和接受光路布置于试验段一侧，只开1个窗口，信噪比小。,三.判别流速和方向的移频装置 两束频率稍有不同的光束相交，将产生干涉条纹，从条纹的移动特性可判断流体运动方向。带频移装置的双光束系统，经移频，入射光频率为：,因为 f1,f2 fi,所以两束光相交将产生干涉条纹。,四.激光器和散射微粒 1.LDV的组成：激光器 氦氖激光器，i=623810-10 m,价格低功率小，常用。氩离子激光器，i=488010-10 m,或514810-10 m 功率高，波长小，价格高，使用条件复杂，常用于多维流速 和高速气流测量及后向型光路系统 分光束器（分光镜）光聚焦发射系统（透镜）光收集和检测系统（光珊和光电检测器）频率信号处理系统2.散射微粒 作用：示踪，增强散射 要求：良好的跟随性高的散射效率良好的理化性能,常用散射微粒：,五.激光测速的特点 优点：非接触测量，对流场无干扰,便于在易变、狭窄、高温流场测量；频响好，可测湍流 量程大，测点小，10-3 m/s 超音速缺点：系统复杂，价格高，需要在试验装置上开窗口；不能测不透明流体和大流场；流体中需有合适的散射微粒。,