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1、热能与动力工程中常常需要测量工作介质在某些热能与动力工程中常常需要测量工作介质在某些特定区域的流速，以研究其流动状态对工作过程特定区域的流速，以研究其流动状态对工作过程和性能的影响。和性能的影响。如研究进、排气管道的流动特性和燃烧室内的气如研究进、排气管道的流动特性和燃烧室内的气流运动对燃烧速度和燃烧质量的影响等。流运动对燃烧速度和燃烧质量的影响等。因此，流速测量具有重要的意义。因此，流速测量具有重要的意义。n第七章第七章 流速测量流速测量n机械方法测量流速是根据置于流体中的叶轮的旋机械方法测量流速是根据置于流体中的叶轮的旋转角速度与流体的流速成正比的原理来进行流速转角速度与流体的流速成正比的
2、原理来进行流速测量的。测量的。n机械式风速仪是利用叶轮测量流速的实例机械式风速仪是利用叶轮测量流速的实例n翼型和杯型翼型和杯型n翼型灵敏度高，可测翼型灵敏度高，可测0.2530m/s的气流速的气流速度，可测脉动气流。度，可测脉动气流。n杯式风速仪机械强度较大，测量上限大。杯式风速仪机械强度较大，测量上限大。不可压不可压缩流体缩流体n考虑到总压和静压的测量误差，利用它们的测量考虑到总压和静压的测量误差，利用它们的测量读数进行流速计算时引入皮托管的校准系数作适读数进行流速计算时引入皮托管的校准系数作适当的修正。当的修正。n气体流动的马赫数气体流动的马赫数0.3时，还应考虑气体的压缩性效时，还应考虑
3、气体的压缩性效应应 n特点：结构简单，使用、制造方便，价格便宜，特点：结构简单，使用、制造方便，价格便宜，坚固可靠，精度高。坚固可靠，精度高。n毕托管测量的是空间某点处的平均速度，它的头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（越小越好）。目部尺寸决定了它的空间分辨率（越小越好）。目前最小的毕托管头部直径约为前最小的毕托管头部直径约为0.0.0.0.mmmm。n根据所测量的流体性质，将毕托管设计成不同的根据所测量的流体性质，将毕托管设计成不同的形状，常用的有形状，常用的有L L形和形和T T形。形。n对于高马赫数下的对于高马赫数下的流动，为避免皮托流动，为避免皮托管
4、的头部附近发生管的头部附近发生脱体激波，可采用脱体激波，可采用细长的锥形探头，细长的锥形探头，这类管子适用于高这类管子适用于高达达0.80.85范围范围的流速测量。的流速测量。n二、二维气流速度的测量二、二维气流速度的测量n对于作平面流动的气流，可以采用三孔测速管测对于作平面流动的气流，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。感压探头、干管、传压管和分度盘等组成。n在探头的三个感压孔中，居中的一个为总压在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，故也称方孔，两侧的孔用于
5、探测气流方向，故也称方向孔。当两侧的方向孔感受到的压力相等时，向孔。当两侧的方向孔感受到的压力相等时，则认为气流方向与总压孔的轴线重合。显然，则认为气流方向与总压孔的轴线重合。显然，两侧方向孔所在的位置应该对气体的流动方两侧方向孔所在的位置应该对气体的流动方向十分敏感，即当气流方向与该两孔的角平向十分敏感，即当气流方向与该两孔的角平分线出现微小偏差时，两方向孔所感受的压分线出现微小偏差时，两方向孔所感受的压力就会出现显著的差异。力就会出现显著的差异。n当两方向孔在同一平当两方向孔在同一平面内呈直角分布时，面内呈直角分布时，对气流的方向最为敏对气流的方向最为敏感。因此，三孔测速感。因此，三孔测速
6、管探头上的感压孔都管探头上的感压孔都布置为两方向孔在同布置为两方向孔在同一平面内呈一平面内呈90，总，总压孔开设在两方向孔压孔开设在两方向孔的角平分线上。的角平分线上。n实际测量时，将上述测速管探头插入气流之中，实际测量时，将上述测速管探头插入气流之中，慢慢转动干管，直到两方向孔所感受的压力相等。慢慢转动干管，直到两方向孔所感受的压力相等。这时，气流方向与总压孔的轴线平行，总压孔和这时，气流方向与总压孔的轴线平行，总压孔和两方向孔感受的压力差即可得流速，即为三孔测两方向孔感受的压力差即可得流速，即为三孔测速管测量流速大小和方向的工作原理。即流速的速管测量流速大小和方向的工作原理。即流速的方向是
7、根据两方向孔感受的压力平衡情况来判断方向是根据两方向孔感受的压力平衡情况来判断的，而流速的大小可以根据总压孔与方向孔之间的，而流速的大小可以根据总压孔与方向孔之间的压力差进行计算。的压力差进行计算。n实际上，由于制造方面的误差，如感压孔的位实际上，由于制造方面的误差，如感压孔的位置和尺寸误差等，使得各感压孔感受到的真实置和尺寸误差等，使得各感压孔感受到的真实压力并不能严格满足前述理论。每根测压管在压力并不能严格满足前述理论。每根测压管在使用前都必须经过标定；同时，必须注意到每使用前都必须经过标定；同时，必须注意到每根测速管的标定结果一般都不会相同。根测速管的标定结果一般都不会相同。n类似平面气
8、流流速的测量方法，三维空间气流类似平面气流流速的测量方法，三维空间气流速度的大小和方向可用五孔测速管测量；当气速度的大小和方向可用五孔测速管测量；当气流方向变化较大时，还可以采用七孔测速管。流方向变化较大时，还可以采用七孔测速管。n三、皮托管的标定三、皮托管的标定n如前所述，各种皮托管由于结构上的不同和制造如前所述，各种皮托管由于结构上的不同和制造上的差异，在制造后或使用前都必须经过标定。上的差异，在制造后或使用前都必须经过标定。皮托管的标定是在校准风洞中进行的，校准风洞皮托管的标定是在校准风洞中进行的，校准风洞有吸入式、射流式、吸入有吸入式、射流式、吸入-射流复合式以及正压射流复合式以及正压
9、式等多种类型，其中最常用的是射流式风洞。射式等多种类型，其中最常用的是射流式风洞。射流式校准风洞的工作段是开式的，它由稳流段流式校准风洞的工作段是开式的，它由稳流段1和收敛器和收敛器3构成，稳流段内装有整流网和整流栅构成，稳流段内装有整流网和整流栅格。压缩空气先通过稳流段，再通过收敛器后形格。压缩空气先通过稳流段，再通过收敛器后形成一自由射流。成一自由射流。n标定时，被标定的皮托管感压探头置于风洞出口标定时，被标定的皮托管感压探头置于风洞出口处，得到其动压读数；相应的标准动压由安装在处，得到其动压读数；相应的标准动压由安装在稳流段稳流段A处的总压管和开在射流段处的总压管和开在射流段B处的静压孔
10、处的静压孔组合测取，即为组合测取，即为B出得动压。之所以在出得动压。之所以在A处测量处测量总压，是因为该处截面大，容易布置总压管。由总压，是因为该处截面大，容易布置总压管。由于风洞收敛器内壁面光顺平滑，加上该段距离短，于风洞收敛器内壁面光顺平滑，加上该段距离短，流速小，故可以认为该段内的流动损失接近零，流速小，故可以认为该段内的流动损失接近零，即可以认为即可以认为A、B两处的总压相等。两处的总压相等。n另外，之所以要在另外，之所以要在B处测量标准动压，是因处测量标准动压，是因为为A处截面大，风速低，总、静压很接近，处截面大，风速低，总、静压很接近，动压很小，而动压很小，而B处截面缩小，流速增大
11、，动处截面缩小，流速增大，动压也大，压也大，B处的动压通常是处的动压通常是A处的处的162倍左倍左右，因此，采用右，因此，采用B处的动压可以提高标定精处的动压可以提高标定精度。度。n标定步骤概括如下：标定步骤概括如下：n1)按图位置安装好被标定的皮托管，使总压孔轴线对按图位置安装好被标定的皮托管，使总压孔轴线对准风洞轴线，然后连接好测量管路。准风洞轴线，然后连接好测量管路。n2)合理选择标定流速的范围，记录各稳定气流流速下合理选择标定流速的范围，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管的动压值。校准风洞的标准动压值和被标定皮托管的动压值。n3)整理记录数据，或拟合成标定方程，或绘
12、制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，以备查用。当两者之间呈线性关系时，可以直接曲线，以备查用。当两者之间呈线性关系时，可以直接求出皮托管的校准系数。求出皮托管的校准系数。n在没有校准风洞的情况下，对用于一般场合测速的皮托在没有校准风洞的情况下，对用于一般场合测速的皮托管，可以采用自制的平直风管进行标定。这种风管的长管，可以采用自制的平直风管进行标定。这种风管的长径比要求大于径比要求大于20。为使风压更稳定，可以在风机出口。为使风压更稳定，可以在风机出口处加一稳压箱。标定时，将标准皮托管和被标定皮托管处加一稳压箱。标定时，将标准皮托管和被标定皮托管分别置于风管的出口处，以标
13、准皮托管感受的动压作为分别置于风管的出口处，以标准皮托管感受的动压作为标准动压，标定步骤同上所述。标准动压，标定步骤同上所述。n散热率法测量流速的原理，是将发热的测速传感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，流速越大，散热热率与流体流速成比例的特点，流速越大，散热量越多。通过测定传感器的散热率来获得流体的量越多。通过测定传感器的散热率来获得流体的流速。流速。n热球风速仪、热线风速仪热球风速仪、热线风速仪一、基本结构一、基本结构热线流速仪由探头、信号和数据处理系统构成。热线流速仪由
14、探头、信号和数据处理系统构成。探头按结构分为热线和热膜两种，均由电阻值随探头按结构分为热线和热膜两种，均由电阻值随温度变化的热敏材料构成。另外，对分别适用于温度变化的热敏材料构成。另外，对分别适用于一维、平面和空间流场流速测量的探头，又分别一维、平面和空间流场流速测量的探头，又分别称为一元探头、二元探头和三元探头。称为一元探头、二元探头和三元探头。二、工作原理二、工作原理利用通电的探头在气流中得热量散失程度与气流利用通电的探头在气流中得热量散失程度与气流速度之间的关系来测量流速的。速度之间的关系来测量流速的。n工作时，若通过热线工作时，若通过热线(热膜热膜)的电流为的电流为I，热线的，热线的电
15、阻为电阻为RwRw，相应的热线温度为，相应的热线温度为TwTw，则热线产生的，则热线产生的焦耳热为焦耳热为I*I*Rw。假定热线在流体中的热量散。假定热线在流体中的热量散失主要靠其与流体间的强迫对流换热，而不考虑失主要靠其与流体间的强迫对流换热，而不考虑热线的导热和辐射损失，则在热平衡条件下有热线的导热和辐射损失，则在热平衡条件下有流体速度是流过热线的电流和热流体速度是流过热线的电流和热线电阻（热线温度）的函数线电阻（热线温度）的函数假定热线尚未置入流场时，测量电桥处于平衡状假定热线尚未置入流场时，测量电桥处于平衡状态，即检流计指向零点，电流表态，即检流计指向零点，电流表A A的读数为的读数为
16、Io；当；当热线被放置到流场之中后，由于热线与流体之间热线被放置到流场之中后，由于热线与流体之间的热交换，热线的温度下降，相应的阻值的热交换，热线的温度下降，相应的阻值R wR w也随也随之减小，致使电桥失去平衡，检流计偏离零点。之减小，致使电桥失去平衡，检流计偏离零点。n当检流计达到稳定状态后，调节与热线串联于同当检流计达到稳定状态后，调节与热线串联于同一桥臂上的可变电阻一桥臂上的可变电阻Ro，直至其增大量抵消，直至其增大量抵消Rw的减小量，此时，电桥重新恢复平衡，检流计回的减小量，此时，电桥重新恢复平衡，检流计回到零点，电流表回到原来的读数到零点，电流表回到原来的读数Io(即电流保持即电流保持不变不变)。通过测量。通过测量Ro的改变量可以得到的改变量可以得到Rw的数的数值，进而根据测速公式计算出被测流速值，进而根据测速公式计算出被测流速v。2.恒温式测量电路与恒流式的不同之处在于：当热恒温式测量电路与恒流式的不同之处在于：当热线因感受流动而出现温度下降、电阻减小，致使线因感受流动而出现温度下降、电阻减小，致使电桥失去平衡时，调节可变电阻电桥失去平衡时，调节可变电阻R、使、使R减小以
