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热工实验技术与数据处理 第七讲李彦 06 04 清华大学热能工程系 2 第七章热工试验技术 热工实验中经常测量的参数速度压力流量温度孔隙率及比表面积气体成份气液两相流 空泡份额 气固两相流 颗粒直径 06 04 清华大学热能工程系 3 本章将介绍的热工实验设备 热线热膜风速计皮托管激光多普勒风速计相位多普勒风速计粒子成象速度场仪热重与差热分析仪气体分析系统压汞仪红外傅立叶光谱仪元素分析仪原子发射光谱仪色谱质谱联用仪 06 04 清华大学热能工程系 4 第一节速度测量 热线热膜风速计 HWFA 皮托管激光多普勒风速计 LDV 相位多普勒风速计 PDA 粒子成象速度场仪 PIV 06 04 清华大学热能工程系 5 现代的流动测量仪器有着共同特点 利用光纤技术 芯片技术 激光技术 数字信号处理技术 图形图象处理技术以及计算机技术等手段 沿着集成化 智能化 数字化 精确化 光电一体化等思路迅速发展 06 04 清华大学热能工程系 6 一 热线热膜风速计 HWFA 一 热线热膜风速计 HWFA 的新发展恒流式风速计 第一代风速计 五十年代以前 恒温式风速计 第二代风速计 五十年代以后 反应快 时间常数小 热滞后效应小 频率响应宽 1MHz 三阶动态方程 具有三个以上的调节参量 调节过程中互相制约 互相影响 系统很不稳定 需要做方波试验 调节麻烦 频带较窄 不适于在高频流动中使用 智能流速测量系统 第三代风速计 1995年以后 1 预移相线路模型 具有五阶的动态方程 完全革除了全部调节参量 调节简单 2 动态偏置的新概念和同步偏置的新线路 线路稳定 频带宽 动态性能好 免去了方波试验 3 利用CPU技术 具有智能化功能 多功能多用途的软件包 自动化程度有重大提高 06 04 清华大学热能工程系 7 06 04 清华大学热能工程系 8 06 04 清华大学热能工程系 9 06 04 清华大学热能工程系 10 热线热膜风速计 利用放置在流场中具有加热电流的细金属丝 直径1 m 10 m 长度1 2mm 来测量风速的仪器 它是建立在热平衡原理基础上的 对热线材料的要求 镀铂钨丝 电阻温度系数要高机械强度要好电阻率要大热传导率要小最大可用温度要高热线探针 将金属丝的两端焊接到两根叉杆上 叉杆的另一端引出线 再加上保护罩并且在保护罩和叉杆之间装以绝缘填料 就构成了热线探针 起敏感元件作用的只有中间部分 热膜探针 由热膜 衬底 绝缘层和导线几部分构成 所谓热膜就是喷溅在衬底上的一层很薄的铂金膜 用熔焊方法将它固定在楔形或圆柱形石英骨架上 其上加有加热电流 06 04 清华大学热能工程系 11 06 04 清华大学热能工程系 12 06 04 清华大学热能工程系 13 06 04 清华大学热能工程系 14 06 04 清华大学热能工程系 15 热线的主要优点 利用极细的金属丝做成具有较大长度直径比的探针 既减少热传导的影响 又具有相当好的空间分辨率 频率响应高 热膜探针的特点 频率响应范围比热线窄 上限仅为100kHz工作温度较低 只比环境温度高20度工艺复杂 制造困难机械强度比热线高受振动的影响小 不存在内应力的问题阻值可由控制热膜厚度来调节热传导损失较小圆柱形热膜探针的优点不易被打断或碰伤细微粒不会遮断热膜有效地拉紧 重复性好 06 04 清华大学热能工程系 16 连续流中金属丝的热耗散规律 热传导过程 在设计中使之最小热辐射过程 温差小自由对流过程 流速大强迫对流过程 06 04 清华大学热能工程系 17 与热损耗有关的因素 介质的速度热线与介质之间的温度差介质的物理特性 导热 密度 粘度 浓度金属丝的物理特性 电阻温度系数 热导率 电阻率线的尺寸介质的可压缩性流动方向与热线方向之间的夹角 06 04 清华大学热能工程系 18 二 工作原理 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 当热线探头置于流场中时 流体对热线有冷却作用 根据牛顿公式 热线散失的热量为 根据热平衡原理 有Q1 Q2 因此可写出热线的能量守衡方程 06 04 清华大学热能工程系 19 其中 e为温度等于Te时金属丝的电阻温度系数 R0为Te时的金属丝电阻 将式中 e R0 A B皆为常数 可见Is Rs U之间存在着确定的函数关系 带入前式得 06 04 清华大学热能工程系 20 1 当Is 常数 恒流静态方程 恒流风速计2 当Rs 常数 恒温静态方程 恒温风速计 06 04 清华大学热能工程系 21 恒温风速计的基本原理就是利用反馈电路使热线温度和电阻保持恒定 当风速增加 热线变冷 电阻Rs降低 1点的电压随之降低1点电压的降低引起了放大器负端电压增加 从而使E12增加E12的增加意味着电桥电压Eb的增加 Eb的增加导致了通过敏感元件是电流Is增大Is的增大意味着重新加热敏感元件 从而使1点电压获得升高 结果减少了E12 使系统恢复平衡 1 2 Rs Eb 值得注意的是 上述过程是瞬时发生的 所以速度的增加就好像是电桥输出电压的增加 而速度的降低也等于是电桥输出电压的降低 06 04 清华大学热能工程系 22 三 热线风速计的校准 校准的原因 1 探针的性能是随制造工艺 探针尺寸和金属材料的不同而异 2 探针的性能也和流体的温度 密度等紧密相关 3 探针的性能还和污染情况 速度范围等其它外部条件有关 4 探针在测量中是和电子仪器结合在一起使用的 因此真正的响应关系是建立在输出电压E和流动速度U之间的 对于接近于大气压条件下的大多数实用情形 可以忽略密度变化的影响 校准表达式如下 式中E为风速计输出电压 A B为以来于热线尺寸 流体物理特性和流动条件的常数 指数n在一定的速度范围内恒定 在大范围内随速度而变 06 04 清华大学热能工程系 23 热线探头的实际特性曲线必须经过风洞校准试验求得按一个已知速度U 对应在风速计上读出一个电压值E来做出E U曲线 也就是校准曲线 产生这种已知速度U的装置称之为校准装置 06 04 清华大学热能工程系 24 当热线轴线与气流速度的方向垂直时 气流对热线的冷却能力最大 即热线的热耗最大 若两者的交角逐渐减小 则热线的热耗也逐渐减小 06 04 清华大学热能工程系 25 06 04 清华大学热能工程系 26 在无限长线中 如果沿线方向均匀加热 并且假定过热比不大 那么每单位长度的热损耗仅仅与垂直速度分量Ucos 有关 其中为来流与x轴之间的夹角 于是 式中Ky偏航因子 说明倾斜热线的热损失确实要比正常热线在同样法线速度分量值情况下的热损失大一些 在铂丝的情形 当l d 200时 Ky值差不多为0 2 当l d增加时 Ky值逐渐减小 在l d 600 Ky值几乎为零 对于在三维空间工作的热线 引进坡度因子Kz 对于一般的有限长线 实际上存在着沿线方向的热对流转换 于是 一般情况Kz的值大约在1到1 2之间 06 04 清华大学热能工程系 27 四 平均流速的测量 实际使用时 采用下面公式E2 A B CVR式中A A E0是流体速度为零时热线电桥的桥顶电桥B C n 根据实验数据用最小二乘法确定的常数vR 当量冷却速度 简称冷速度vR意义 如果速度为v的气流对热线的冷却作用与在支杆平面内且垂直于热线的气流速度vR的冷却速度相同 则vR叫做v的 冷速度 06 04 清华大学热能工程系 28 用热线风速仪测量平面气流平均流速的大小和方向 分直接测量和间接测量 直接测量平面气流 转动热线探头以改变来流对热线的冲角 直到桥顶电压E达到最大值 此时 来流方向与热线垂直 速度v的大小可根据测得的桥顶电压E和热线探头速度特性曲线求得 缺点 方向误差较大间接测量平面气流 放入热线探头后可测得桥顶电压E1 将探头转过一个已知角度 再得到桥顶电压E2 查速度特性曲线可得vR1和vR2 解联立方程vR1 v a bcos vR2 v a bcos 从而解得v和 v为平均流速 06 04 清华大学热能工程系 29 五 脉动气流的测量 当气流在平均流速上迭加一个脉动速度时 热线风速仪的桥顶电压E含有两个分量 直流电压和交流电压e 此时桥顶电压与流速的关系可写为 e 2 A B展开得2 2e e2 A B B 对平均流速 有2 A B忽略高阶无穷小量 得脉动速度 这样 测得e后就可方便地得到 06 04 清华大学热能工程系 30 六 热线风速仪的频率特性 热线风速仪用于非稳定气流的测量时 应考虑热线的热惯性 热线是一个惯性环节 在动态测量时其传递函数G j 为 式中 角频率K 热线的静态灵敏度T 热线的时间常数由热线的频率特性可见 电压e一阶滞后于流速v 在恒温风速仪中 速度脉动引起的测量桥路不平衡误差信号 经过放大 并按一定的相位关系反馈到桥路顶端 调整桥路供电电压 使测量桥路自动平衡 这种负反馈作用使整个系统的时间常数比热线的时间常数小500倍 从而大大的拓宽了测量气流脉动的频率范围 06 04 清华大学热能工程系 31 恒温风速仪在使用中的关键问题是系统的频率最佳化的调节问题因为希望在一定的频率范围内 风速仪对速度脉动的响应是均匀的 这就需要最佳化调节 最佳化调节就是将风速仪系统调节到测量精度所允许的最宽 最适当的频率响应范围 方波试验 利用具有高次谐波的方形波这种特殊形状的电流加在热丝上 以代替加在热丝上的实际风速 来调节风速仪系统的最佳频率响应 得到风速计的截止频率 06 04 清华大学热能工程系 32 06 04 清华大学热能工程系 33 七 智能流速测量系统 06 04 清华大学热能工程系 34 06 04 清华大学热能工程系 35 06 04 清华大学热能工程系 36 3 系统利用了单片机控制操作处理技术 实现了多种智能化功能 提高了自动化程度 有 1 冷电阻的自动测量 2 过热比的自动调节 3 工作电阻的自动测量 4 探针电流的安全加载 5 偏置电压的自动调节 6 系统硬件的自动诊断 06 04 清华大学热能工程系 37 4 系统稳定性好 频带很宽 一般可达700KHz以上 比传统HWFA宽三到五倍 改善了系统的动态性能 5 系统配置了WindowsNT平台上的多功能多用途的先进软件包 大大地扩大了使用范围 软件功能有较大的发展 06 04 清华大学热能工程系 38 八 热线风速仪的应用 三个速度的分离和测量通常速度分量的测量是建立在热线方向的灵敏度基础上的 为了对脉动分量获得最大并且相同的灵敏度 一般总是将热线放置在与平均流速成45度角的位置上 单线探针法这种方法就是在热线对速度和偏航角敏感关系式的基础上 用绕探针轴旋转以改变偏航角的办法 建立具有u v w三个未知数的三个方程 然后解出u v w以实现三个速度分量的分离和测量 热线的脉动电压输出是平均流速和流动角度的函数 在小扰动情况下 06 04 清华大学热能工程系 39 从上式可得 其中 速度灵敏系数 角度灵敏系数