流速测量PPT课件

.,第一节机械法测速技术第二节皮托管测速技术第三节热线测速技术第四节激光多普勒测速技术第五节粒子图像测速技术,第七章流速测量,.,在热能与动力机械工程中，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。随着现代技术日新月异的发展，流速的测量方法和相应的测量仪器也越来越多。在热能与动力机械中，目前常用的流速测量方法有机械法测速,皮托管测速,热线流速仪测速和激光多普勒流速仪测速等。本章将比较简要地介绍这些测量方法的基本原理及其技术特点。,.,第一节机械法测量流速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测量的。常用的机械式风速仪有翼式与杯式两种，早期可测量1520m/s以内的气流速度。现代的翼式风速仪可测定0.2530m/s的气流速度，可测量脉动的气流和速度的最大值，最小值及流速平均值。,.,.,机械式风速仪可用来测定仪表所在的位置的气流速度，也可用于大型管道中气流的速度场，尤其适用于相对湿度较大的气流速度的测定。利用机械式风速仪测定流速时，必须保证风速仪的叶轮全部放置于气流流速中，其叶片的旋转平面和气流方向之间的偏差，若在10度角的范围以内，则风速仪的读数误差不大于1。如果偏转角度在增大，将使测量误差急剧增加。,.,翼式风速仪,杯式风速仪,.,第二节皮托管测速技术一基本构造和测速原理从热力学和流体力学的基本定律可知，当气流速度较小时，可不考虑流体的可压缩性，并认为它的密度为常数。此时有,只要测得总压（滞止压力）和静压（流体压力）之差以及流体的密度，就可以利用上式确定流体速度的大小。,不可压缩流体,.,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，应作适当的修正为此，引入皮托管的校准系数，将式改写为合理地调整皮托管各部分的几何尺寸，可以使得总压、静压的测量误差接近于零。当气体流动的马赫数Ma0.3时，还应考虑气体的压缩性效应，此时可用下式进行流速计算,可压缩流体,.,测量动压除可以使用静压管和总压管分别测量静压和总压，然后接入U型管确定动压值外，还可以采用总静压风速管进行测量。,一、动压管（毕托管）1、L型动压管,.,2、T型动压管,.,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。,.,二、二维气流速度的测量对于作平面流动的气流，可以来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感压探头、干管、传压管和分度盘等组成。其中，探头可以做成各种形状，如圆柱形、球形、尖劈形和楔形等等。在探头的三个感压孔中，居中的一个为总压孔，两侧的孔用于探油气流方向，故也称方向孔。当面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，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。,.,.,以圆柱形三孔测速探头为例,根据推导,当两方向孔在同一平面内呈直角分布时，对气流的方向最为敏感。因此，三孔测速管探头上的感压孔都布置为：两方向孔在同一平面内呈90度，总压孔开设在两方向孔的角平分线上。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。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分别为,测量流体总压,测量流动方向,.,三.皮托管的标定方法测压管的标定是在校正风洞内采用比较法进行标定的。最常见的校准风洞是射流式风洞。,.,.,第三节热线测速技术一、基本原理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。热线风速仪是利用被加热的金属丝（称为热线）的热量损失来测量气流速度的。,.,.,风速仪的热线探头为惠斯通电桥的一臂，由仪器的电源给金属丝供电。当被测流体通过被电流加热的金属丝或金属膜时，会带走热量，使金属丝的温度降低，其降低程度取决于流过金属丝的气流速度。当热线向流体散热达到平衡时，有,.,.,流体速度是流过热线的电流和热线电阻（热线温度）的函数,.,二、恒流型热线风速仪在热线工作过程中，人为地用一恒值电流对热线加热，即IW为常数。由于流体对热线的对流冷却，且冷却能力随着流速的增大而加强。当流速呈稳态时，则可根据热线电阻值的大小（即热线的温度高低）确定流体的速度。,因此，流体的速度只是流过热线的电流和热线电阻（热线温度）的函数，即,.,电路简单,.,三、恒温型热线风速仪如果在热线工作过程中，始终保持热线的温度TW不变，则可通过测得流经热线的电流值来确定流体的速度。这种形式的风速仪叫恒温型热线风速仪或恒电阻型热线风速仪。由于热线的温度不变，所以其电阻值也不变，这时加热电流随流体的速度而变化。,.,恒温(恒电阻)式,.,.,.,.,.,第三节激光多普勒测速技术激光多普勒测速技术自20世纪开始应用于管内水流以来,得到了飞速的发展。它属于非接触测速。优点在于:对流场无干扰；输出特性的直线性相当好，不必进行标定；测量精度不受流体折射率以外的其他物理性能及温度、压力等参数的影响；空间分辨率高、无惯性，因而频响特性好；测速范围广、可以从l0-3mms级的低速到超音速；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。缺点在于:激光多普勒流速仪是一个比较庞大的测量系统，与皮托管相比，它不仅价格昂贵，而且使用操作复杂，同时还必须在流动管壁上设置激光观测窗口，以及在被测流体中加裁能够充分响应流体速度的散射微粒等。,.,一激光多普勒测速原理激光多普勒流速仪是利用激光多普勒效应进行流速测量的。当激光照射到跟随流体一起运动的微粒上时，微粒散射的散射光频率将偏离入射光频率，这种现象就叫激光多普勒效应，其中散射光与入射光之间的频率偏离量称作多普勒频移。多普勒频移与微粒的运动速度，即流体的流速成正比。因此，测量出多普勒频移就可以测得流体的速度。,定向发光亮度高颜色纯,=cf,光速c=3x108m/s,.,.,二测量多普勒频移的基本光路系统检测多普勒频移有两种基本方法，即直接检测和外差检测。前者是通过直接测量散射光频率来求取多普勒频移，因受测量仪器频率特性的限制，只能用于有限的场合，因此目前常用的是外差检测方法。这种方法是通过检测两束光波之间的频率差，经转换后得到多普勒频移。外差检测法的基本光路系统大致有三种，即参考光束系统、单光束系统和双光束系统。,.,.,.,可见，无论双光束系统还是参考光速系统和单光速系统,速度分量和频差之间的表达形式完全相同。但从上述表达式的推导过程可以看到,双光束系统有一突出的优点，即多普勒频移与光电检测器的接收方向无关，这也正是在以上介绍的三种检测方式中双光束系统得到最广泛应用的原因。无沦采用哪一种类型的光路，激光多普勒流速仪都出以下基本部分组成：激光器、光分束器(分光镜)、光聚焦发射系统(透镜)、光信号收集均检测系统(光阑和光电检测器)、频率信号处理系统以及散射微粒等。,.,.,激光器:激光多普勒流速仪所采用的激光器主要有两种：氦氖激光器和氩离子激光器,使用较多的是氦氖激光器。散射微粒:激光多普