流体力学第十一章流动测量技术

1、第11章 流动测量技术,流体力学实验研究包括三个方面的内容：,第一：根据相似理论的基本原理制作实验模型；,第二：流体力学的测量技术；,第三：实验数据的处理和分析。,本章主要介绍流体流动中压强、速度、流量的测量方法，其中一些方法直接应用流体力学的基本原理，如测压 管、U形管、毕托管、文丘里管等，另外一种测量方法是利 用光、电学原理，将速度、压强转换成模拟电压，如压力 传感器，热线测速技术和激光测速技术等，这些测量仪器 与微机联系起就可实现测量技术自动化。,11.1压强的测量,工程中压强的测量通常是指两点的压强差、或点压强与大气压强的差值，因而属于压差的测量。,一测压孔,测压孔用于测量壁面的静压，

2、其方法是在壁面开一小孔，将压强引至测压管，管流中的压强，绕流物体表面某点的压强都可以用开孔的方法测取。,测压孔径D一般为0.5mm左右，D越大，流线弯曲越严重，误差越大，孔的轴线应垂直于壁面，孔的边缘不应有毛刺。,二液柱式差压计,液柱式差压计是根据流体静力学的原理设计出来的，由于缓变流的压强分布也服从静压分布规律，因而它可以用于静压的测量，也可以用于缓变流的压差的测量。,1 U形管,U型管差压计简称为U形管，用于测量比较大的压差,用于测量液体的压差，在测量管流有沿程损失的可使用这种压差计根据伯努利方程：,只要测得平均速度v、读h、管段长度l和D，可求。,2形管,多管压差计是由若干U形管组成的，

3、工作液体通常是水，它用于测量气体密度绕流物体表面的压强分布，气流的伯努利方程：,式中：P0是驻点压强，P和P分别是来流和测压点压强。,3多管测压计,测点的压强系数定义是：,其含义是：测量压强相对于来流压强的变化率。,例11-1 圆柱体表面压强系数的测量。,三微压计,微压计用于测量较小压差，微压计种类很多，钟罩式微压计是一种精度很高的仪器，其主要工作部件是一个倒放的圆筒，俗称种罩，筒底在上，开口向下并没入酒精中。钟罩用轴与上下弹簧相连，弹簧片开有若干个小孔，使气体压强能传入钟罩底面，当微压计上部接高压，下部接低压时，在压差作用下，钟罩向下位移，直至压差与弹簧力达到平衡，这时在连轴上的铁芯随钟罩一

4、起向下位移y，因而差动变压器两个输出线圈电压E1和E2不等。,电压差很小，需要放大，并经过数模转换，最终用数字仪表显示。,E= E2- E1与y成正比，即有：,设钟罩底面积为A，弹簧系数为k，当压力差与弹簧片平衡时,是常数，称为灵敏系数。,11.2 毕托管,如果不考虑粘性力和重力时，不可压缩流体的伯努利方程：,即总压=静压+动压，只要测出总压和静压之差，就可以求出流场中某点的速度u，毕托管就是根据此原理设计，毕托管由一根细管和一根套管组成，细管用于测P0套管用于测静压P,流体的点速度为：,将总压和静压接到差压计，可求出u，毕托管用于测量液体和低速气流（马赫数M0.3）的速度。,毕托管的外径D通

5、常为8mm，最大不超过15mm为宜，头部以半椭圆球形最佳，但半球形头部更易制造，对来流偏而不敏感，因而均采用半球形，外套上的测压孔一般为8个，其位置对测量精度有一定影响，头部的存在使测得流速偏大，如果测压孔的位置靠近头部测得的静压就会偏低，造成负误差，相反尾杆起阻碍作用，使附近的流速变小，压强增大，造成正误差，为了消除正、负误差，通常静压孔的位置离头部3D，距尾杆810D，由于头部的粘性，形状，测压孔的位置以及制造工艺的影响，毕托管的公式应作修正，即：,称为毕托管的速度系数，其值用实验方法确定，称作毕托管的标定。用测量精度很高的标准毕托管（NPL管）和待测毕托管测量同一位置的速度，比较其结果就

6、可求出。,用毕托管测量亚音速气流时，要考虑马赫数的影响，这时压差P0-P并不完全等于动压 ，例如对于等熵气流,对于空气，绝热指数上式可展成级数形式,通常，当M0.3时，必须考虑压缩性的影响。,11.3 流量计,一 . 文丘里流量计,由收缩管、喉部、扩散段三部分组成，收缩角1923，扩散角515。文丘里管一般用于液体流量的测量，如果用于可压缩性气流的测量，文丘里管就是拉伐尔管。,文丘里管的流量公式为：,式中为流量系数，用实验方法测定。,二 转子流量计,由一个竖直放置的圆锥形扩散管及圆球组成，锥底半径与圆球半径相同，半锥角为。圆球是一个不锈钢球壳，用于测量液体的流量，测量时，液体从下而上流过时，圆

7、球上升至h 时静止下来，这时，作用在圆球上的重力G、浮力F和阻力FD 保持平衡，即: 1,在Re=1033105范围内，阻力系数CD变化不大，可视为常数，CD=0.48。,由几何关系，可得到流量公式：,系数K由实验得到，通常将流量刻在外筒上。,三 孔板流量计,孔板流量计是一种节流装置。孔板由不锈钢板制成，中心开有圆孔，面积为A。流体经过孔板时形成一股射流，在下游形成最小截面，速度增加，从而引起孔板前后的压差P1-P2，流量越大，压差越大，对孔板前的截面1和射流最小截面2应用总流的伯努力方程有：,称为射流面积收缩系数。,为孔板流量计的流量系数。,四 堰板流量计,水越过一块具有切口的薄板而漫溢的流

8、动称为堰流。,堰板流量计用于测量渠道中的水流量。,堰板的切口有矩形、三角形和梯形三种。,堰口上方水舌速度不均匀，假定堰顶水位与上游水位相同。水舌的压强近似为大气压，沿某一条流线的伯努力方程为；,堰的上游可视为缓变流，因此：,且上游u10。,可见堰口的流速自上至下增大。,对矩形堰，流量为：,考虑各种因素引起的流量误差，引入流量系数m，则有：,因此,m用实验的方法测定，通常m=0.350.50。,对于梯形堰:,对于三角堰，流量为:,11.4 热线测速和激光测速技术,一 热线测速技术,根据换热原理可导出公式：,式中，A，B，n为待定系数，通过实验确定。Iw，Rw分别是热线的电阻和电流；Rf是当热线的

9、温度等于流体温度时所具有的电阻值；是导体的电阻温度系数；U 是气流速度 。,如果把一根热金属丝（称为热线）放在气流当中，由于热交换，热线的温度将发生变化，风速越大，带走的热量就越多，热线的温度变化也就越大，热线风速仪就是根据这个原理研制的。热丝是一种镀铂钨丝，丝径通常为5m。,从式中可以看出 , Iw和Rw，稳定其中一个，则另外一个为U的函数。相应地热线风速仪有恒流式和恒温式两种。,二 激光测速技术,激光（Laser）意为“辐射的受激辐射光放大器”（Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation） 气流充满管道内部空间，两端加以高

10、电压，使氦原子受到激励，成为激活原子，当激活原子发生辐射时 产生频率、相位、偏振相同的光波 。管两端装有反射镜，其中一个完 全反射，另一个部分反射，光子在 管腔内来回反射，使受激辐射不断 放大，加强形成激光。,多普勒效应：当人靠近声源时，所感受到的声音频率较高；远离声源时，感受到的声音频率较低。如火车驶近时，听到尖尖的鸣笛声，火车离时听到低沉的汽笛声。,光波与声波一样具有多普勒效应，根据光波的多普勒效应，设计制造了多普勒激光测速仪LDV。,如果是双光或激光测速仪，激光经过半反射镜M1和全反射镜M2分成两平行光束，经过聚焦透镜L之后聚焦于测点，如果有一粒子以速度V流过测点，则两束激光被粒子P散射后照到光检测器S，S接到两束光的频率分别是：,频移,因此速度在两束光的角平分线的垂直方向的投影分量u为：,只要测出光的频移fd就可以得出速度u。,11.5 气固两相流动的测量,包括气固流动速度的测量和从两相气流中抽取固体颗粒试样。,一气固两相流动速度的测量,1. 吹气式动压管,中心内管1从外部引入少量气体并由端口吹出，以防止尘粒进入管中，从中孔a感受并经2传出的压力近似为气体总压，从孔b感受并经间隙3传出的气流静 压。吹气式动压管使用前 需经较正调风和