第7章 流速测量ppt课件

1、2022-2-91第七章第七章第七章 流速测量流速测量学习要求学习要求 要求掌握常用的流速流量测量方法及相关要求掌握常用的流速流量测量方法及相关测量仪表测量仪表( (主要掌握皮托管测速、热线流速仪）主要掌握皮托管测速、热线流速仪）的组成及测量原理。的组成及测量原理。2022-2-92第七章流速测量方法流速测量方法皮托管皮托管热线流速仪热线流速仪激光测速激光测速激光技术激光技术多普勒效应多普勒效应计算机技术计算机技术PIV粒子图像仪粒子图像仪热交换理论热交换理论热丝的温阻特性热丝的温阻特性一维管道流理论一维管道流理论伯努里方程伯努里方程激光技术激光技术相关分析技术相关分析技术计算机技术计算机技术

2、流速测量在热能动力机械工程中的意义流速测量在热能动力机械工程中的意义研讨：进排气管、燃烧室内气流运动对工研讨：进排气管、燃烧室内气流运动对工作过程的影响；作过程的影响； 水泵叶轮内的水流运动规律水泵叶轮内的水流运动规律 锅炉、换热器内流体运动规律锅炉、换热器内流体运动规律 传热传质学研究，芯片散热问题传热传质学研究，芯片散热问题监控：水文监测监控：水文监测2022-2-93第七章第一节第一节 皮托管测速皮托管测速发展过程发展过程1732年年 法国工程师法国工程师 Henri Pitot 发现一段密封的直发现一段密封的直管迎着流动的流体，可测出流体总压，减去静管迎着流动的流体，可测出流体总压，减

3、去静压能算出流速，发明了原始的皮托管；压能算出流速，发明了原始的皮托管；1905年年 德国大流体力学家德国大流体力学家 L. Prandtl 修改了修改了 Henri Pitot 发明，与今天的皮托管结构一样，能直接发明，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测出流体的总压和静压之差动压，直接算动压，直接算出流速，但仍称皮托管；出流速，但仍称皮托管；1920年后，英国国家物理实验室年后，英国国家物理实验室NPL)对皮托管的对皮托管的结构、特性作了详细研究，为制定皮托管的标结构、特性作了详细研究，为制定皮托管的标准奠定了基础；准奠定了基础；1943年年 英国出台皮托管国家标准；英

4、国出台皮托管国家标准；1977年年 ISO颁布关于用皮托管测速的国际标准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。由于皮托管的主要测量对象为气体，故又称风速管。2022-2-94第七章 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2012ppconst总压力静压力(静压)动压力(动压)2022-2-95第七章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

5、，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：0221ppppp2)(20)(TTppbbbp22022-2-96第七章用马赫数用马赫数Ma表示可压缩气体流速：表示可压缩气体流速：)1 (2 )1 (2 pkpavMapvpka马赫数：流速：当地声速：当气流马赫数当气流马赫数Ma大于大于0.3时，须进行压缩性修正。时，须进行压缩性修正。为压缩性修正系数。为压缩性修正系数。)1(2pMa0.10.20.30.40.60.81.00.00250.01000.02250.04000.090000.17300.27

6、502022-2-97第七章 2. 结构型式结构型式 直角型直角型L形皮托管形皮托管 带半圆形头部的标准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，防头部发生脱体带锥形头部的皮托管，高速气流测量，防头部发生脱体激波激波P0P0总压总压力力P P静静压压力力( (静静压压) )2022-2-98第七章3. 笛形管测速的基本原理笛形管测速的基本原理 202ppK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P0P0总压总压力力P P静静压压力力( (静静压压) )2022-2-99第七章吸气式负压管道）遮板式高尘气流）靠背式高尘气流）2022-2-910

7、第七章 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、外形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2022-2-911第七章 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：探头形状：球形球形尖劈形尖劈形圆柱形：普通圆柱形：普

8、通发散发散聚合聚合2022-2-912第七章3. 测量原理 流体绕流圆柱体的压力分布得：023123122322145 02cos 002sin2cos4 0)( 2sin2sin2)(sin1 21)(sin1 21得：令：pppppppp 圆柱三孔测速管探头总压孔与方向孔的夹角为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：时，方向灵敏度最高。这时转动干管，使：12212132022122 21)45sin41 (2121 0pppppppppp则：2022-2-913第七章 三三.皮托管的标定皮托管的标定1. 校准风洞校准风洞射流式校准风洞组成：射流

9、式校准风洞组成：稳流段，稳流段，收敛器。收敛器。 A、B两点处总压相等。两点处总压相等。 ppppppppvBABA0000)(2)(22022-2-914第七章第二节第二节 热线流速仪测速热线流速仪测速v 主要用途主要用途v 用于测量气体的平均流速、脉动速度和用于测量气体的平均流速、脉动速度和流动方向。流动方向。v 主要优点主要优点v 几何尺寸较小，对气体流动干扰小，可测几何尺寸较小，对气体流动干扰小，可测量一般探针难以测量的地方；量一般探针难以测量的地方；v 热惯性小，特别适合气流脉动如叶栅后热惯性小，特别适合气流脉动如叶栅后的气流尾迹丈量。的气流尾迹丈量。 2022-2-915第七章1.

10、 构造构造 探头：热线、热探头：热线、热膜膜 一元、二元、一元、二元、三元三元 铂、钨、铂铹、铂、钨、铂铹、铂铱铂铱 信号和数据处理信号和数据处理系统系统 2. 对探头材料的要对探头材料的要求求电阻温度系数大电阻温度系数大机械强度高机械强度高电阻率高电阻率高热传导率小热传导率小最高可用温度高最高可用温度高材料材料单位单位钨钨铂铂铂铹铂铹铂铱铂铱成分成分%10010090-1080-20电阻温度系电阻温度系数数/0 0C C0.00350.00360.00160.0008最大可用温最大可用温度度0 0C C300800850750抗拉强度抗拉强度MPa42002461000典型可用直典型可用直径

11、径mm50.5-11010电阻率电阻率10-6cmcm5.51018.432一一. 基本构造基本构造2022-2-916第七章主要原理主要原理 通电探头在流体中的换热规律。忽略轴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向导热、辐射换热，只考虑热丝膜与流体的对流换热，有关系：对流换热，有关系： 热丝膜电功率热丝膜电功率 = = 对对流换热量流换热量恒定电流通过电阻丝热线时，热线发热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，发热体降气体流过发热体时，会带走部分热量，发热

12、体降温；气流带走热量多少与风速大小有关系温；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可根据热线的电阻大小来确定气流速度值2. 2. 实际测量实际测量热线阻值变化，电桥输出电压变化，气体流速可热线阻值变化，电桥输出电压变化，气体流速可确定；确定；电压变化与气体流速大小的关系在标准风洞中标电压变化与气体流速大小的关系在标准风洞中标定。定。 二二. 热线风速仪工作原理热线风速仪工作原理( ,)wvf I R2022-2-917第七章三. 热线风速仪的种类1.1.恒温恒温( (恒电阻恒电阻) )式热线风速式热线风速仪仪气体速度变化热线温度变化热线温度变化热线阻值变化电桥电路

13、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热线温度恢复2022-2-918第七章2.恒流式型热线风速仪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桥臂电流恢复Ra电阻变化量确定流速电桥恢复平衡2022-2-919第七章方向特性 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

14、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。2022-2-920第七章Doppler效应：任何形式的波在传播时，波效应：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。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

15、勒频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。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。测得频率的频移量，即可知道粒子运动速度。第三节第三节 激光多普勒流速仪测速激光多普勒流速仪测速LDV: Laser Doppler VelocimeterLDV: Laser Doppler Velocimeter2022-2-921第七章一. 工作原理 cos1)(1)()(1 ()1)(1 ()1 ()1 (isiDisiisiisDisisiisspsiipKKVfKKVKKVcffffcKKVfcKVcKVffc

16、KVffcKVffDinniDnisfvvfvVKK2sin2 2sin2cos 2sin22022-2-922第七章二二. 测量多普勒频移的基本测量多普勒频移的基本光路系统光路系统 直接测量法直接测量法 外差检测法外差检测法1.参考光束系统基准光束参考光束系统基准光束系统）系统） 进入光电检测器进入光电检测器PD的两束的两束光：光：参考光参考光 fi 散射光散射光 fsDinniiriisDirisfvvKKVfffcKKVff2sin22sin2)(1)(1 ( 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，即光电检测器接受到参考光束和散射光束后，通过光电转

17、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。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 1:90-992022-2-923第七章2.2.单光束系统单光束系统 光路布置光路布置 进入光电检测器进入光电检测器PDPD的两束散射光的两束散射光 fs1 fs2fs1 fs2DinnississDisisisisfvvKKVfffcKKVffcKKVff2sin22sin2)(1)(1 ()(1

18、 (21212211特点：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；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； 光能利用率低光能利用率低 测量环境要求避光测量环境要求避光 因此单光束系统用得很少。因此单光束系统用得很少。2022-2-924第七章3.3.双光束系统双光束系统 光路布置，光电检测器光路布置，光电检测器PDPD方向任意，方向任意， 进入光电检测器进入光电检测器PDPD的两束散射光：的两束散射光： fs1 fs2fs1 fs2DinniiiissDisisisisfvvKKVfffcKKVffcKKVff2sin22sin2)(1)(1 ()(1

19、(21122211特点：特点： fD与与KS无关；因此双光束系统使用广泛。无关；因此双光束系统使用广泛。系统布置方案：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。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，个窗口， 信噪比小。信噪比小。2022-2-925第七章三三. 判别流速和方向的移频装置判别流速和方向的移频装置 两束频率稍有不同的光束相两束频率稍有不同的光束相交，将产生干涉条纹，从条纹交，将产生干涉条纹，从条

20、纹的移动特性可判断流体运动方的移动特性可判断流体运动方向。向。 带频移装置的双光束系统，带频移装置的双光束系统，经移频，入射光频率为：经移频，入射光频率为：2211 ffffffiiiisisiiiisiiiiiFiisffvDfffff2sin22sin)( 2sin22sin)( 212121212121干涉条纹移动速度：干涉条纹间距：记： 由于由于 f1,f2 fi ,所以两束光所以两束光相交将产生干涉条纹。相交将产生干涉条纹。2022-2-926第七章四四. 激光器和散射微粒激光器和散射微粒 1. LDV的组成：的组成： 激光器激光器 氦氖激光器，氦氖激光器，i=623810-10 m, 价格低功率小，常用