实验流体力学5

1、第第5 5章章 热线风速仪与湍流测量热线风速仪与湍流测量 5.1 湍流测量仪器的基本要求湍流测量仪器的基本要求 5.2 热线风速仪的工作原理热线风速仪的工作原理 5.3 热线风速仪的校准热线风速仪的校准 5.4 热线风速仪测量方法热线风速仪测量方法 5.5 热线技术在湍流测量中的应用热线技术在湍流测量中的应用实验流体力学一一.层流与湍流：层流与湍流：5.1 5.1 湍流测量仪器的基本要求湍流测量仪器的基本要求1.1.两种流态两种流态层流和湍流：层流和湍流：2320ReVdc雷诺试验（雷诺试验（18831883）临界雷诺数临界雷诺数圆管流动的两种流态：圆管流动的两种流态：雷诺实验雷诺实验 层流管

2、流层流管流 湍流管流湍流管流2.2.湍流的特征：湍流的特征： 湍流的流动参数在时间、空间上的分布具有一湍流的流动参数在时间、空间上的分布具有一定的随机性，但又不完全是随机运动，湍流中还存定的随机性，但又不完全是随机运动，湍流中还存在相干结构在相干结构。随机性：随机性：混合性：混合性：涡旋性：涡旋性：TudtTu01uuu时均速度：时均速度：湍流速度湍流速度= =脉动速度脉动速度时均速度时均速度+ +湍流的脉动现象与时均速度湍流的脉动现象与时均速度 统计特性与分析方法：统计特性与分析方法：热线仪输出信号热线仪输出信号3.3.层流转捩为湍流：层流转捩为湍流：伯勒德涡伯勒德涡 湍流不是纯粹的随机现象

3、。湍流中，在随机湍流不是纯粹的随机现象。湍流中，在随机的地点、随机的时间不断发生有显著特征的流动的地点、随机的时间不断发生有显著特征的流动结构。这些结构被称为相干结构。结构。这些结构被称为相干结构。 如图为近壁区俯视图。黑色低速条带区如图为近壁区俯视图。黑色低速条带区u u 00，灰色阴影是流向涡。典型的条带间距为灰色阴影是流向涡。典型的条带间距为 + +=100=100。4.4.湍流的相干结构：湍流的相干结构：流向涡与低速条带：流向涡与低速条带：马蹄形涡（马蹄形涡（HairpinHairpin涡）：涡）： 壁湍流：无控制（左）和吹吸控制（右）对流相涡的影响鲨鱼皮与游泳衣鲨鱼皮与游泳衣肋条减阻

4、：肋条减阻：改变壁面湍流相干结构，从改变壁面湍流相干结构，从而达到改变湍流的目的。而达到改变湍流的目的。湍流控制的概念：湍流控制的概念：二二. .湍流测量基本要求：湍流测量基本要求：测量系统应满足以下要求测量系统应满足以下要求: :检测元件尺寸应满足以下要求检测元件尺寸应满足以下要求: :1.1.仅引起可允许的最小干扰。仅引起可允许的最小干扰。1.1.仪器的惯性必须小，能及时响应最快的脉动（一仪器的惯性必须小，能及时响应最快的脉动（一般般5kHz5kHz）。）。2.2.小于湍流的最小涡的尺度（一般小于湍流的最小涡的尺度（一般1mm1mm）。）。2.2.仪器必须稳定，至少在一次实验中校准系数不仪

5、器必须稳定，至少在一次实验中校准系数不显著变化。显著变化。3.3.仪器必须足够灵敏，能分辨脉动的微小差别仪器必须足够灵敏，能分辨脉动的微小差别（一般脉动值平均值（一般脉动值平均值2%2%）。）。4.4.仪器必须有足够的强度和刚度，不能因湍流仪器必须有足够的强度和刚度，不能因湍流运动引起振动或移动。运动引起振动或移动。5.2 5.2 热线风速仪的工作原理热线风速仪的工作原理一一. .热线风速仪结构：热线风速仪结构： 热线风速仪通过感受暴露于流体中的电加热丝（热线风速仪通过感受暴露于流体中的电加热丝（膜）的热传输的变化来测量流体的速度。它的探头尺膜）的热传输的变化来测量流体的速度。它的探头尺寸小、

6、频率响应高，适用于湍流测量。寸小、频率响应高，适用于湍流测量。热线仪输出的桥电压信号热线仪输出的桥电压信号E EB B 模拟流速模拟流速 U U的变化：的变化：二二. .热线热线/ /热膜探头：热膜探头：直径直径150 m钨丝钨丝/铂膜铂膜 二维边界层探头二维边界层探头1243-201243-20气体探针的白金膜直径气体探针的白金膜直径5050 m m、敏感元件长、敏感元件长1mm1mm、叉杆间距、叉杆间距1.65mm1.65mm，温度系数，温度系数0.00240.0024 / / C C。热膜探针的过热比设在。热膜探针的过热比设在1.41.4左右即可。左右即可。1243-201243-20探

7、针正常工作时，探针的环境温度应在探针正常工作时，探针的环境温度应在150150 C C以下，敏感元件的最大工作温度不超过约以下，敏感元件的最大工作温度不超过约400400 C C，否则，否则可能损坏。一般在常温空气中，敏感元件的工作温度可能损坏。一般在常温空气中，敏感元件的工作温度为为250250 C C。 热丝探头热丝探头热膜探头热膜探头金属敏感元件的材料性能：金属敏感元件的材料性能：型号覆铂钨丝（气体）覆铂钨丝（气体）-T1.5铂热膜（气体）铂热膜（气体）铂热膜（液体）铂热膜（液体）-10-20-10W-20W电阻温度系数电阻温度系数 10.00420.0024最大环境温度最大环境温度15

8、0150/30030最大探头工作温最大探头工作温度度 30042567敏感区长度敏感区长度mm1.270.511.270.511.27叉尖距离叉尖距离mm1.021.651.021.65敏感区直径敏感区直径 m3.825.450.825.450.8三三.热线测速仪的工作原理：热线测速仪的工作原理： 有两种类型的热线测速仪：有两种类型的热线测速仪： 即恒温式测速仪即恒温式测速仪和恒流式测速仪。和恒流式测速仪。 常用的是恒温式热线测速仪：常用的是恒温式热线测速仪：1.1.电阻温度关系：电阻温度关系：1()samaRRTTRS 热线工作电阻Ra 参考温度下的热线电阻 电阻温度系数（ 1）Tm 热线工

9、作温度（沿柱长平均）Ta 流体(参考)温度E 热线仪输出电压U 流速A、B、n 校准常数一般条件下： n 0.2(水)， n 0.5(空气)2.2.热线的静态热传输：热线的静态热传输：King公式（无限长圆柱强迫对流传热解 ）电阻温度关系：电阻温度关系：1()samaRRTT恒温式热线仪恒温式热线仪反馈电路反馈电路E=EB3.3.恒温式热线仪的动态热传输：恒温式热线仪的动态热传输：)(12nasasBUARRRRII 通过热丝的电流强度准静态近似准静态近似（Corrsin, 1963Corrsin, 1963）：）： 当热丝绕流的时间尺度远小于湍流当热丝绕流的时间尺度远小于湍流Kolmogor

10、ovKolmogorov尺尺度时，用热丝的静态热交换规律近似描述热丝动态特度时，用热丝的静态热交换规律近似描述热丝动态特性是完全可行的。性是完全可行的。即，用热丝的静态热交换规律近似描述热丝动态特性。即，用热丝的静态热交换规律近似描述热丝动态特性。 由平衡条件，单位时间内热丝的热耗散等于同一由平衡条件，单位时间内热丝的热耗散等于同一时间内电流通过热丝时产生的热量。有：时间内电流通过热丝时产生的热量。有：)(12nasasBUARRRRIdtdQ不平衡状态下的能量守恒为：不平衡状态下的能量守恒为： 在非定常流场中，热丝与周围流体间的热交换处在非定常流场中，热丝与周围流体间的热交换处于不平衡状态，

11、热丝产生的热量将不等于流体带走的于不平衡状态，热丝产生的热量将不等于流体带走的热量。这时，有：热量。这时，有：热线的动态响应方程为：热线的动态响应方程为： HhRIiRRrRrdtdHRmCsssss) 1() 1(2)(asRRR/热惯性：热线测速仪输出的电信号出现的振幅衰减热惯性：热线测速仪输出的电信号出现的振幅衰减和相位滞后的现象。和相位滞后的现象。, , nsssRRrIIiHABUHh上式中：上式中：为电阻的过热比。为电阻的过热比。 可用补偿放大器将振幅衰减和相位滞后补偿到可用补偿放大器将振幅衰减和相位滞后补偿到原来的水平，以消除热惯性的影响。并可适当放大原来的水平，以消除热惯性的影

12、响。并可适当放大热线信号，输出足够电平。热线信号，输出足够电平。（a a）热丝响应）热丝响应恒温式热线风速仪的频率响应调整：恒温式热线风速仪的频率响应调整：方波试验桥电压输出的最佳信号波形方波试验桥电压输出的最佳信号波形 (b)(b)圆柱形热膜响应圆柱形热膜响应 空气速度校准仪空气速度校准仪1128B 1128B 压缩空气压强传感器空气喷嘴探杆夹具5.3 5.3 热线风速仪的校准热线风速仪的校准一一.速度校准仪：速度校准仪：空气速度校准仪1128B 例：单热丝探头校准曲线例：单热丝探头校准曲线二二. .速度校准：速度校准：例：单热丝探头校准曲线例：单热丝探头校准曲线例：双热膜探头校准曲线例：双

13、热膜探头校准曲线44332210EAEAEAEAAU或者采用四次多项式拟合的校准曲线：或者采用四次多项式拟合的校准曲线： 校准曲线（校准曲线（KingKing公式）：公式）： 2()nEABU* *校准时记录气压、气温和给定风速下的桥电压；校准时记录气压、气温和给定风速下的桥电压； * *测量时由桥电压计算风速，并根据气压、气温对测量时由桥电压计算风速，并根据气压、气温对校准结果进行修正。校准结果进行修正。无限长热线有效冷却速度：无限长热线有效冷却速度：cosUUc2/1222)sin(cosTcKUU有限长热线 敏感元件的方向性敏感元件的方向性三三. .方向校准：方向校准：X X探针的校准：

14、探针的校准： 双丝校准时，应注意热线的方位，不同方位双丝校准时，应注意热线的方位，不同方位下对流的影响不一样。下对流的影响不一样。 X X探针用于同时测量平面上两个流速分量探针用于同时测量平面上两个流速分量U U1 1和和U U2 2，以及湍流应力的时间平均值。，以及湍流应力的时间平均值。1.1.实验设备和模型：实验设备和模型： 变频调速小风洞。变频调速小风洞。5.4 5.4 热线风速仪测量方法热线风速仪测量方法2.IFA3002.IFA300采集数据：采集数据：打开校准文件打开校准文件命名数据文件命名数据文件输入采样点坐标输入采样点坐标 设置采样率、数据量。设置采样率、数据量。实验段：平板边

15、界层实验实验段：平板边界层实验采样信号波形图界面（两通道采样信号波形图界面（两通道） 注意：测量与校准时注意：测量与校准时的热线方位要一致。的热线方位要一致。5.5 5.5 热线技术在湍流测量中的应用热线技术在湍流测量中的应用（1 1）时均速度：）时均速度：（2 2）湍流强度：）湍流强度：（3 3）相关系数：）相关系数：（4 4）雷诺剪应力：）雷诺剪应力：（5 5）耗散尺度：）耗散尺度：（6 6）泰勒微尺度：）泰勒微尺度：（7 7）积分尺度：）积分尺度：（8 8）偏斜因子：）偏斜因子：（9 9）平坦因子：）平坦因子：湍流量测量：湍流量测量： 习题习题1 1：简述恒温式热线风速仪的工作原理（绘原：简述恒温式热线风速