第8章流体压强、速度和流量的测量

1、第第8章章 流体压强、速度流体压强、速度和流量的测量和流量的测量8.1 流体压强的测量流体压强的测量8.2 流体速度的测量流体速度的测量8.3 流量测量流量测量USTC8.2 流体速度的测量流体速度的测量1 风速管和多孔探头风速管和多孔探头2 风速管标定实验风速管标定实验3 热线风速仪热线风速仪4 激光多普勒测速仪激光多普勒测速仪5 粒子成像速度计粒子成像速度计USTC3 热线风速仪热线风速仪Hot Wire Anemometer1. 1. 热线风速仪的工作原理热线风速仪的工作原理2. 2. 热线风速仪的静态特性热线风速仪的静态特性3. 3. 两种运行方式两种运行方式4. 4.热线风速仪的标定

2、热线风速仪的标定USTC3 热线风速仪热线风速仪v热线测速仪热线测速仪（Hot Wire Anemometer，简称，简称HWA），发明），发明于于2020世纪世纪2020年代。它是年代。它是将流体速度信号转变为电信号的一将流体速度信号转变为电信号的一种测速仪器，也可用于测量流体的温度。种测速仪器，也可用于测量流体的温度。v其其基本原理基本原理是，将一根细的金属丝放在流体中，通过电流是，将一根细的金属丝放在流体中，通过电流加热金属丝，使其温度高于流体的温度，因此将金属丝称加热金属丝，使其温度高于流体的温度，因此将金属丝称为为“热线热线”。当流体沿垂直方向流过金属丝时，将带走金。当流体沿垂直方向

3、流过金属丝时，将带走金属丝的一部分热量，使金属丝温度下降。属丝的一部分热量，使金属丝温度下降。热线在气流中的热线在气流中的散热量与流速有关，散热量导致热线温度变化而引起电阻散热量与流速有关，散热量导致热线温度变化而引起电阻变化，流速信号即转变成电信号。变化，流速信号即转变成电信号。USTC3 热线风速仪热线风速仪v热线长度一般为热线长度一般为2mm，直径，直径5m ，最小的探头直径仅最小的探头直径仅1m，长为，长为0.2 mm。v材料为铂、钨或铂铑合金等材料为铂、钨或铂铑合金等熔点熔点高、延展性好的金属高、延展性好的金属。v根据不同的用途，热线探头还做根据不同的用途，热线探头还做成双丝、三丝、

4、斜丝及成双丝、三丝、斜丝及V形、形、X形形等。等。USTC3 热线风速仪热线风速仪v若以一片很薄若以一片很薄(厚度小于厚度小于0.1微米微米)的金属膜代替金属丝，即为热膜的金属膜代替金属丝，即为热膜风速仪，功能与热丝相似，但多风速仪，功能与热丝相似，但多用于测量液体流速。用于测量液体流速。USTC3 热线风速仪热线风速仪v热线测速仪的热线测速仪的优点优点是：是：（1）体积小，对流场干扰小；）体积小，对流场干扰小；（2）频率响应高，可达）频率响应高，可达1 MH z。（3）测量精度高，重复性好。）测量精度高，重复性好。（4）适用范围广。不仅可用于气体也可用于液体，在气体）适用范围广。不仅可用于气

5、体也可用于液体，在气体的亚声速、跨声速和超声速流动中均可使用；可以测量的亚声速、跨声速和超声速流动中均可使用；可以测量平均速度，也可测量脉动值和湍流量；还可以测量多个平均速度，也可测量脉动值和湍流量；还可以测量多个方向的速度分量。方向的速度分量。v热线测速仪的热线测速仪的缺点缺点是：是： 探头对流场有一定干扰，热线容易断裂。探头对流场有一定干扰，热线容易断裂。USTC3 热线风速仪热线风速仪强迫对流传热强迫对流传热-占主导地位。占主导地位。金（金（King, 1914）公式：）公式：TTdlhQwfUSTCViwQQ0.5ueNABRuehdNkvdR强迫对流传热气体热传导惯性力粘性力3 热线

6、风速仪热线风速仪USTC0.52211/fuewffwfwWWWWwfQNABRKingk A l TTtdQk A l TTt ABvQI R tI RTTABv强迫对流传热公式气体热传导强迫对流传走的热电流加的热热平衡时：3 热线风速仪热线风速仪USTC金属丝电阻随温度变化：金属丝电阻随温度变化：vBARRRRIRRRTTKKKKTTTTRRfwwwwwfwfww1100200001027130271302100,1100 . 7,1102 . 51105 . 5,1105 . 31得热平衡方程：钨丝：铂丝：3 热线风速仪热线风速仪USTC热线有两种热线有两种工作模式工作模式： 恒流式。通

7、过热线的电流保持不变，温度变化时，恒流式。通过热线的电流保持不变，温度变化时，热线电阻改变，因而两端电压变化，由此测量流速；热线电阻改变，因而两端电压变化，由此测量流速； 恒温式。热线的温度保持不变，如保持恒温式。热线的温度保持不变，如保持150，根据，根据所需施加的电流可度量流速。恒温式比恒流式应用更广所需施加的电流可度量流速。恒温式比恒流式应用更广泛。泛。3 热线风速仪热线风速仪USTC恒流式：恒流式：ER2R1RWe1R2 RwVBARIVBARRwfIw11002113 热线风速仪热线风速仪USTC恒恒温温式：式：R2R1R3RwI1I2IBe0V , Tw , Rw , e1 , e

8、2 - e1 , e0 , IB , eB , I1 , Tw , RW0011RRRRVBAIwfwRww3 热线风速仪热线风速仪v热线测速仪的热线测速仪的主要用途主要用途是：是：（1）测量平均流动的速度和方向。）测量平均流动的速度和方向。（2）测量来流的脉动速度及其频谱。）测量来流的脉动速度及其频谱。（3）测量湍流中的雷诺应力及两点的速度相关性、时间）测量湍流中的雷诺应力及两点的速度相关性、时间相关性。相关性。（4）测量壁面切应力（通常是采用与壁面平齐放置的热）测量壁面切应力（通常是采用与壁面平齐放置的热膜探头来进行的，原理与热线测速相似）。膜探头来进行的，原理与热线测速相似）。（5）测量

9、流体温度（事先测出探头电阻随流体温度的变）测量流体温度（事先测出探头电阻随流体温度的变化曲线，然后根据测得的探头电阻就可确定温度。除化曲线，然后根据测得的探头电阻就可确定温度。除此以外还开发出许多专业用途。此以外还开发出许多专业用途。USTC3 热线风速仪热线风速仪v热线探头在使用前必须进行热线探头在使用前必须进行校准校准。静态校准是在。静态校准是在专门的标准风洞里进行的，测量流速与输出电压专门的标准风洞里进行的，测量流速与输出电压之间的关系并画成标准曲线；动态校准是在已知之间的关系并画成标准曲线；动态校准是在已知的脉动流场中进行的，或在测速仪加热电路中加的脉动流场中进行的，或在测速仪加热电路

10、中加上一脉动电信号，校验热线测速仪的频率响应，上一脉动电信号，校验热线测速仪的频率响应，若频率响应不佳可用相应的补偿线路加以改善。若频率响应不佳可用相应的补偿线路加以改善。USTC4 激光多普勒测速仪激光多普勒测速仪(LDV)Laser Doppler Velocimeter v激光测速的激光测速的原理原理是：是测量通过激光束的示踪粒子的多是：是测量通过激光束的示踪粒子的多普勒信号，再根据速度与多普勒频率的关系得到粒子速普勒信号，再根据速度与多普勒频率的关系得到粒子速度。测得了粒子的速度，也就是流动的速度。度。测得了粒子的速度，也就是流动的速度。v激光测速的最主要的激光测速的最主要的优点优点是

11、对流动没有任何扰动，测量是对流动没有任何扰动，测量的精度高，测速范围宽，而且由于多普勒频率与速度是的精度高，测速范围宽，而且由于多普勒频率与速度是线性关系，和该点的温度，压力没有关系，是目前世界线性关系，和该点的温度，压力没有关系，是目前世界上速度测量精度最高的仪器。上速度测量精度最高的仪器。USTC4 激光多普勒测速仪激光多普勒测速仪(LDV)v基本光路基本光路VUSTC4 激光多普勒测速仪激光多普勒测速仪(LDV)v条纹模型条纹模型USTCfxzyzyyx4 激光多普勒测速仪激光多普勒测速仪(LDV)v条纹模型条纹模型USTCV12d2sin22sin20VdVfdD4 激光多普勒测速仪激

12、光多普勒测速仪(LDV)v基本布置基本布置V激光电源激光电源声光调制声光调制器电源器电源计算机计算机光电倍增光电倍增管电源管电源信号处理器信号处理器放大器放大器USTCv技术指标：技术指标：测速范围：测速范围：mm/s-1000m/s测速维数：测速维数：1维，维，2维或维或3维维测速精度：测速精度：0.1%工作光谱：工作光谱：514.5，488，476.5nmUSTC4 激光多普勒测速仪激光多普勒测速仪(LDV)1激光器：水冷氩离子激光器激光器：水冷氩离子激光器 输出功率：输出功率：5W 光束直径：光束直径：1.5mm 光束发散角：光束发散角：0.5mrad2分光器、光纤耦合器分光器、光纤耦合

13、器最大输入光功率：最大输入光功率：10W分光光谱：分光光谱：514.5，488，476.5nm内置布拉格盒内置布拉格盒3处理器处理器 最大输入多普勒频率：最大输入多普勒频率：FSA3500 100MHz FSA4000 175MHz最低可处理信噪比：最低可处理信噪比：-12dB数据传输速率：数据传输速率：400Mbps能够进行周期性流动测量能够进行周期性流动测量具备外部模拟具备外部模拟/数字信号输入功能数字信号输入功能USTC4 激光多普勒测速仪激光多普勒测速仪(LDV)4数据处理、显示软件数据处理、显示软件在线实时采集显示数据；支持数据回放；支持周期性流在线实时采集显示数据；支持数据回放；支

14、持周期性流动测量；支持各种速度统计：平均速度、均方根、剪应动测量；支持各种速度统计：平均速度、均方根、剪应力、湍流度；支持粒径统计：平均粒径、力、湍流度；支持粒径统计：平均粒径、D32、体积通量；、体积通量；各统计参数关联分布；提供各参数的自相关、互相关、各统计参数关联分布；提供各参数的自相关、互相关、功率谱分析；支持数据导出功率谱分析；支持数据导出5移动坐标架、探头安装导轨及控制器移动坐标架、探头安装导轨及控制器行程：行程：600X600X600mm；含探头安装支架及控制器；电；含探头安装支架及控制器；电缆长度：满足工作场地要求；位置分辨率：缆长度：满足工作场地要求；位置分辨率：0.01mm

15、；承；承重：重：50公斤以上；控制方式：完全计算机控制公斤以上；控制方式：完全计算机控制USTC4 激光多普勒测速仪激光多普勒测速仪(LDV)4 相位多普勒粒子分析仪（相位多普勒粒子分析仪（ PDPA） Phase Doppler Particle Analyzerv相位多普勒粒子分析仪顾名思义是利用多普勒效应来测量相位多普勒粒子分析仪顾名思义是利用多普勒效应来测量运动粒子的相关特性。它是由激光多普勒测速仪发展而来运动粒子的相关特性。它是由激光多普勒测速仪发展而来的，至今已有近二十年的历史。的，至今已有近二十年的历史。vPDPAPDPA所依据的所依据的基本光学原理基本光学原理是是LorenzL

16、orenzMieMie散射理论。如同散射理论。如同声波的多普勒效应一样，光源与物体相对运动也具有多普声波的多普勒效应一样，光源与物体相对运动也具有多普勒效应。在勒效应。在PDPAPDPA中，依靠运动微粒的散射光与照射光之间中，依靠运动微粒的散射光与照射光之间的频差来获得速度信息，而通过分析穿越激光测量体的球的频差来获得速度信息，而通过分析穿越激光测量体的球形粒子反射或折射的散射光产生的相位移动来确定粒径的形粒子反射或折射的散射光产生的相位移动来确定粒径的大小。大小。USTC4 相位多普勒粒子分析仪（相位多普勒粒子分析仪（ PDPA） Phase Doppler Particle Analyze

17、rv仪器包括仪器包括320mw320mw氩离子风冷激光器、激光耦合器、氩离子风冷激光器、激光耦合器、RSARSA信号信号处理器、数据处理系统以及激光发射和接收器等。一般情处理器、数据处理系统以及激光发射和接收器等。一般情况下，它的测速范围是况下，它的测速范围是-90-90283m/s283m/s，可测粒径范围是，可测粒径范围是0.50.59090m m，此范围还可通过更换发射镜头加以扩大。，此范围还可通过更换发射镜头加以扩大。USTC4 相位多普勒粒子分析仪（相位多普勒粒子分析仪（ PDPA）USTC处理器处理器激光器激光器发射器发射器接受透镜接受透镜光电倍增管光电倍增管4 相位多普勒粒子分析

18、仪（相位多普勒粒子分析仪（ PDPA）mP=2P=0P=1USTC5 粒子成像速度计粒子成像速度计( PIV) Particle Image Velocimeterv 什么是什么是PIV 1. PIV是一种在流场中同时多点（如数千点）是一种在流场中同时多点（如数千点）测量流体或粒子速度矢量的光学图象技术。测量流体或粒子速度矢量的光学图象技术。 2. 通常在流场的通常在流场的“平面薄片平面薄片”中进行测量。中进行测量。 3. 精度和空间分辨率可与精度和空间分辨率可与LDV及及HWA比较。比较。USTC5 粒子成像速度计粒子成像速度计( PIV) v PIV 原理原理USTCYX粒子第一粒子第一个

19、的像个的像 t 后，后，粒子粒子第二个的像第二个的像121212lim,lim12ttYYVttXXUt2t1t2t15 粒子成像速度计粒子成像速度计( PIV)v 典型系统典型系统: : USTCCCD电子同步器电子同步器计算机计算机Nd:YAG激光器激光器5 粒子成像速度计粒子成像速度计( PIV)v 激光器激光器 USTC双双YAG激光器的光路系统示意图激光器的光路系统示意图CCDYAG激光器激光器5 粒子成像速度计粒子成像速度计( PIV)v 算法算法USTC双曝光的图象双曝光的图象第一次曝光的图象第一次曝光的图象第二次曝光的图象第二次曝光的图象5 粒子成像速度计粒子成像速度计( PI

20、V)v算法算法 USTCCCD计算机计算机流场的像流场的像100X125mm查询区查询区1X1mm流场的速流场的速度分布度分布自相关、互相关自相关、互相关5 粒子成像速度计粒子成像速度计( PIV)v USTC（a a）尾迹中的粒子图）尾迹中的粒子图（c）减去来流速度后的速度场）减去来流速度后的速度场（b）尾迹的速度场）尾迹的速度场（d）涡量分布图）涡量分布图PIV定量测量的定量测量的活鱼尾迹流场活鱼尾迹流场（来流速度（来流速度88mm/s，脉冲，脉冲的间隔的间隔3ms，查，查询区为询区为2.74mm X 2.74mm）第第8章章 流体压强、速度流体压强、速度和流量的测量和流量的测量8.1 流

21、体压强的测量流体压强的测量8.2 流体速度的测量流体速度的测量8.3 流量测量流量测量USTC流量测量流量测量USTC流量计种类：流量计种类： （1）节流式流量计：孔板、文特里）节流式流量计：孔板、文特里 （2）容积式流量计：往复活塞、旋转活塞、圆板、刮）容积式流量计：往复活塞、旋转活塞、圆板、刮板、齿轮、薄膜板、齿轮、薄膜 （3）面积流量计：浮子）面积流量计：浮子 （4）叶轮流量计：水表、涡轮）叶轮流量计：水表、涡轮 （5）电磁流量计）电磁流量计 （6）超声流量计）超声流量计 （7）流体振动流量计：涡街、涡流、射流）流体振动流量计：涡街、涡流、射流 （8）其他：热线、皮托管、堰槽、）其他：热

22、线、皮托管、堰槽、LDV、标记、标记6 流量测量流量测量USTC 涡街流量计涡街流量计 电压式涡街流量计电压式涡街流量计 插入式涡街流量计插入式涡街流量计 分体式涡街流量计分体式涡街流量计 潜水型涡街流量计潜水型涡街流量计精度：精度：0.1%适用流体：液体、蒸汽（饱和、适用流体：液体、蒸汽（饱和、过热）过热）6 流量测量流量测量容积式容积式流量计流量计椭圆齿轮流量计（普通椭圆齿轮流量计（普通1111型）型）LC-ALC-A型型 铸铁椭圆齿轮流量计，铸铁椭圆齿轮流量计，广泛用于各种油品及对铸广泛用于各种油品及对铸铁不腐蚀液体介质的计量；铁不腐蚀液体介质的计量；LC-ELC-E型型 铸钢椭圆齿轮流

23、量计，铸钢椭圆齿轮流量计，用于高压、低腐蚀性介质用于高压、低腐蚀性介质的计量；的计量；LC-BLC-B型型 广泛用于有较强腐蚀广泛用于有较强腐蚀性液体介质，如酸、碱、性液体介质，如酸、碱、盐及有机化合物等的计量。盐及有机化合物等的计量。USTCLC-11LC-11型椭圆齿轮流量计型椭圆齿轮流量计 6 流量测量流量测量lLFX分流分流旋翼式旋翼式蒸汽流量计蒸汽流量计精度：精度：2%、2.5%适用流体：适用流体： 饱和蒸汽、微过热蒸汽饱和蒸汽、微过热蒸汽测量范围：测量范围：18-8350lg/hUSTC6 流量测量流量测量l涡轮涡轮流量计流量计 进入仪表的被测气体，首先通进入仪表的被测气体，首先通

24、过一个装在流量计壳体内的过一个装在流量计壳体内的整流器，它不但能调整速度整流器，它不但能调整速度分布剖面，而且还能使气体分布剖面，而且还能使气体流速增大，此后气体继续沿流速增大，此后气体继续沿流动通道流动并使涡轮旋转。流动通道流动并使涡轮旋转。涡轮的角速度与渡过流量计涡轮的角速度与渡过流量计气体的平均流速成正比，通气体的平均流速成正比，通过齿轮组传动和磁性耦合联过齿轮组传动和磁性耦合联动装置驱动流量计壳体上部动装置驱动流量计壳体上部的计数器显示工作状况下被的计数器显示工作状况下被测气体的体积量。测气体的体积量。USTCLWQ系统气体涡轮流量计系统气体涡轮流量计6 流量测量流量测量l涡轮涡轮流量

25、计流量计 适用于测量各种燃气及工业领适用于测量各种燃气及工业领域中的各种单相气体，如域中的各种单相气体，如天然气、丙烷、丁烷、乙天然气、丙烷、丁烷、乙烯、空气、氮气等。烯、空气、氮气等。仪表精度高、重复性好、安装仪表精度高、重复性好、安装使用方便等特点，广泛应使用方便等特点，广泛应用于石油、化工、城市燃用于石油、化工、城市燃气、冶金、矿山等部门。气、冶金、矿山等部门。USTCLWQ系统气体涡轮流量计系统气体涡轮流量计6 流量测量流量测量l涡轮涡轮流量计流量计 仪表前后直管段要求低（前仪表前后直管段要求低（前3DN3DN，1DN1DN）；）； 采用自润采用自润滑滚珠轴承，使用维护方便；滑滚珠轴承

26、，使用维护方便； 采用机械式显示，无需电源供采用机械式显示，无需电源供电，无隔爆要求；电，无隔爆要求； 抗干扰能抗干扰能力强；力强；使用条件使用条件: :环境温度：环境温度：-30+55; 相对湿度：相对湿度：5%95% ;大气压大气压力：力：86106kpa ;介质温度：介质温度：-30+80 。 USTCLWQ系统气体涡轮流量计系统气体涡轮流量计6 流量测量流量测量lLDE型型电磁电磁流量计流量计 适用于石油、化工、冶金等适用于石油、化工、冶金等领域，用于电导率大于领域，用于电导率大于5 S/cm的液体流量测量。的液体流量测量。管内无活动及阻流部件，管内无活动及阻流部件，无压力损失，不受介

27、质密无压力损失，不受介质密度、粘度、温度、压力及度、粘度、温度、压力及导电率变化影响。低频矩导电率变化影响。低频矩形波激励，不受工频干扰形波激励，不受工频干扰影响。影响。USTCLDE型电磁流量计型电磁流量计 6 流量测量流量测量lLZ系列系列金属管浮子金属管浮子流量计流量计 为变面积式流量计，即在流量计的为变面积式流量计，即在流量计的垂直测量管中，当流体向上流经垂直测量管中，当流体向上流经管子时，浮子向上移动，在某一管子时，浮子向上移动，在某一位置浮子所受升力与浮子重力达位置浮子所受升力与浮子重力达到平衡，此时浮子与孔板（或锥到平衡，此时浮子与孔板（或锥管）间的流通环隙面积保持一定。管）间的

28、流通环隙面积保持一定。环隙面积与浮子的上升高度成比环隙面积与浮子的上升高度成比例，即浮子的某一高度代表流量例，即浮子的某一高度代表流量的大小。浮子上下移动时，以磁的大小。浮子上下移动时，以磁耦合的形式将位置传递到外部指耦合的形式将位置传递到外部指示器，使指示器的指针跟随浮子示器，使指示器的指针跟随浮子移动，并借助凸轮板使指针线性移动，并借助凸轮板使指针线性地指示流量值的大小。地指示流量值的大小。 USTCLZ系列金属管浮子流量计系列金属管浮子流量计6 流量测量流量测量l玻璃转子玻璃转子流量计流量计是一种直读式瞬时流量仪表。它结是一种直读式瞬时流量仪表。它结构、安装、读数和维修都十分简构、安装、读数和维修都十分简单方便而得到广泛应用。目前玻单方便而得到广泛应用。目前玻璃转子流量计已广泛用于石油、璃转子流量计已广泛用于石油、化纤、医药、食品、染料、化肥、化纤、医药、食品、染料、化肥、造纸等工业及科研部门测量单相，造纸等工业及科研部门测量单相，非脉动液体非脉动液体(