流体力学实验-第四章课件

第四章流速和流量测量

§4.1

毕托管流速计1.

基本原理

总压管：P0

静压管：P

根据Bernoulli方程:（理想情况）

可得：

流体力学实验理论1第四章流速和流量测量§4.1毕托管流速计流体力学实验理普朗特毕托管结构毕托管测水流流速2.

结构和类型（1）毕托管结构2普朗特毕托管结构毕托管测水流流速2.结构和类型（1）毕托管各种类型的毕托管（2）毕托管类型：圆柱型、L型、伸缩型、S型3各种类型的毕托管（2）毕托管类型：圆柱型、L型、伸缩型、S型3.毕托管的标定和测速修正（1）标定

理想情况：毕托管输出差压＝动压实际测量：标定系数：一般情况下，（0.99～1.01）毕托管设计制造规范——国际标准ISO396643.毕托管的标定和测速修正4（2）修正流体压缩性的影响：M<0.3时可忽略压缩性影响，否则要引入压缩性修正系数流体粘性的影响：需满足Re>200，在小雷诺数时，毕托管的标定系数将随雷诺数的变化而变化管柄堵塞的影响：毕托管管柄堵塞使流体过流面积减小，流速增加，静压减小，总压不变。毕托管管柄直径≤1/50管道直径且插入深度≤管道半径时可忽略横向流速梯度的影响：毕托管头部与流体之间的相互作用引起邻近流线的微小位移，使较高流速区的流线移至总压孔处，总压增大。通过测压位置修正。5（2）修正5湍流的影响：湍流脉动流速的平方时均值影响了毕托管的测量结果。对于10%湍流强度下测得的流速，应减小0.5%压头（摩阻）损失的修正：流体在管道内静压孔与总压孔之间的距离内存在摩阻损失，使得静压偏小。一般可以忽略安装偏斜的影响：毕托管头部的轴线与流向不平行将会引起误差。采用对方向不敏感的探头6湍流的影响：湍流脉动流速的平方时均值影响了毕托管的测量结§4.2

流速和流向测量平面流速和流向测量能同时测出流体的总压及流速的大小和方向的测压管称为复合测压管在平面流场的测量中，常用二元复合测压管测量流体的总压、静压及流速的大小和方向。圆柱形、管束形和楔形7§4.2流速和流向测量平面流速和流向测量能同时测出流体的总

圆柱三孔型：感压头部由半球头和圆柱形针体组合而成，三个测压孔孔径为0.5~1.0mm。8圆柱三孔型：感压头部由半球头和圆柱形针体组合而成，三两种测量方式：

不对向测量探针固定在某个参考方向，测量两侧孔的压力差，根据探针校准曲线确定气流方向和大小9两种测量方式：9对向测量转动三孔探针，使1、3测压孔的压力平衡；123V三孔探针对向测量原理图测压孔1、3的轴心线的平分线即为气流方向。三孔压力值：K2——中心孔2动压感受系数，接近于1，由校准确定K1——侧孔1、3动压感受系数，由校准确定10对向测量123V三孔探针对向测量原理图测压孔1、3测量P2和P2-P1:Pa——大气压力γ——压力计指示液重度可求得气流的静压：气流的总压：气流的速度：11测量P2和P2-P1:112.三维流速和流向测量——五孔探针122.三维流速和流向测量——五孔探针12七孔探针13七孔探针13§4.3

流量测量1.直接测量体积法测流量：Q=V/T概念清楚，精度较高，适用于小流量测量体积法测流量示意图14§4.3流量测量1.直接测量体积法测流量：体积法测流量示2.明渠流量测量

堰板测流：堰板使水流发生收缩，并在其上游形成壅水现象，量测堰板上游某处的水深H，利用该堰上水深H（或水头）与过堰流量Q之间的特定关系求得流量。

薄壁堰：适用于小流量并有较高的精度，实验室、灌溉渠道和钻井

宽顶堰：天然河道或实际工程中量测较大流量152.明渠流量测量15薄壁堰过流纵剖面堰板与上游来流方向、底部垂直堰板厚度、堰顶锐缘形状和加工工艺都有一定要求量测堰上水头应在堰板上游5H以远处堰板上游水头可用水位测针或测压管测定薄壁堰16薄壁堰过流纵剖面堰板与上游来流方向、底部垂直薄壁堰16水位的测量测压管测水位水位测针17水位的测量测压管测水位水位测针17矩形堰三角堰流量公式：矩形堰：m0——薄壁堰流量系数三角堰：＝90

18矩形堰三角堰流量公式：183.

管道流量测量（1）Venturi流量计由收缩段、喉道与扩散段构成，在收缩段进口断面和喉道断面设测压孔。理想情况：实际上：m——流量系数，实验得到，随水流雷诺数和d2/d1而变化Venturi流量计示意图标准Venturi管d2/d1=0.5，扩散角一般为5~7，测量精度约为1％193.管道流量测量由收缩段、喉道与扩散段构成，在收缩段进口断（2）孔板流量计孔板流量计示意图构造简单，计算公式与Venturi管相同水流急剧收缩，紊动混掺加强，能量损失较大

m值实验得到，随水流雷诺数和A2/A1而变化测量精度约为2%20（2）孔板流量计孔板流量计示意图构造简单，计算公式与Ve（3）转子流量计主体是一根面积自下而上逐渐扩大的垂直倒锥形玻璃管，锥角约为4º。管内装一直径略小于玻璃客内径的转子(或浮子)，转子可用金属或其它材质制造，但转子的密度必须大于被测流体的密度。被测流体从玻璃管底部进入，从顶部流出。当被测流体以一定的流量流过转子与管壁之间的环隙时，由于流道截面积减小，流速增大，压力必随之降低，于是在转子的上、下端面形成压差，转子籍此压差被“浮起”。流量越大，浮得越高。21（3）转子流量计主体是一根面积自下而上逐渐扩大的垂直倒锥形玻（4）叶轮流量计（5）电磁流量计（6）卡门涡街流量计（7）超声波流量计……22（4）叶轮流量计22§4.4

热线/热膜风速仪1.基本原理

热线风速仪：利用放置在流场中具有加热电流的细金属丝（热线）来测量风速的仪器。

热平衡原理：加热电流在金属丝中产生的热量Q1等于热耗散Q2

热产生：根据焦耳定律——热线工作电流——热线工作电阻23§4.4热线/热膜风速仪1.基本原理23热耗散：热传导过程热辐射过程自由对流过程强迫对流过程热线的热耗散主要取决于强迫对流

24热耗散：24热耗散影响因素分析：流体介质的速度热线和介质之间的温度差流体介质的物理特性——导热、密度、粘度、浓度金属丝的物理特性——电阻温度系数、热传导率、电阻率热线的几何尺寸——长度、直径流体介质的可压缩性流动方向与热线方向的夹角

无量纲Nusselt数25热耗散影响因素分析：25King（1914）提出了无限长圆柱和流体之间的强迫对流热交换理论，得到了著名的king公式：

热线

A,B——校准常数

——热线的工作温度——环境温度热线的温度和电阻间可用线性关系：——过热比

——温度为Te时的电阻温度系数26King（1914）提出了无限长圆柱和流体之间的强迫对流热交于是根据热平衡原理Q1=Q2可得：对于给定的热线，都为常数，因此之间存在确定的函数关系。恒流静态方程当工作电流＝常数时，和U之间具有如下关系：

恒流式热线风速仪27于是根据热平衡原理Q1=Q2可得：27恒温静态方程当工作电阻＝常数时，和U之间具有如下关系：

恒温式热线风速仪28恒温静态方程28美国TSI公司IFA300型热线风速仪29美国TSI公司IFA300型热线风速仪29丹麦Dantec公司StreamLineCTA热线风速仪30丹麦Dantec公司StreamLineCTA热线风速仪3

叉杆保护罩2.热线/热膜探针热线探针结构敏感元件：电阻温度系数高，机械强度好热线：镀铂钨丝热膜：铂金膜热线探针：将金属丝的两端焊接到两根叉杆上，叉杆的另一端接上引出线，再加上保护罩并且在保护罩和叉杆之间装以绝缘填料。金属丝和叉杆的尖部必须紧密粘合在一起；叉杆之间的金属丝不能太紧或太松；焊点和叉尖小，以减小热传导31叉杆保护一维热线探针（单丝，可测一维流动）32一维热线探针（单丝，可测一维流动）32二维热线探针（X形，可测二维流动）33二维热线探针（X形，可测二维流动）33三维热线探针（可测三维流动）34三维热线探针（可测三维流动）34各种类型的热线探针35各种类型的热线探针35热线探针的特点：

利用极细的金属丝（直径通常为0.5~10mm，长度为0.1~2mm）做成具有较大长度直径比（通常为100~200）的探针，既减小热传导的影响，又具有相当好的空间分辨率，频率响应高（最高可达1MHz）。

金属丝的机械性能也按直径的平方关系下降，增加了丝的易碎性。上述两方面互相制约，也是热线难以克服的技术困难。36热线探针的特点：36衬底导线环形热膜探针热膜探针：由热膜、衬底、绝缘层和导线构成，热膜为沉积在圆柱形、楔形或圆锥形石英或硼硅玻璃衬底上的一层很薄的铂金膜或镍膜。热膜37衬底导线环形热膜探针热膜探针：由热膜、衬底、绝缘层和导线构成石英纤维（圆柱形）铂金膜圆柱形热膜探针结构圆柱形热膜探针：典型直径50mm衬底热传导率低允许使用较短长度不易被打断或碰伤细颗粒不会遮断热膜有效拉紧，测量重复性好应用面广频率响应比热线窄，最高为100kHz，工艺复杂，制造困难，替换费用比热线更贵38石英纤维（圆柱形）铂金膜圆柱形热膜探针结构圆柱形热膜探针：典3.

热线/热膜探针的校准(1)

校准的原因

热线热膜探针的性能是随制造工艺、探针尺寸和金属丝、膜的材料而异的，即使是相同的材料、制造工艺、尺寸，其性能也不可能完全一样；

探针的性能和流体的温度、密度以及测量时的气压有关；

探针的性能也和实验室环境条件、污染情况有关；

探针使用后会发生老化；

探针的性能和流速范围有关；探针在测量中是和仪器结合在一起使用的，真正的相应关系是建立在其输出电压和流动速度之间的。393.热线/热膜探针的校准39

对每一个所使用的具体探针，为了获得其真实的响应关系，就必须随仪器和被测流场进行现场校准，而且这种校准还必须定时地、反复地进行。(2)校准表达式和装置

校准表达式：忽略密度变化的影响，可采用

式中E为输出电压，A、B、n为校准常数。

考虑温度效应，可采用

分段拟合多项式，即40对每一个所使用的具体探针，为了获得其真实的响应关系，将热线风速仪的输出电压E和已知流动速度U直接联系在一起，对每一个流速U，对应一个电压E值做出E-U曲线，也就是校准曲线。产生已知速度U的装置称为校准装置。（3）热线热膜探针的方向特性

热线轴线与流速方向的倾角直接影响到流体对热丝的冷却能力。

无限长热线：

有限长热线：

K：偏航因子，K约为0.2(l/d=200)41将热线风速仪的输出电压E和已知流动速度U直接三维空间中的热线42三维空间中的热线42

三维空间中热线：

h：坡度因子，h的值一般在1.0和1.2之间。因此对二维探针，如X形探针，需标定每一根热线在速度变化和偏航角改变下的全部响应，得到两根热线在不同偏航角a下的E-U校准曲线。由于X形探针两根敏感元件互相垂直，因此对第一根热线在a角下的标定和第二根热线在（90-a）角下的标定可以同时进行。

三维探针的校准就更复杂，还有俯仰角的改变。4.

热线热膜流速计的发展

脉冲线流速计、飞行热线流速计——测量反向流43三维空间中热线：43§4.5

激光多普勒流速仪（LDV）1.基本原理(1)激光的特性

1960年美国休斯实验室的Maiman成功地制成了世界上第一台激光器——红宝石激光器

方向性：激光光束的发散度极小，约为毫弧

单色性：激光是一种单色光，具有极窄的谱线宽度

高亮度：激光的亮度比太阳光高1000多倍

相干性：激光是一种相干光，激光的频率、传播方向、振幅和相位高度一致，激光光束在空间重叠时，重叠区的光强分布会出现稳定的强弱相间现象，即光的干涉现象。44§4.5激光多普勒流速仪（LDV）44（2）多普勒效应奥地利科学家多普勒1842年首次进行了研究。

多普勒效应：波源和接收器之间的相对运动引起的波运动（声波、电磁波等）的频率变化。多普勒频移：声源（静止）接收器（运动）U45（2）多普勒效应声源（静止）接收器（运动）U45激光多普勒频移：静止光源与运动微粒之间：运动微粒与静止光检测器之间：U静止光源运动微粒光检测器（静止）46激光多普勒频移：U静止光源运动微粒光检测器46静止光检测器接收到的频率：由于U<<c，略去二阶小量，可得

于是可得多普勒频移：47静止光检测器接收到的频率：47（3）双散射光束型LDVU静止光源静止光源光检测器（静止）静止光检测器接收到两束光的频率不同，分别为：48（3）双散射光束型LDVU静止光源静止光源光检测器静止光检如果两束光的频率相同，则光检测器接收到的两束散射光的频差为：根据几何关系，有垂直两束入射光交角的平分线的速度分量Ux49如果两束光的频率相同，则光检测器接收到的两束散射光的双散射光束型的优点：

双散射光束型的多普勒频移只决定于两束入射光方向，而与散射光方向无关，因此光检测器可以放置在任意位置。

可用大口径接收透镜收集各方向散射光，光强大，有较好的信噪比

入射光系统可制成集成化光学单元，大大提高了光学系统的稳定性和易调准性。目前应用最为广泛的LDV光路系统。50双散射光束型的优点：50（4）LDV的特点

非接触式测量，测量过程对流场无干扰，适合于旋涡测量、恶劣环境中测量（如燃烧等）空间分辨率高，测量体积小于10-4mm3，适合于边界层、薄层流体、极狭管道中的测量

动态响应快，速度信号以光速传播，惯性极小，适合湍流脉动速度的测量测量精度高测量的速度范围大，多普勒频移从低速到高速是一个线性关系式，不需要进行校准局限性：被测流体要有一定的透光度，要有透明的观察窗；流体中要有悬浮粒子，粒子应具有很好的跟随性；价格较高。51（4）LDV的特点512.LDV的组成（1）激光器：氦氖激光器或氩离子激光器（2）入射光学单元（3）接收光学单元（4）多普勒信号处理器（5）数据处理系统522.LDV的组成（1）激光器：氦氖激光器或氩离子激光器（33.双散射光束LDV系统的几种光路布置（1）前向散射（Forwardscatter）（2）后向散射（Backscatter）后向散射LD