第4次课第七章流速测量

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工作原理—二维
探头的三个感压孔中，居中的 一个为总压孔，两侧的孔用于 探测气流方向，故称方向孔。
两个方向孔在同一平面内按90° 夹角布置，总压孔则布置在两 个方向孔的角平分线上。测速 管探头插入气流中，通过转动 干管使得两个方向孔的压力相 等，此时气流方向与总压孔的 轴线平行。
（3）整理记录数据，或拟合成标定方程，或绘制成标定曲线 ，以备查用。
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第二节 热线（热膜）测速技术
散热率法测量流速的原理 : 是将发热的测速传感器置 于被测流体中，利用发热的测速传感器的散热率与流 体流速成比例的特点，通过测定传感器的散热率来获 得流体的流速。

热线（热膜）测速是一种 热电式 测试技术，其相 应的测量装置通常称为热线风速仪。 • 可用来测量微风（如冷库和空调房内的风速） • 脉动速度（如内燃机燃烧室内的湍流强度和压气机的旋
转失速）
• 皮托管难以安装的场合（如边界层、压气机级间）的流
速。
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0

考虑到总压和静压误差，引入皮托管校准系数ζ作适当修正：

2( p0 p)

皮托管的标准系数 ζ=1.01-1.02，且在较大的流动马赫数Ma和 雷诺数Re范围内保持定值。
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当被测流体为气体，且流动的马赫数Ma＞0.3时，应考虑压缩 性效应。
I Rw (a bv )(Tw Tf )
2 n
式中：Rw、I分别为热线的电阻和流过的电流强度；Tw为相应 的热线温度；Tf为流体的温度，a、b为与流体和热线有关的物 理常数，由试验确定；n为与流速有关的常数。
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皮托管测速的基本原理：
根据不可压缩流体的伯努利方程，流体参数在同一流线上有 着如下关系 1 2
p
2
p0
式中：p0、p分别为流体的总压和静压；ρ为流体密度；v为流 体速度。 可得： 2( p p)
热线风速仪是利用被加热的金属丝的热量 损失来测量气体流速的。
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（一）热线风速仪的基本构造
热线风速仪由探头、信号和数据处理系统构成。探头选用热敏 电阻材料，结构上分热线和热膜两种形式。另外，对分别适用 于一维、平面和空间流场流速测量的探头，又分别称为一元、 二元和三元探头。 标准的热线探头由两根支架张紧一根短而细的金属丝组成，如 图a所示。金属丝通常用铂、铑、钨等熔点高、延展性好的金 属制成。热线长度一般在0.5～2毫米范围，直径在1～10微米范 围。根据不同的用途，热线探头还做成双丝、三丝、斜丝及V 形、X形等。 有时用金属膜代替金属丝，通常 在一热绝缘的基体上喷镀一层薄 金属膜，称为热膜探头，如图b 所示。热膜风速仪功能与热丝相 似，但多用于测量液体流速。
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（三）皮托管的标定
在校正风洞中用比较法进行标定，它将被标定的仪表测得的数 据与标准仪表测得的数据相比较，就可得出被标定的仪表的修 正系数或特性曲线。
标准风洞有吸入式、射 流式、吸入 - 射流复合 式以及正压式等多种类 型，其中最常用的是射 流式风洞。
流速测量
一．机械法测量流速：转杯风速仪 二．动压法：毕托管 三．散热率法测量流速：

热线风速仪 热球风速仪——可测低速
补充．机械法测量流速
1．种类：杯式、翼式
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杯式
翼式
适用范围： 以前：风速范围为15-20m/s以内，只能测量流速的 平均值，不能测量脉动流。通过机械仪表用指针指示。 目前：测速范围为0.25-30m/s，并且可测量流速的 瞬时值（可将叶轮的转速转换成电信号）。
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（二）二维气流速度的测量

对于平面流动，可以采用三孔测速管测量其流速的大小和 方向。 三孔测速管主要由三孔感压探头、干管、传压管和分度盘 等组成。 其中探头可以做成圆柱形、球形、尖劈形等。
AVM-03风速计
风速计 檔位 m/s kNOTS ft/min km/hr ℃ ℉ 测量范围 0.3-45.0 0.6-88.0 60-8800 1-140.0 0-60 32-140 分辨率 0.1 0.1 10 0.1 0.1 0.1 误差 ± 3% or 0.1 位 ± 3% or 0.1 位 ± 3% or 10 位 ± 3% or 0.1 位 ± 0.8 ± 1.5
Fra Baidu bibliotek
（二）热线风速仪的基本原理
热线风速仪基本原理是将一根细的金属丝放在流体中，通电流 加热金属丝，使其温度高于流体的温度，因此将金属丝称为“ 热线”。 当流体沿垂直方向流过金属丝时，将带走金属丝的一部分热量 ，使金属丝温度下降。根据强迫对流热交换理论，可导出热线 散失的热量Q与流体的速度v之间存在关系式
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皮托管测速技术；
热线（热膜）测速技术； 激光多普勒测速技术； 粒子图像测速技术。
学习要求： ☆ 了解皮托管测速的基本原理和方法 ☆ 熟练掌握热线流速仪测速的基本方法和工作原理 ☆ 了解激光多普勒流速仪测速的基本方法和工作原理
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温度(AVM-03)
温度(AVM-03)
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第一节 皮托管测速技术
毕托管：可测得流体总压和静压之差的复合测压管， 又称为动压管、速度探针。分别采用总压管和静压管 同时测得流体的总压和静压，然后利用公式计算得到 流体速度。 特点：结构简单，使用制造方便，价格便宜，坚固可 靠，精度高。
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2. 恒温型热线风速仪
如果在热线工作过程中，始终保持热线的温度不变，则可通 过测得流经热线的电流值来确定流体的速度。
v f (I )
测速时热线因为对流换热温度下降、 电阻减小，调节可变电阻 R 增大电 桥的供电电压，桥臂上的电流随之 增大，热线加热功率增大，温度回 升，阻值增大到电桥重新恢复平衡。 根据电流和流速的函数关系式计算 得到流速。
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2.测量原理
空气通过转杯时，推动叶片转动。根据 叶片的角位移推算流过的空气速度。
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热线探头在使用前必须进行校准。
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 风速仪加热电路中加上一脉动电信号，校验热 线风速仪的频率响应，若频率响应不佳可用相 应的补偿线路加以改善。
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锥形探头皮托管：

用普通的皮托管测试时，一般要求 流动的Ma小于临界Ma。 对于高 Ma （接近 1 ）下的流动，为 了避免在皮托管的头部附近发生脱 体激波，采用 锥形探头皮托管 ，适 用于Ma达0.8-0.85范围的流速测量。

皮托管在使用前必须经过严格标定。
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毕托管测量的是空间某点处的平均速度，它的头 部尺寸决定了它的空间分辨率。
根据所测量的流体性质，将毕托管设计成不同的 形状，常用的有L形和T形。
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（一）基本构造和测速原理
皮托管由两根同心圆管组成，内管前端敞开，管口截面垂直于 流动方向并正对流体流动方向。外管前端封闭，但管侧壁在距 前端一定距离处四周开有一些小孔，流体在小孔旁流过。内、 外管的另一端分别与 U 型压差计的接口相连，并引至被测管路 的管外。
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标定内容和步骤
毕托管要标定的是毕托管的校正系数，以及在不同流速时毕托 管对流动偏斜角的不灵敏性。
基本步骤：
（1）安装被标定皮托管，保证皮托管总压孔的轴线对准校准 风洞的轴线。
（2）合理选择标定流速范围，记录各稳定气流流速下校准风 洞的标准动压值Δ h和被标定皮托管的动压值Δ h1。
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热能与动力机械 测试技术
天津大学机械学院 内燃机燃烧学国家重点实验室
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第七章 流速测量
本章主要内容
考虑到热线材料的电阻温度特性，热线电阻Rw与其温度Tw是 一一对应的，因此在流体温度一定的条件下，流体的流速仅仅 是热线电流和热线温度的函数，即
v f ( I , Tw )
或者
v f ( I , Rw )
这样通过测量热线两端的电压，即可确定流速。它有两种 工作模式： 1.恒流式
2.恒温式
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1. 恒流型热线风速仪
如果在热线工作过程中，人为地用一恒值电流对热线加热， 由于流体对热线对流冷却，且冷却能力随着流速的增大而加 强。当流速呈稳态时，则可根据热线电阻值的大小确定流体 的速度。
v f ( Rw )
测流速时，热线温度下降、电阻 Rw 下降，通过调整 Ra 使电桥平 衡。 通过测量 Ra 的改变量得到 Rw的数值，计算出流速。

2( p0 p) (1 )
式中：ε为气体的压缩性修正系数。见表：
对于可压缩气体，其绝对流速还与温度有关，一般用Ma表 示气体流速：
Ma 2( p0 p) k (1 )
式中：k为气体的等熵压缩（或膨胀）指数，对于空气，k=1.40
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v
p2 p1

流速的方向是根据两个方向孔的压力平衡情况来判断 流速的大小根据总压孔压力（p2）与方向孔压力（p1）之间 的压力差进行计算的。
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工作原理—三维
测量空间（三维）流动速度的大小和方向及流体的压力，常用 球形五孔三元测压管、管束形五孔三元测压管和楔形五孔三元 测压管。