测试与检测技术基础(10气流速度测量)_251602610

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式中：a、b — 常数。与流体流动参数、探头结构、 材料性质有关，且是带有流体温度有别于t0 时的附加修 正系数。 n —常数,推荐值为0.5 热线的电阻/温度特性 层流强制对流 恒温方式 热线的电阻 温度特性 热平衡
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热线方程成立的条件： 热线方程成立的条件： ① 热线视为无限长、表面光滑的圆柱体，忽略支架的导 热损失 ② 气流稳定，流速方向与热线垂直，且在热线与支杆所 成的平面内 金氏定理 测量线路中， 热线是电桥的一臂。 测量的不是I，而是 R3 R2 电桥的桥顶电压E。 E ∆e 负反馈过程。 过程终结，v ~E有 I R1 确定关系。 V Rw 22
测压管校准曲线 由于工艺上的原因及其它因素影响，不能直接用以上 的关系式求得p*、p、v。一般，p1、p2、p3与p*、p、v的 12 关系应在风洞上通过实验进行标定。
圆柱三孔测压管－气流方向、几何轴线、气动轴线
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特性曲线 推荐的一组特性曲线中， p*和p是校准风洞中的总 压和静压，p1、p2、p3是被校测压管 1、2、3孔感受的 压力。 1）、方向特性 p1 − p3 Xα = = f1 (α ) 2 p2 − p1 − p3 求Xα～α关系曲线： 对一定的α，测量一组 p1，p2，p3，获得Xα，获 得曲线。 使用Xα～α曲线： 依据测量值p1，p2，p3 计算Xα，查曲线确定 14 气流方向α。
v = K v +v +K v
2 R 2 2 1 x 2 y
2 2 2 z
z vy
vz vx x
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K1、K2是通过校准得到 的常数，一般K1 ≈ 0.15， K2 ≈ 1.02
y
1. 单向气流速度测量
气流方向落在热线 与支杆所成平面（XOY） 上,且与热线垂直，此时： vx＝vz=0，vy = vR =v 通过校准试验可得热 线探头的特性曲线 E ~ vR 测量时，测得桥顶电压E， 由E ~ vR ，可求得vR （= v）。 方向：与热线垂直， 且在热线与支杆所成的平 面内。
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二.气流方向测量 方向管 圆柱型方向管测向原理 垂直于轴线的平面内，沿径向开两孔1、3，夹角为 2ϕ，气流方向，与“1”、“3”平分线之夹角为α 于是：
1 2 p1 = p + ρv [1− 4sin2 (ϕ −α)] 2
1 2 p3 = p + ρv [1 − 4 sin 2 (ϕ + α )] 2
工作原理：tf 一定时，流速v只是电流I和热线温度tw的函数 热线风速仪的二种工作方式 恒流方式： 固定I ， v= f (tw) ， 由tw→v 恒温方式： 固定tw ，v= f (I ) ， 由I→v 热线方程 在恒温方式下，热线电流与气流速度的关系，可由热 线方程表达：
I
2
= a + bv
n
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2. 平面（二维）气流速度测量 气流在热线与支杆所成平 面（XOY）内，与热线法线方向 成θ角（气流冲角）， 此时：vz=0，vx=vsinθ vy=vcosθ
2 vR = K12v2 sin2 θ + v2 cos2 θ
x θ y
v
当θ=0时，vR = v ，vR 最大 θ=90°时，vR = K1v，vR 最小 一般的，当 0≤θ≤ 60°，vR 基本上是cosθ 的函数。 v R (θ ) a、 b为常数，由实验决定，通 = a + b cosθ 26 v R (θ = 0) 常，a=0.15~0.20，b=0.85~0.80
基于伯努利方程和 理想流体绕流物体的势流理论。 静压 p 静压管 绕流物体Cp=0处开孔取压 总压 p* 总压管
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pϕ p, v∞ ϕ
绕流物体Cp=1处开孔取压
常用总压管 L型总压管、带导流套总压管、梳状总压 管、附面层总压管。
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三.静压测量与静压管 原理：静压测量较总压测量困难（静温），分二种情况： a、壁面开孔取压（测壁面附近的静压力） b、用静压管测压（测流场内某一点的静压力） 壁面静压测量（简单） 为提高测量精度，要求： a、开孔附近壁面平滑、无毛刺，避免流线变形； b、静压孔开孔直径不宜过大（流线在此处下沉，误 差大增）；亦不宜太小（加工困难、易堵塞、滞后）， 一般以0.5~1.0mm为宜。 c、开孔形状设计合理，且与壁面垂直。 流场中静压测量（困难） 用静压管测量，典型的为L型静压管。
2) 总压特性
p∗ − p2 X0 = = f 2 (α ) 2 p2 − p1 − p3
求取Xo ~α关系： 总压管测 p* , 对一定的α，测得一组 p1，p2，p3,计算Xo , 获得Xo ~α关系曲线。 使用Xo ~α曲线： 测得的 p1、p2、p3 ， 由 Xα~α，求得α，再 由 Xo~α曲线 → Xo， 最后计算p* 。
测量方法 ① 直接测量法（对向测量） 在XOY平面内转动热线，使E最大。气流方向在XOY内 且与热线垂直。 测得E，由E ~ vR，可求得vR（= v）； ② 间接测量法（不对向测量） 置热线探头于XOY平面，测得桥项电压E1。 将热线探头在XOY内转动∆θ角，测得桥电压E2。 由E ~ vR可得vR1和vR2，解联立方程得v和θ
复习 § 2-2 压力测量
重力与被测压力平衡的测压方法（液柱法） 重力与被测压力平衡的测压方法（液柱法） 弹性力与被测压力平衡的测压方法（压力表等） 弹性力与被测压力平衡的测压方法（压力表等） 利用物质与压力有关的物理性质测压（压阻、压电等） 利用物质与压力有关的物理性质测压（压阻、压电等）
§2-2-2 气流压力测量
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L型静压管开孔位置选择 原理上：在被绕流物体Cp=0处开孔取压，可测得静 压力p 。 实际开孔位置的选择要考虑支杆对气流有阻碍作 用。 对静压管的要求同总压管 常用静压管: L型静压管 带导流套静压管 圆盘型静压管。 λ是气流速度系数 λ与气流Ma数有关
V λ = a*
a* 是临界声速
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§2-3 气流速度测量 目的： 目的 ： 要了解热力机械运行状况及工作过程，需要 测量气流速度。 气流速度测量方法 1、以空气动力学为基础、通过测压确定流速，典型 仪器是测压管（中、高速） 。 2、研究流体某些流动特性时（湍流） ，热线（膜） 风速仪是一种合适的仪器。 3、激光多普勒测速技术，为热力机械中气流速度测 量提供了有效的工具（全范围）。 4、PIV(particle image velocimetry)或PTV 5、激光干涉、全息等。
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当 M>0.2 ~ 0.3时，须采用不同于Xv ~α的曲线。可采用 p3/p2 = f ( p / p* , α)(α > 0 )或 p1/p2 = f ( p / p* , α) (α < 0)
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园柱三孔复合测压管 使用： 1）、对向测量 使 p 1= p 3 2）、不对向测量 不必 p1= p3 四、空间气流速度测量 三元复合测压管 要点： 1) 三元复合测压管（球型五孔）测空间气流速度的基本 原理。 2) 三元复合测压管的校准曲线，及利用校准曲线确定流 速的方法。 热线、 §2-3-2 热线、热膜风速仪 1）、滞后小、响应快，可测量非稳定气流速度，截 止频率可达80KHz或更高，如用于湍流测量。 2）、探头小，可置于测压管难以安置的地方使用。
E2=A+BvRn+CvR
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实际金氏定理公式
E = A + Bv + CvR
2 n R
式中: A= E0；E0是流体速度为零时热线电桥的桥顶电压； B、C、n由标定试验确定的常数，n = 0.5~0.9； 冷速度（当量速度）vR：若速度为 v的气流对热线 冷速度 冷却作用与在支杆平面内且垂直于热线的气流速度vR的 冷却作用相同，则vR 叫做 v的“冷速度”。 vR与速度v的三个分量vx、vy、vz的关系：
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3 ) 速度特性 当M<0.2~0.3时，M对速度特性影响不大，可建立起Xv ~α ∗ p −p Xv = = f3 (α, M) 2 p2 − p1 − p3 求取Xv ~α关系： 总压管测 p*，静压管测p 对一定的α，测得一组 p1 、 p2、p3 ,计算Xv，得曲线。 使用Xv ~α曲线： 测得的 p1、p2、p3 ,由 Xα~α，求得α，再由 Xo~ α曲线 → Xo →p* 再 由 Xv ~α曲线 → Xv →p，v
α
ϕ
α
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当α= 0时，p1=p3 ， 因此，测得 p1=p3 ，可确定气流方向在“1”、“3”平分线上 当 α≠ 0时， p1 ≠ p3 ， 在ϕ 一定时 p1-p3=f (v,α,ϕ) 可建立方向管方向特性：
1 2 2 2 p1 − p3 = ρv [4 sin (ϕ + α ) − 4 sin (ϕ − α )] = f (v, α , ϕ ) 2
由实验确定。 测得 p1-p3 之值，在一 定v下，可得α，从而确 定气流的方向。 ϕ = 45° ，方向最敏感
p1 − p3 = f (α ) 1 2 ρv 2
α
ϕ
α
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三.平面气流速度测量 复合测压管 园柱三孔复合测压管测平面二维气流速度，同时可测 p*、p，最后确定气流速度和方向。 复合测压管测量原理 结构 设一平面气流，速度v 方向测量 对向，转动测 压管，寻 p1= p3位置，确定 气流方向（在1，3平分线上） 总压、静压、速度测量 p1= p3 时，有： 1 p2 = p* = p + ρv2 2 （测总压p*） 11
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由于工艺上的原因，测得的总、静压之差不是流场 同一点的 （ p*-p ） ，不能准确地反映出气流速率，应修 正。引入校准系数
p*− p ξ= p*'− p '
v= 2
p*/和p/为动压管总压和静压的读数，则
ρ
( p*'− p ' )ξ
对可压缩性流体，应为
v=
2( p*'− p ' ) ξ ρ (1 + ε )
p2
1 2 1 2 2 o p1 = p3 = p + ρv (1 − 4 sin 45 ) = p − ρv 2 2 因此： p2 + p1 p= p 2 + p1 = 2 p 2 有 （测静压p） p
p2－p1=ρ v2 得
v= p 2 − p1
1 = p* = p + ρv2 2
ρ
（测流速v）
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ρ— 气流密度，是气体静温、静压（气流未受扰动前）的函数。
ξ— 须标定。对标准L型动压管，保持在1.02~1.04，可不标定。
笛形动压管
主要用于测量大尺寸流道内的平均动压，以得到平 均流速。 垂直安装在流道内，按等环面积开孔，迎着气流方向， 得平均总压。 在流道壁面上开 静压孔。 保证刚度前提下， 直径d要尽量小，常取 d／D=0.04~0.09。 总压孔尽量小， 但不能堵塞。
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一.工作原理与热线方程 利用置于气流中通电的热线探头的（强制对流换热） 热损失与流速间的关系来测量流速。 热线探头：支架、热线和热膜。常用热线探头如图示。 热线：直径：d=3~5µm；长度：l<300d。 热线材料：铂丝或钨丝 结构：一元、二元、三元探头
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基本工作原理 热线探头置于气流中，气流速度v垂直于热线，且在热 线与支杆所成的平面内；热线通以电流I，则产生的热量 Q1=I2R R为热线电阻值 热线探头以对流方式与气流换热，热线散失的热量为 Q2=α F(tw-tf) 热平衡时， Q1 =Q2 → I2R=α F(tw-tf) R=f1(tw)（探头一定时，材料、尺寸一定） V α=f2(v) （流体一定时，物性参数、流动状态参数一 定）。若tf 一定（tf 变化，可修正或补偿，使之保持稳 定），则： v = f(I,tw) 工作原理:tf 一定时，流速 只是电流 和热线温度 w的函数 一定时，流速v只是电流 和热线温度t 只是电流I和热线温度 20
金氏定理： 金氏定理： 描述桥顶电压与流速关系
E2=A+Bvn
A、B与a、b性质相似；n推荐值为0.5。 金氏定理是对热线风速仪在恒温工作方式下测量流 速的工作原理的一种近似描述，是讨论热线风速仪应用 的基础。 二.平均流速测量 金氏定理是一种理论方法，实际使用误差较大。原因： ① 热线非光滑，亦非无限长 ② 支架导热损失存在 实际采用的金氏定理公式 金氏定理公式（可使误差得以减小） 金氏定理公式
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§2-3-1 测压管与测速技术 一、 气流速率测量 动压管 气流速度测量的基础是伯努利方程。对不可压流体：
1 p* = p + ρv 2 2
v =
2( p * − p)
ρ
气流总压、静压可分别用总压管、静压管测量。 动压管： 动压管：测量气流速率的测压管是动压管。 L型动压管（毕托管）最常用。将L型静压管和动压 管同心地套在一起构成，可同时测量（p*-p）。