工程流体力学课件第11章：流体测量

当壁面开设静压孔后，在 粘性切应力作用下，静 压孔内流体产生流动， 近孔处的流线向孔内稍 许弯曲，影响到边界层 内法线方向的静压不再 保持不变，并导致静压 孔内感受出的压强偏离 流体中静压的真实值。 其偏差的程度主要决定 于静压孔的几何参数和 加工情况。图11-1给出 了孔径和流速对静压测 量的影响。
11.1.3动态压强的测量
对流动过程的实验研究和对工业生产中的流体系统进行 动态监测，以及对流体机械的流动特性进行数据采集 时，经常会遇到动态压强(Dynamic Pressure)的测量和 压强的远距离传送、显示、记录以及控制等问题。为 了实现压强信号的远传显示，通常将压强用波纹管、 膜片等弹性敏感元件转变为位移、力和其它应变信号 ，然后通过电阻式、电感式或电容式等电动变换器转 换为电信号，放大后远传至显示或记录仪表。这种压 强变送器因动态响应较慢，主要适用于测量静态压强 或变化缓慢的压强。
第11章 流体的测量
11.1 压强的测量 11.2 流速的测量 11.3 流量的测量 工程实例
第11章 流体的测量
教学提示：本章讨论流体及流动参数的测量原理、方法 和常用仪器。同时本章也可作为流体静力学基本方程ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ和能量方程的实际应用。 教学要求：掌握流速、流量、压强的测量原理和常用仪 器。
11.1压强的测量
在进行流体力学研究和涉及流体力学的工程实际应用中， 压强的测量技术是流体要素测量的基础，用皮托管测 速和用某些阻尼器测量流量参数，通常都通过压强测 量的转换来实现。 压强通常不能直接显示，必须将它变换为位移、角位移、 力或各种电量参数进行测量。压强的测量装置由压强 感受、传输和指示三部分组成。在常规测量中，压强 感受常用测压孔和各种形状的压强探针，感受到的压 强大小通过各种液体测压管或金属压力表来指示。在 测量动态压强时常采用压力传感器(Pressure transduce r)，将所感受到的动态压强转换为电信号输入相应的仪 表指示或输入计算机实时打印输出。显然，测量的精 度主要取决于压强感受和压强指示两个环节的误差大 小。
(2) U形管测压计 图11-4所示为U形管测压计，它一端与大气相通．另一端 连接到所要测量压强的 点处。根据U形管内量得的液 柱高度差计算出 点的压强。 通常根据被测点的压强大小和被测流体的性质，选用U形 管中的工作介质。当被测压强较大时，可以采用密度 较大的水银等作为工作介质；当测量气体压强且被测 点压强不大时，可以采用酒精、水、四氯化碳等液体 做工作介质。在容器中被测液体静止不动时，读数误 差在 左右，若被测液体处于流动状态时，因U形测压 管内工作介质液面波动将使读数误差增大至 。
(1) 单管测压计 这是一种最简单的测压计(见图11-3)：将一根玻璃管与液 体中所要测量压强处容器壁上的压力感受孔相连接， 管子的另一端开口与大气相通，利用测量被测液体在 管中上升的液柱高度来测定容器中液体的压强。为减 小因毛细现象所带来的测量误差，管子内径不能小于 ，通常取 。 在容器内压强的作用下，液体在测压管中上升高度为 ， 若液体的密度为 ，则由流体静压强基本公式得出容器 液体中 点的计示压强为
目前广泛应用于动态压强测量的传感器主要有电阻式、 应变式、电容式、电感式、压电式、压阻式等压强传 感器。电阻式压强传感器由于非线性误差大，频率响 应低而主要在测量精度和动态响应要求不高的场合使 用。应变式压强传感器由压强敏感元件和贴在它上面 的电阻应变片组成，前者将被测压强转换为应变量， 然后由电阻应变片将应变量变换为电阻的变化量，并 通过电桥将变化的电阻量以电压输出；压强敏感元件 有膜片式、应变筒式、应变梁式等多种，而电阻应变 片则有箔式、丝式和半导体应变片三类。应变式压力 传感器测量范围可达 ，动态频响达到 ，测量误差为 。 由于其结构简单、体积小、测量精度高、价格适中而 得到广泛应用。 图11-8是这种传感器的原理框图。
静压孔的几何形状和孔 轴方向所能引起的静 压测量误差如图 11-2 所示。虽然垂直壁面 的静压孔存在一定误 差，但因对于小于 1 mm 的小孔，误差很 小，且与壁面垂直时 容易加工，所以静压 孔常加工成与壁面垂 直。
11.1.2压强测量仪表
测量压强的方法很多，通常根据被测压强的大小和测量 精度要求选用不同的压强测量仪表。 1．液体测压计 液体测压计是根据流体静力学原理设计利用液柱高来测 量压强的仪表。在静力学中曾学过，对于静止且连通 的均质液体，在重力场中等压面是水平面。因此连通 的均质静止流体中，任意两点的压强差只与两点间的 垂直高度有关，而与容器的形状无关，这样，若在被 测液体的容器壁上所要测量压强处开孔并接透明 (如玻 璃)管子，即可测出液体中的压强。
2．金属弹簧压力表 当测量较高的压强，或对于各种流体系统检测压强时， 常采用金属弹簧管式压力表 图11-7是金属弹簧管式压 力表的基本结构示意图。当有压强的被测流体通入时 ，具有扁椭圆形截面的金属弹簧管l（图中 段），在内 外压差的作用下产生弹性变形,由管末端处的拉杆2拉动 扇形齿轮3使与其啮合的齿轮4转动，带动指针5指示压 强值。游丝7用以消除齿轮间的间隙，提高测量精度。 调节螺钉9的位置可以改变传动放大系数，调节压力表 量程。 6 为表盘， 8 为连接螺柱。弹簧管的变形随压强 上升而增大，通常根据不同的压强测量范围和测量精 度要求选用合适量程和精度的金属压力表。 使用一定时间的金属压力表，应该用压力表校正装置进 行校正，以保证其测量精度。
11.1.1静压的测量
无论流体处于静止状态，或对于流动的流体，当用固定 壁面开孔感受压强或用对流场干扰很小的探针通过周 壁小孔感受到的流体压强都可称为流场中某点的静压。 通常认为，只要壁面上开设的静压孔足够小，孔的轴线 垂直壁面，孔的边缘没有毛刺或凹凸不平，静压孔中 感受到的就是测点上流体压强的真实值。而当孔的边 缘处有毛刺或凹凸不平时，将会产生局部旋涡，使测 量值不准确。静压孔内外流体的相互影响引起了测量 结果产生误差。 壁面没有开设测压孔，近壁处是很薄的边界层，壁面处 流速为零。这时沿壁面法线方向上没有压强梯度，各 点的压强等于边界层外边界上的压强，这时，因为流 体的粘性，在法线方向上存在速度梯度而使流体对壁 面作用有切应力，壁面处流速为零。