第七章 流速及流量测量

热线风速仪
强迫对流传热---占主导地位。 金（King, 1914）公式：
V Q
Nu A BR
Nu Re hd k vd
0.5 e
Q

强迫对流传热 气体热传导 惯性力 粘性力
iw
Q f hdlTw T
热线风速仪
Qf 强迫对流传热 Nu A BRe0.5 King公式 气体热传导 k A / l Tw T f t d Q f k A / l Tw T f t A B v 强迫对流传走的热 2 Qw IW RW t 电流加的热 热平衡时：
热线风速仪
热线测速仪的优点是： （1）体积小，对流场干扰小； （2）频率响应高，可达1 MH z。 （3）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；还可以测量多个方向的速度分量。 热线测速仪的缺点是： 探头对流场有一定干扰，热线容易断裂。
（1）层流：
r 2 Vr Vo 1 R
V 1 V0 2 （2）紊流：
r0=0.7071R
1 n
r V r Vo 1 R
V 1 V0 2
r0=0.762R
所以如果知道被测流 体的状态，可根据流 体的流速分布情况布 置测点，
以等环面法为例：
测点的选择
圆形管道 1. 将截面分成面积相等的数个 同心圆环。一般n>=5，直径 小于300mm时，n=3 2. 按中间矩形法布置测点。在 每一个圆环内布置测点，测 点所在圆周恰将圆环面积平 分，推荐均布四个。也可按 切比雪夫法布置测点。 3. 平均流速等于各点平均
三．动力测压法测量流速
1．原理
•当气流速度较小，可不考虑流体的可压缩性，并认 为他的密度为常数，建立伯努利方程：
Pj v P0 0
1 2 2
v

2
( P0 Pj ) _________动力测压法基本公式
结论：测出全压和静压即可测得流体流速。
1.测量原理
对于可压缩性气体总压和静压之间关系式为：
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。
杯式
翼式
一．机械法测量流速
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量
四．激光多普勒测速技术
激光多普勒测速仪是利用随流体运动的微 粒散射光的多普勒效应来获得速度信息， 静止的激光光源发射的激光照射到随流体 运动的粒子上，同时粒子又将接收到的光 波向外散射，当静止的光接收器接收散射 光时，光接收器所收到的散射光频率fs与 静止光源的光波频率f0之差与运动粒子的 速度成正比。这个差值就叫多普勒频率。
热线风速仪的标定
推荐使用扩展的KING公式：
E A Bu Cu
2 n
分段接合的KING公式：
E Ai Bi u Ci u Di u
2 2 i 1
n
3
二、 测压管的标定
测压管标定的主要目的是为了确定 测压管的校正系数、方向特性、速 度特性等内容。
二、 测压管的标定
kp为速度校正系数，一般情况下毕托管在使用 之前需要进行标定，以确定速度校正系数。
（1）L形毕托管：标准形毕托管，
（2）T形毕托管：迎着 流体的开口端测量流 体的总压，背着流体 的开口端测量流体的 静压。一般用于测量 含尘浓度较高的空气 流速，速度校正系数 一般为0.83—0.87。 例如测量烟气流速。
四．激光多普勒测速技术
c ve0 v(es e0 ) f D fs f0 f0 f0 f0 c ves c ves
四．激光多普勒测速技术
第二节 流速测量仪表的标定
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。
P0 Pj 1 v 2 (1 ) 2
可压缩性修正系数
M 2 2 k 4绝热指数 M 4 24 马赫数 •在通风空调工程中，气体流速一般低于40m/s，空 气温度为20℃，常温下音速为343m/s，
V M 0.12 C
（1+ε ）=1.0034
所以气体的可压缩性程度对于动压的影响很小，一 般情况下可忽略。
（3）壁面测量静压 测压孔直接开在管 壁上，要求测量孔 附近的壁面要光滑 平整，孔轴要与壁 面垂直，孔径一般 为0.5mm。
3．总压的测量
测量仪器： L形毕托管。
4．毕托管 将测量的全压和静压用 引出管引出，与差压计 相接即可测量动压。实 际应用的毕托管的公式 为：
v kp 2

( P0 Pj）
2 I w Rw 0 R0 A1 B1 v Rw R f
热线风速仪
热线有两种工作模式：
①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；
②恒温式。热线的温度保持不变，如保持150℃，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 泛。
10
0.1 0.1 0.1
± 3% or 10 位
± 3% or 0.1 位 ± 0.8 ± 1.5
二．散热率法测量流速
原理：散热率与流体的流速成正比。 1．热线风速仪 测量方法：恒电流法、恒温法
I I→ v T
T →v
恒流型
恒温型
热线风速仪
热线测速仪（Hot Wire Anemometer，简称HWA），发明于20世 纪20年代。它是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。 其基本原理是，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。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变化，流速信号即转变成电信号。
1.测量原理
国标中规定：测压管的使用上限流体马赫 数M<0.25，测量下限流速在全压孔的 Re>200。上限或下限的规定都是为了避免 造成过大的测量误差。
2．静压的测量
•（1）测量原理：
PJ
（2）静压管：用细管弯成L形，头部为圆球形，
在水平测量断的表面上均匀布置测压孔，一般至 少为6个，另一端接压力表，用来测量静压。
1. 总压管的标定
总压管要标定的是总压管的校正系数以及 在不同流速时，总压管对流动偏斜角的不 灵敏性。
p0 K0 p'0
二、 测压管的标定
2. 静压管的标定
静压管要标定的是： 静压管在零偏斜角时，静压管的校正 系数或速度特性，以鉴定静压孔对气 流静压的感受能力 在不同流速时，静压管对气流方向变 化的不灵敏性
热线风速仪
恒流式：
R2 >> Rw
R2 E
R1 e1
RW
Rw I
R f A1 B1 V

2 I w 0 R0 A1 B1 V



热线风速仪
恒温式： R2 R1 IB
I2
I1 e0 Rw
Iw R
w
A B V R
1 1
w
Rf
Rw 0 R0
R3
V , Tw
2 IW RW Tw T f A1 B1 v


热线风速仪
金属丝电阻随温度变化：
Rw R0 1 0 Tw T f 1 Tw T f
2


铂丝： 0 3.5 103 1 K , 1 5.5 107 1 K 2 钨丝： 0 5.2 103 1 K , 1 7.0 107 1 K 2 Rw R0 0 1 , Tw T0 0 R0 得热平衡方程：
热线风速仪
热线长度一般为2mm，直径5μm ， 最小的探头直径仅1μm，长为0.2 mm。 材料为铂、钨或铂铑合金等熔点高、 延展性好的金属。 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。
热线风速仪
若以一片很薄(厚度小于0.1微米) 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 用于测量液体流速。
,
Rw
,
e1
,
e2 - e1
,
e0
, IB
,
eB
,
I1
,
Tw
,
RW
热线风速仪
热线测速仪的主要用途是： （1）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。 （3）测量湍流中的雷诺应力及两点的速度相关性、时间相关性。 （4）测量壁面切应力（通常是采用与壁面平齐放置的热膜探头 来进行的，原理与热线测速相似）。 （5）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。除此以外还开发出 许多专业用途。
第七章 流速及流量测量
空气流速流量测量方法
机械法 转杯风速仪 动压法 毕托管 散热率法 热线风速仪，热球风速仪，可 测低速 节流式 喷嘴 激光测速、超声波 卡门涡街
第一节 流速机械法测量流速
1．种类：翼式、杯式
AVM-03风速计
风速计
檔位 M/S KNOTS
测量范围 0.3-45.0 0.6-88.0
分辨率 0.1 0.1