热线风速仪测量原理简介

热线风速仪测量原理简介

李敏毅甘妙昌马思龙

广东省计量科学研究所广州５１０４０５

摘要本文简单地阐述了热线风速仪的工作原理。并介绍了其自校准和修正的一些方法。

关键词热线风速仪流速测量

０引言

为了进一步对换热器换热效果进行更深层次的研究，人们对换热器换热表面的气体或液体的流场越来越重视．因为流场对换热器总的换热系数有极其重要的影响，现在场协同原理也已经应用到对流换热的研究中。并逐渐成为一个新的研究方向，而在进行对流换热场协同研究的同时，更需要对流体在换热表面附近的流场分布，只有在准确的测量流体流场的基础之上。才可能通过实验来准确的验证流场与对流换热之间的关系．到目前为止，人们根据光学、力学以及热力学等领域的研究成果开发了很多测量流体流场的测量仪器，比如有早期的比托管和风速计。后来的热线热膜风速仪ｍｗｒＡ），以及近期出现的激光流速计（ＬＤＶ）等等．比托管的结构简单，使用方便，坚实可靠，价格低廉，但是其测速的范围比较窄，一般用来测量旺盛湍流的平均流速。所以测量的速度一般比较高．而且其仅能测量二维流场，不能敏感反向流动，不能测量湍流流动的流场分布．热线风速仪能够实现连续测量，信噪比好，而且能够分离和测量三维流场，测量的范圈比较大．而且能够非常准确地测量微风速。其灵敏度非常高．鉴于热线风速仪的这些优点，现在被广泛地应用与各种埙域．比如测量模拟风洞的速度场，换热管肋片周围的速度场。内燃机的流动特性等．

１热线风速仪的基本工作原理

１．１基本原理

热线测速技术是一种非常重要的测量流体速度与方向的技术，已经有近一百年的历史，它为流体速度的测量作出了巨大的贡献．并且在２０世纪∞年代以后几乎垄断了溜流脉动测速领域．按照热线热平衡原理可以将热线分为恒流风速计和恒温风速计．由于恒温风速计热滞后效应报小，频率响应很宽，反应快速，而恒流风速计则不具备上述特点，因此，恒温风速计的出现成为热线技术进一步发展的重要标志．热线风速仪嚣测量速度的基本熏理是热平衡原理。利用放置在流场中的具有加热电流的细金属丝来测量流场中的流速，风速的变化会使金属丝的沮度产生变化，从而产生电信号而获得风速。

根据热平衡原理，当热线置于介质（流场）中井通以电流时．热线中产生的热量应与之耗散的热量相等．换言之．在热线没有其他形式的热交换条件下，加热电流在热线中产生的热量应等于热线与周围介质的热交换．根据ｒａｎｇ公式，我们可以近似的得到换热表面的努谢尔数与霄诺数之间的关系，也就是说，只要知道换热系数，就可以得到通过热线处流速的大小和方向．

上一Ｓ

Ｋｉｎｇ公式可以表示为：

Ｎｕ＝Ａ＋ＢＲｃｏ５（１）

其中，Ｍ＝竺≠——努谢尔数

＾

Ｒｅ：竺兰——雷诺数

口——对流换热系数，Ｗ／（Ｋ·ｍ２）

三——定性尺寸，ＩＴＩ

Ａ，Ｂ——为常数，根据不同的热线而定

由热平衡原理，在不考虑热辐射的前提下，热线的热耗散应该等于电流流过热线所产生的热量。热耗散可用下式得出：

Ｑ耗敞＝硝帆一弓）

其中，口——热线的对流换热系数，Ｗ／ｇＯ．·ｍ２）

Ｆ——热线表面换热面积，ｍ２

瓦——热线表面温度，℃

弓——主流温度，℃

电流流过热线产生的热量为：

Ｑｋ＝，和。

其中，，。——电流，Ａ

Ｒ。——电阻，０

（２）（３）

于是可以得出：

，：Ｒ。．＝亦（Ｔ。一０）（４）

１．２热线风速仪静态响应

只要测量出热线的对流换热系数，那么就可以根据其基本原理来计算测量点的风速．如果流场是稳定的，那么利用热线风速仪测得就是静态数据，即成为热线风速仪静态响应．对于静态响应，

其流场不随时间的变化而变化，同样温度场也不随时间变化而变化．这样就可以根据Ｋｉｎｇ公式得到：取。叫ｈ：（·＋再·ｑ

式中，０——流体的导热系数·Ｗ／（ｍ。℃）

０·占

（５）

ｐ——流体的密度。ｋｇ，ｍ３

ｃ。——定压比热，ｋＪ／（ｋｇ‘℃）

ｄ——热线直径，ｍ

Ｄ——流速，ｍ／ｓ

，———热线的长度，ｍ当—Ｐｆ＿ｃ—ｏｏｄ＞０．０８时式（５）可表示为＾’

Ｅ兰丛＆；彳＋Ｂ石

一Ｒ。一Ｒ，……或：ｕ＝［．口／ＲｆＲ．２１２式中，Ｒ，——为对流换热热阻，ｍ２·Ｋ／ｗ（６）（７）

如果保持热线的温度不变，那么通过热线的电流就随通过热线处的速度场的变化而变化，通过分析电流的变化就可以准确地分析速度场的变化．

１．３热线风速仪动态响应

在很多的生产过程中要求我们对某流场要进行连续的测量，要反映出流场的瞬时值，以便对换热过程有更深的认识．这就要求我们能够进行动态测量，实时地反映出流场随时间的变化过程。换热面附近流体的速度场、温度场以及通过热线的电流发生变化都会导致热线热平衡的失衡。于是必定会有某个常数发生变化减缓这种热的不平衡，比如速度场随电流的变化而变化。根据动态响应的工程．我们可以得到

警＝，扭。一ｋ一巧勋＋曰石）ｃ，，式中：Ｅ——絮Ｉ线内能的增量

而热线内能的增量由可表示为

Ｅ＝ｍｃ帆一０）（８）式中，肌——热线的质量，ｋｇ

ｃ——热线的比热容。Ｊ／（ｋｇ．℃）

，——时间．ｓ

于是可得：

上口７

警＝ｍｃ鲁＝，：尺。一ｋ一弓ｎ＋Ｂ卅（９）

２热线风速仪的应用

２．１紊流参数测量

在实际生产中遇到最多的就是紊流情况，而现在人们对紊流的研究还是停留在实验的基础之上，在理论上的研究还不够深入，特别是对紊流流场的分析和计算以及紊流状态下对流换热系数的确定都还不能从理论上得到完全满意的答案，或多或少存在误差．而且很多的计算流场的公式都是在实验的基础之上进行一定的假设和简化，使之在数学上可解。也就是说，目前人们对紊流的研究还不够深入，这其中主要的原因是因为没有办法准确地描述紊流的流场和准确地求解紊流的流场，而且很多关于紊流流场的假设都不能够得到很好的实验验证，因此就要求能够对紊流常数进行一定的测量，以便为理论研究提供可靠的实验数据。对于恒流式热线风速仪有：

瓯匿瓯

瓦：氅瞳．：些一．：些（１０）

毛２可嵋２了峨２可‘１∞式中，占。，ｓ，，占。——分别为三维坐标中三个方向的紊流强度

Ｕ，矿。矽——分别为三个方向流速脉动值的平均值，ｍ／ｓ

“，ｖ，ｗ——分别为三个方向流速的瞬时值，ｍ／ｓ

根据热平衡原理

耻一考雠岛㈨，

而上盥：！丛：訾（１２）ｄＵＡＵ√－２

因此就有

矗一面戒茚¨”

铲～凳笠！：冬（１３）

其中．【，——任何一个方向上的流速平均指．ｍ／ｓ

一——常数

我们可以看到。只要能测得流场中的某点的瞬时流速就可以得到该流场的紊流参数．

２．２雷诺数的测量

很多情况下要求得出流体的霄诺数．因为一般的对流换热都直接与霄诺数有关，对于紊流的雷诺数，一般可以表示为

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