第7章流速测量

工作过程分为3个状态
稳定状态
调节可变电阻Ra,使 其增大量抵消R w的 减小量,保持Ra+ R
w不变.
最后
电流表回到原先的 读数I0,根据R w的值
算出流速.
2.2 恒温式
在工作过程中调节热线两端的电压以保持热 线的电阻不变，这样就可以根据电压值的 变化,测出热线电流的变化,进而计算流速
当热线因对流换热出现 温度下降,电阻R w减小
校 准
1.2 考虑气体的压缩性修正系数
当气体流动的马赫数大于0.3时，需要考虑 气体的压缩性效应，用下式进行修正：
修
正
ε为气体的压缩
性修正系数
2 二维气流速度的测量
三孔测速管是在圆 柱体的同一横截 面的表面上开有 三个感压孔,各自 用传压管将压强 引至测压计上,测 得三孔的压强,即 可测量。
设两个方向孔 的夹角为2φ
实际测量时，将探头插入气流中，慢慢转 动干管，直到两个方向孔所感受到的压力相 等。这时，气流方向与总压孔的轴线平行，
总压孔的压力就是总压。有：
第2节 热线测速技术
1 热线风速仪的工作原理 2 热线流速仪的两种形式
恒流式和恒温式
1 热线风速仪的工作原理
将一根通电加热的细 金属丝（称热线） 置于气流中，热线 在气流中的散热量 与流速有关，而散 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。
• 在距头部一定距离处开有若干垂直于流 体流向的静压孔B，感受来流静压p，经 外套管也传至压力计。
对于不可压缩流动，根据伯努利方程， 流体参数在同一流线上有如下关系：
p0为总压，p为静压，ρ为气流密度，V 得为流流速速为：
1.1 皮托管的校准系数ξ 考虑到总压和静压的测量误差，利用上式计算 流速时应作修正，引入皮托管的校准系数ξ：
当激光照射到跟随流体一起运动的微 粒上时，2 光公波式在推P导点被运动的微粒散射
发射光 流体运动方向
发射光照射到跟随流体一起运动的微 粒上时，光波在P点被运动的微粒散射
●
散射光方向
散射光频率fs将偏离入射光频率fi，频 率偏移正比于物体的运动速度，称为多
普勒频移。
多普勒频移与微粒的运动速度，即流体的流 速成正比。测量出多普勒频移就可以测量出 流体的流速。
1 激光多普勒测速原理
当我们站在铁路旁，正遇鸣着汽笛的火车开 过身旁时，会感到汽笛声忽然由高亢变得低 沉了。用物理语言来说，当火车迎面而来时， 汽笛声的频率显得高些；背向而去时，频率 多显 也的普得 有运勒低类动效些似而应。的使：当情观因波 形察波源 。者源不接或动收观，到察而的者观波相察的对者频于运率传动发播时生介，变质 化的现象。
气体流动方向与 其角平分线的偏 离角为Δφ
两个方向孔的压力P1、P3分别为：
P为静压
两个方向孔的压力差为：
• 若要使P1-P3出现最大值，可以对上式关于 φ偏导. 并令
若要使P1-P3出现最大 值，应使COS2Φ=0。 即2Φ=90°，也就是 两个方向孔在同一平 面内呈直角分布。
三孔测速管探头上 的感压孔布置为： 两个方向孔在同一 平面内呈直角分布， 总压孔开设在两个 方向孔的角平分线 上。
在分析敏感元件的基本工作原理时，以热 线为模型，对热膜可以做同样的分析。
热敏元件是利用热平衡原理来测量流体 速度的．工作时，通过热线的电流为I， 热线的电阻为RW，相应的热线温度为 TW。则热线产生的焦耳热为I2RW。
在h数上生为热，是的热平F一焦线衡为个耳与条热强热被件线迫损测下的对失流，换的流了体热热温换：之线面度热间的积过的换，程对热Tf，被流过热测传程线流热基产体系本
因此通过测量热线的电阻值就可以确定流体 速度的变化。
工作过程分为3个状态
初始状态
过渡状态
稳定状态
工作过程分为3个状态
初始状态
热线未放入流场,流 速为零,电桥平衡,检 流计指向零点,电流
表A读数为I0.
工作过程分为3个状态
过渡状态
热线放入流场,热线 温度下降,阻值减小, 电桥失去平衡,检流 计偏离零点.电流表 A读数不为I0
↓ R1+R4+R w
导致电桥失去平衡， A、B两点之间电阻值下降。 A、B两点之间电压减小， R w上电压减小
调节可变电阻R，使R 减小以增加电桥的供 电电压，桥臂上的电 流随之增大，热线的 加热功率提高，温度 回升，阻值增大，直 至电桥重新恢复平衡。
第3节 激光多普勒测速技术
1 激光多普勒测速原理 2 基本光路系统 3 激光器和散射微粒
第1节 皮托管测速技术 1 基本构造与基本原理 2 二维气流速度的测量
1 基本构造与基本原理
测量气流总压和静压以确定气流速度的 一种管状装置。皮托管的构造如图
后为一双层套管
头部 为半 球形
皮托管头部迎流方 向开有一个小孔A，
称为总压孔
• 测速时头部对准来流，总压孔感 受来流总压p0，经内管传送至压 力计。
热线的电阻RW与温度TW是一一对应 的，在流体温度Tf一定的条件下，流 体的流速V仅仅是热线电流I和热线温
度（或电阻）的函数简， 化：
a，b，n为有关常数
进一步 简化：
只要固定一个变量，流速就成为另一个 变量的单值函数，热线流速仪有两种形 式：恒流式和恒温式。
2.1 恒流式
在工作过程中保持加热电流不变，热线的表面 温度随流体流速而变化，此时流速公式为：
• 通过改变光源与检测器的相对位置, 就可以得到微粒速度在任意方向上的 分量大小.把这些分量合成,就可以得 到微粒速度.
2 常用的激光测速仪的光路系统
分为参考光束系统、单光束系统和双光 束系统。
• 参考光束系统
发射透镜
运动微粒 接收透镜
照明光束和 参考光束的 强度对比是9：
1
分光镜
小孔光阑
参考光通过流体直接照射 到光电倍增管上
照明光束照射到流体微粒P上，产生散射光， 该散射光经N和L2也照射到光电倍增管上
光电倍增管接收到的散射光和参考光的 频率差即是多普勒频移fD
V的分量Vn 正比于频移
3 激光器和散射微粒 • 激光器：氦氖激光器和氩离子激光器
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• 散射微粒 • 需要添加散射微粒
对于固定光源LS 发出的光，根据 多普勒效应,运动 微粒P（相当于 入射光的接受者） 所接收到的频率
fp为：
对于运动微粒的 散射光波（频 率为fp），固 定接收器PD接 收到的光波频 率fs为：
固定光源LS发 出的光波频率与 固定接收器PD接 收到的光波频率 差为：
• 结论:微粒速度在方向ks－ki上的分量 大小Vn与多普勒频移fD呈线性关系