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USTC
第8章 流体压强、速度 和流量的测量
§8.1 流体压强的测量 §8.2 流体速度的测量 §8.3 流量测量
USTC
§8.2 流体速度的测量
1 风速管和多孔探头 2 风速管标定实验 3 热线风速仪 4 激光多普勒测速仪 5 粒子成像速度计
USTC
3 热线风速仪 Hot Wire Anemometer
2 Iw Rw 0 R0 A1 B1 v Rw R f
USTC
3 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。
4 激光多普勒测速仪(LDV) Laser Doppler Velocimeter
激光测速的原理是：是测量通过激光束的示踪粒子的多 普勒信号，再根据速度与多普勒频率的关系得到粒子速 度。测得了粒子的速度，也就是流动的速度。 激光测速的最主要的优点是对流动没有任何扰动，测量 的精度高，测速范围宽，而且由于多普勒频率与速度是 线性关系，和该点的温度，压力没有关系，是目前世界 上速度测量精度最高的仪器。
USTC
3 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. 热线风速仪的工作原理 2. 热线风速仪的静态特性 3. 两种运行方式 4.热线风速仪的标定
USTC
3 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。
USTC
3 热线风速仪
恒流式：
R2 >> Rw
R2 E
R1
e1
RW
Rw I
R f A1 B1 V
2 Iw 0 R0 A1 B1 V
USTC
3 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
基本布置 V
激光电源
声光调制 器电源
计算机
信号处理器
放大器
光电倍增 管电源
USTC
4 激光多普勒测速仪(LDV)
技术指标： 测速范围：mm/s-1000m/s 测速维数：1维，2维或3维 测速精度：0.1% 工作光谱：514.5，488，476.5nm
R3
V , Tw
,
Rw
,
e1
,
e2 - e1
wenku.baidu.com
,
e0
, IB
,
eB
,
I1
,
Tw
,
RW
USTC
3 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。
2 IW RW Tw T f
A B v
1 1
USTC
3 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：
USTC
3 热线风速仪
热线探头在使用前必须进行校准。静态校准是在 专门的标准风洞里进行的，测量流速与输出电压 之间的关系并画成标准曲线；动态校准是在已知 的脉动流场中进行的，或在测速仪加热电路中加 上一脉动电信号，校验热线测速仪的频率响应， 若频率响应不佳可用相应的补偿线路加以改善。
USTC
USTC
4 激光多普勒测速仪(LDV)
基本光路
V
USTC
4 激光多普勒测速仪(LDV)
条纹模型
z
y
z
y
y x
x
f
USTC
4 激光多普勒测速仪(LDV)
条纹模型
1 2 V
d
d
2 sin
fD
V V sin 2 d 0
2 2
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4 激光多普勒测速仪(LDV)
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3 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 BRe0.5
Q
Nu Re
hd k vd
强迫对流传热 气体热传导 惯性力 粘性力
iw
Q f hdlTw T
USTC
3 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：
USTC
3 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。
USTC
3 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。
第8章 流体压强、速度 和流量的测量
§8.1 流体压强的测量 §8.2 流体速度的测量 §8.3 流量测量
USTC
§8.2 流体速度的测量
1 风速管和多孔探头 2 风速管标定实验 3 热线风速仪 4 激光多普勒测速仪 5 粒子成像速度计
USTC
3 热线风速仪 Hot Wire Anemometer
2 Iw Rw 0 R0 A1 B1 v Rw R f
USTC
3 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。
4 激光多普勒测速仪(LDV) Laser Doppler Velocimeter
激光测速的原理是：是测量通过激光束的示踪粒子的多 普勒信号，再根据速度与多普勒频率的关系得到粒子速 度。测得了粒子的速度，也就是流动的速度。 激光测速的最主要的优点是对流动没有任何扰动，测量 的精度高，测速范围宽，而且由于多普勒频率与速度是 线性关系，和该点的温度，压力没有关系，是目前世界 上速度测量精度最高的仪器。
USTC
3 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. 热线风速仪的工作原理 2. 热线风速仪的静态特性 3. 两种运行方式 4.热线风速仪的标定
USTC
3 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。
USTC
3 热线风速仪
恒流式：
R2 >> Rw
R2 E
R1
e1
RW
Rw I
R f A1 B1 V
2 Iw 0 R0 A1 B1 V
USTC
3 热线风速仪
恒温式： R2 R1 IB
I2
I1 e0 Rw
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A B V R
1 1
w
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Rw 0 R0
基本布置 V
激光电源
声光调制 器电源
计算机
信号处理器
放大器
光电倍增 管电源
USTC
4 激光多普勒测速仪(LDV)
技术指标： 测速范围：mm/s-1000m/s 测速维数：1维，2维或3维 测速精度：0.1% 工作光谱：514.5，488，476.5nm
R3
V , Tw
,
Rw
,
e1
,
e2 - e1
wenku.baidu.com
,
e0
, IB
,
eB
,
I1
,
Tw
,
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USTC
3 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。
2 IW RW Tw T f
A B v
1 1
USTC
3 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：
USTC
3 热线风速仪
热线探头在使用前必须进行校准。静态校准是在 专门的标准风洞里进行的，测量流速与输出电压 之间的关系并画成标准曲线；动态校准是在已知 的脉动流场中进行的，或在测速仪加热电路中加 上一脉动电信号，校验热线测速仪的频率响应， 若频率响应不佳可用相应的补偿线路加以改善。
USTC
USTC
4 激光多普勒测速仪(LDV)
基本光路
V
USTC
4 激光多普勒测速仪(LDV)
条纹模型
z
y
z
y
y x
x
f
USTC
4 激光多普勒测速仪(LDV)
条纹模型
1 2 V
d
d
2 sin
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2 2
USTC
4 激光多普勒测速仪(LDV)
USTC
3 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 BRe0.5
Q
Nu Re
hd k vd
强迫对流传热 气体热传导 惯性力 粘性力
iw
Q f hdlTw T
USTC
3 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：
USTC
3 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。
USTC
3 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。