流速测量

可见，无论双光束系统还是参考光速系统和单光 速系统,速度分量和频差之间的表达形式完全相同。 但从上述表达式的推导过程可以看到,双光束系统有 一突出的优点，即多普勒频移与光电检测器的接收 方向无关，这也正是在以上介绍的三种检测方式中 双光束系统得到最广泛应用的原因。 无沦采用哪一种类型的光路，激光多普勒流速仪 都出以下基本部分组成：激光器、光分束器(分光镜)、 光聚焦发射系统(透镜)、光信号收集均检测系统(光 阑和光电检测器)、频率信号处理系统以及散射微粒 等。
第一节 机械法测量流速
机械方法测量流速是根据置于流体中的叶轮 的旋转角速度与流体的流速成正比的原理来进行 流速测量的。 常用的机械式风速仪有翼式与杯式两种，早 期可测量15～20m/s以内的气流速度。现代的翼 式风速仪可测定0.25~30m/s的气流速度，可测量 脉动的气流和速度的最大值，最小值及流速平均 值。
以圆柱形三孔测速探头为例,根据 测量流 推导,当两方向孔在同一平面内 体总压 呈直角分布时，对气流的方向最 为敏感。因此，三孔测速管探头 上的感压孔都布置为：两方向孔 在同一平面内呈90度，总压孔开 设在两方向孔的角平分线上。 实际测量时，将上述测速管探 头插入气流之中，慢慢转动干 管，直到两方向孔所感受的压力 相等。这时，气流方向与总压孔 的轴线平行，总压孔和两方向孔 感受的压力分别为
第七章
流速测量
第一节 机械法测速技术
第二节 皮托管测速技术 第三节 第四节 第五节 热线测速技术 激光多普勒测速技术 粒子图像测速技术
在热能与动力机械工程中，常常需要测量工作 介质在某些特定区域的流速，以研究其流动状态对 工作过程和性能的影响，如研究进、排气管道的流 动特性和燃烧室内的气流运动对燃烧速度和燃烧质 量的影响等。因此，流速测量具有重要的意义。 随着现代技术日新月异的发展，流速的测量方 法和相应的测量仪器也越来越多。在热能与动力机 械中，目前常用的流速测量方法有机械法测速,皮托 管测速,热线流速仪测速和激光多普勒流速仪测速等。 本章将比较简要地介绍这些测量方法的基本原理及 其技术特点。
翼式风速仪
杯式风速仪
第二节
皮托管热力学和流体力学的基本定律可知，当气 流速度较小时，可不考虑流体的可压缩性，并认 为它的密度为常数。此时有 不可压缩 2 流体 2( p0 p) v v p0 p
2

只要测得总压（滞止压力）和静压（流体压 力）之差以及流体的密度，就可以利用上式确定 流体速度的大小。
激光多普勒测速技术
激光多普勒测速技术自20世纪开始应用于管内水流以来, 得到了飞速的发展。它属于非接触测速。 优点在于:对流场无干扰；输出特性的直线性相当好，不必 进行标定；测量精度不受流体折射率以外的其他物理性能及温 度、压力等参数的影响；空间分辨率高、无惯性，因而频响特 性好；测速范围广、可以从l0-3mm／s级的低速到超音速；测量 方向特性稳定；可以测量逆流现象中循环流的湍流速度成分。 缺点在于:激光多普勒流速仪是一个比较庞大的测量系统， 与皮托管相比，它不仅价格昂贵，而且使用操作复杂，同时还 必须在流动管壁上设置激光观测窗口，以及在被测流体中加裁 能够充分响应流体速度的散射微粒等。
v 2( p0 p) (1 )
可压缩流 体
一、动压管（毕托管）
1、L型动压管 测量动压除可以使用静压管和总压管分别测量 静压和总压，然后接入U型管确定动压值外，还可 以采用总静压风速管进行测量。
2、T型动压管
3、笛型动压管 主要用于测量大尺寸流道内的平均动压，以 得到平均流速。
二、二维气流速度的测量 对于作平面流动的气流，可以来用三孔测速管测量 其流速的大小和方向。三孔测速管主要由三孔感压探 头、干管、传压管和分度盘等组成。其中，探头可以 做成各种形状，如圆柱形、球形、尖劈形和楔形等等。 在探头的三个感压孔中，居中的一个为总压孔，两侧 的孔用于探油气流方向，故也称方向孔。当面侧的方 向孔感受到的压力相等时，则认为气流方向与总压孔 的轴线重合。显然，两侧方向孔所在的位置应该对气 体的流动方向十分敏感，即当气流方向与该两孔的角 平分线出现微小偏差时，两方向孔所感受的压力就会 出现显著的差异。
测量流 动方向
三. 皮托管的标定方法
测压管的标定是在校正风洞内采用比较法进 行标定的。最常见的校准风洞是射流式风洞。
第三节
一、基本原理
热线测速技术
散热率法测量流速的原理，是将发热的测速 传感器置于被测流体中，利用发热的测速传感器 的散热率与流体流速成比例的特点，通过测定传 感器的散热率来获得流体的流速。
电路简 单
三、恒温型热线风速仪 如果在热线工作过程中，始终保持热线的温 度TW不变，则可通过测得流经热线的电流值来确 定流体的速度。这种形式的风速仪叫恒温型热线 风速仪或恒电阻型热线风速仪。由于热线的温度 不变，所以其电阻值也不变，这时加热电流随流 体的速度而变化。
恒温(恒电阻)式
第三节
激光器: 激光多普勒流速仪所采用的激光器主要有两种：氦氖激 光器和氩离子激光器,使用较多的是氦氖激光器。 散射微粒: 激光多普助流速仪是以流体中的微粒为媒介来测量流体流 速的。对于水或一般的流体，其中自然存在的杂质足以作为 散射微粒。但在不少情况下(如燃烧火焰传播速度和高速风洞 中的风速测量等)，由于被测流体中自然存在的微粒大小或其 浓度不能满足测量的需要，或者测量光路的布置型式受到限 制而需要增加被测流体的散射强度时，就有必要人为地添加 散射微粒。
热线风速仪是利用被加热的金属丝（称为热 线）的热量损失来测量气流速度的。
风速仪的热线探头为惠斯通电桥的一臂，由仪 器的电源给金属丝供电。当被测流体通过被电流加 热的金属丝或金属膜时，会带走热量，使金属丝的 温度降低，其降低程度取决于流过金属丝的气流速 度。当热线向流体散热达到平衡时，有
Q QR Q F (Tw T f ) QR I w Rw
考虑到总压和静压的测量误差，利用它们的测量读数进行 流速计算时，应作适当的修正为此，引入皮托管的校准系数ξ ， 将式改写为
v 2( p0 p)

合理地调整皮托管各部分的几何尺寸，可以使得总压、静压的 测量误差接近于零。 当气体流动的马赫数Ma＞0.3时，还应考虑气体的压缩性效 应，此时可用下式进行流速计算
光速c=3x108m/s
二 测量多普勒频移的基本光路系统
检测多普勒频移有两种基本方法，即直接检 测和外差检测。前者是通过直接测量散射光频率 来求取多普勒频移，因受测量仪器频率特性的限 制，只能用于有限的场合，因此目前常用的是外 差检测方法。这种方法是通过检测两束光波之间 的频率差，经转换后得到多普勒频移。 外差检测法的基本光路系统大致有三种，即 参考光束系统、单光束系统和双光束系统。
因此，流体的速度只是流过热线的电流和热 线电阻（热线温度）的函数，即
u f ( IW , RW )
二、恒流型热线风速仪
在热线工作过程中，人为地用一恒值电流对 热线加热，即IW为常数。由于流体对热线的对流 冷却，且冷却能力随着流速的增大而加强。当流 速呈稳态时，则可根据热线电阻值的大小（即热 线的温度高低）确定流体的速度。
一 激光多普勒测速原理
定向发光 亮度高 颜色纯
激光多普勒流速仪是利用激光多普勒效应进 行流速测量的。当激光照射到跟随流体一起运动 的微粒上时，微粒散射的散射光频率将偏离入射 光频率，这种现象就叫激光多普勒效应，其中散 射光与入射光之间的频率偏离量称作多普勒频移。 多普勒频移与微粒的运动速度，即流体的流速成 正比。因此，测量出多普勒频移就可以测得流体 的速度。 λ=cf,
机械式风速仪可用来测定仪表所在的位置的 气流速度，也可用于大型管道中气流的速度场， 尤其适用于相对湿度较大的气流速度的测定。利 用机械式风速仪测定流速时，必须保证风速仪的 叶轮全部放置于气流流速中，其叶片的旋转平面 和气流方向之间的偏差，若在±10度角的范围以 内，则风速仪的读数误差不大于1％。如果偏转 角度在增大，将使测量误差急剧增加。
2 2
Q QR Q F (Tw T f ) QR I Rw
2 w
Nu d n Nu a b Re
I Rw (a ' b ' u )(Tw T f )
2 w n
a F a' d n 1 b Fd b' n v
流体速度是流过热线 的电流和热线电阻 （热线温度）的函数