流体流动本科阶段课件 (8)

1、2021-7-2第 1 章流 动 流 动1 第第7讲：讲： 1.7 流体流速和流量的测定流体流速和流量的测定 1.7.1 毕托管毕托管（Pitot tube ）； 1.7.2 孔板流量计（孔板流量计（orifice meter）；）； 1.7.3 转子流量计转子流量计（rotameter) 。 第第1章章 流体流动（流体流动（14学时） 2021-7-2第 1 章流 动 流 动2 1.7 流速和流量的测量流速和流量的测量 1.7.1 毕托管毕托管 Pitot tube A点为驻点点为驻点 uA=0 22 22 BBAA uPuP 2 2 BBA uPP 2 )( 2 BiBA ugRPP gR

2、 u i B )(2 注意注意:毕托管测到的是点速度毕托管测到的是点速度,即即 放在什么位置放在什么位置,就测到此处流体就测到此处流体 的点速度。的点速度。 2021-7-2第 1 章流 动 流 动3 2点为驻点点为驻点 u2=0g PaP h 2 2 g PaP h 1 1 简单的测速管简单的测速管 2021-7-2第 1 章流 动 流 动4 V qu u u u max maxmax Re测定 2021-7-2第 1 章流 动 流 动5 毕托管安装注意以下几点；毕托管安装注意以下几点； （1）测量点位于均匀流段，上、下游最好有（测量点位于均匀流段，上、下游最好有（812）d的直管长的直管长

3、 度；度； （2）毕托管截面严格垂直于流动方向，否则，任何偏离都将造成毕托管截面严格垂直于流动方向，否则，任何偏离都将造成 负的偏差；负的偏差； （3）毕托管毕托管 d0 50 d d 0 2021-7-2第 1 章流 动 流 动6 例：在一内径为例：在一内径为 300mm 的管道中，用毕托管来测定平均分子质的管道中，用毕托管来测定平均分子质 量为量为 60 的气体流速。管内气体的温度为的气体流速。管内气体的温度为40oC，压强为，压强为101.3kPa ， 粘度粘度0.02mPa.s 。已知在管道同一横截面上测得。已知在管道同一横截面上测得毕托管水柱最大毕托管水柱最大 读数为读数为30mm

4、。问此时管内气体的平均速度为若干？。问此时管内气体的平均速度为若干？ 解：解： 402738314 60103 .101 3 RT PM m m 到到最最大大水水柱柱读读数数在在截截面面的的轴轴心心处处可可以以得得 81. 91000030. 022 max gR u i maxmax max 300. 0 Re udu max : u u 查图得查图得 u:从而得从而得 2021-7-2第 1 章流 动 流 动7 1. orifice meter 2截面称为缩脉截面称为缩脉 vena contracta 22 2 1 2 221 uuPP 2 1 2 2 2 1 2 221 u A APP

5、2021-7-2第 1 章流 动 流 动8 考虑考虑： 1 流体流体 通过孔口时存通过孔口时存 在阻力损失；在阻力损失； 2 以以A0代替代替A2 ； 3 实际测压实际测压2不一定正不一定正 好选在缩脉之处。好选在缩脉之处。 2021-7-2第 1 章流 动 流 动9 d Re 0 C 1 0 A A Re临界值临界值 当当Re Re临界 临界时， 时，)( 1 0 0 A A fC 一般一般 C0=0.60.7 Rq v 2 v qR 孔板流量计的测量范围受孔板流量计的测量范围受U U形压差计量程决定。形压差计量程决定。 此情况下此情况下C0 与被测流体的流速与被测流体的流速u无关。无关。

6、则被测流量（或流速）仅是则被测流量（或流速）仅是U形压差计读形压差计读 数数R的函数。的函数。 即即 孔板流量计的永久阻力损失孔板流量计的永久阻力损失 21 2 1 0 0 ,f PP d d 1P )( 2 0 i f Rg Ch 8 . 0 或者或者 2021-7-2第 1 章流 动 流 动10 孔板流量计安装位置的要求：孔板流量计安装位置的要求： 管径不变的水平直管段上，上游长度至少为管径的管径不变的水平直管段上，上游长度至少为管径的10倍，下游长度至少倍，下游长度至少 为管径的为管径的5倍。倍。 要测定一定的流量值，孔板孔径要测定一定的流量值，孔板孔径 d0 选得愈小，选得愈小，R 读

7、数愈大，测定的相对误差读数愈大，测定的相对误差 愈小。但是，流体通过孔板所产生的永久性能量损失愈大。要使得所选的孔板孔愈小。但是，流体通过孔板所产生的永久性能量损失愈大。要使得所选的孔板孔 径径 d0 值同时满足以下三方面的要求：值同时满足以下三方面的要求： 测量精度满足要求（测量精度满足要求（R 达到一定数达到一定数 值）；值）； 孔板流量系数孔板流量系数 C0 不随被测流量变不随被测流量变 化，仅与所选的孔径化，仅与所选的孔径 d0 有关；有关； 孔板所产生的永久性能量损失不能孔板所产生的永久性能量损失不能 超出设计规定值。超出设计规定值。 2021-7-2第 1 章流 动 流 动11 例

8、：孔板流量计例：孔板流量计 在一直径为在一直径为 5cm 的管道上装一标准的孔板流量计，孔径为的管道上装一标准的孔板流量计，孔径为 25mm，U形管压差计（以汞为指示剂）读数为形管压差计（以汞为指示剂）读数为220mm。管内液。管内液 体密度为体密度为 1050kg/m3 ，粘度为，粘度为 0.6mPa.s ，试计算液体流量。，试计算液体流量。 解：设管内解：设管内Re值已经超过极限允许值，首先仅根据值已经超过极限允许值，首先仅根据m=A0/A1值值 查查 C0 2 1 0 1 0 d d A A m gR CAq i v 2 00 2 1 4 d q u v ud d 1 1 Re 再根据再

9、根据Red1 、m 值重新查值重新查C0 2021-7-2第 1 章流 动 流 动12 例：例：孔板流量计孔板流量计 某鼓风机通过一根内径某鼓风机通过一根内径 300mm 的输气管向设的输气管向设 备供气，已知风机出口处的静压为备供气，已知风机出口处的静压为 150mmH2O （表压）时，空（表压）时，空 气流量为气流量为 4000m3/h（以（以 20oC 时的体积计）。现要在输气管上设时的体积计）。现要在输气管上设 置标准孔板，希望达到上述流量时，其压差读数不小于置标准孔板，希望达到上述流量时，其压差读数不小于 100mmH2O ，而永久压力降不超过，而永久压力降不超过 50mmH2O 。

10、大气压为。大气压为 101.3kPa 。求：。求：（1）孔板孔径；（）孔板孔径；（2）此孔板的功率消耗。）此孔板的功率消耗。 解：（解：（1） 空气的平均压强空气的平均压强 OmmH100 2 100150150 P 2m 3 5 m m m/kg22. 1 202738314 81. 910001 . 010013. 1 RT MP sPa108 . 1cP018. 0 5 21 2 1 0 0 ,f PP d d 1P 100 d d 150 2 1 0 707. 0 d d 0 mm212707. 0300 0 不不应应小小于于d mm220 0 d取取 2021-7-2第 1 章流 动

11、 流 动13 mm220 0 d取取 核算：核算：孔流系数孔流系数C0是否稳定；是否稳定； U形管读数能否达到形管读数能否达到100mmH2O； 永久压降值。永久压降值。 m/s23.29 220. 0 4 14. 3 3600 4000 2 0 u m/s72.15 300 220. 0 23.29 22 0 0 d d uu 5 5 102 . 3 108 . 1 22. 172.153 . 0 Re du 538. 0 300 220 d d A A 2 2 00 5 0 101 . 2538. 0Re 下下的的界界限限值值值值大大于于此此 A A 71. 0,538. 0,102 .

12、3Re 0 0 5 C A A 查查得得由由 21 00 PP2 Cu 22. 1 PP2 71. 023.29 21 OmmH4 .105Pa1034 221 PP OmmH7 .484 .105538. 011 221 2 1 0 0, PP d d Pf 2021-7-2第 1 章流 动 流 动14 OmmH7 .484 .105538. 011 221 2 1 0 0, PP d d Pf 2 w8 .530 3600 4000 81. 97 .48 0, sfe VPN 2021-7-2第 1 章流 动 流 动15 文丘里（文丘里（Venturi）流量计）流量计 能量损失小，造价高。

13、能量损失小，造价高。 2021-7-2第 1 章流 动 流 动16 1.7.3 转子流量计转子流量计 rotameter 结构与原理结构与原理 从转子的悬浮高度直接读取流量数从转子的悬浮高度直接读取流量数 值（上端刻度）。值（上端刻度）。 2021-7-2第 1 章流 动 流 动17 转子流量计的特性转子流量计的特性 垂直方向上转子力平衡垂直方向上转子力平衡 Af 为转子在流体流动方向上的投影面积。式子两边同时乘以为转子在流体流动方向上的投影面积。式子两边同时乘以Af 特性特性1: 恒压差恒压差 特性特性2: 恒流速恒流速 如何指示流量变化如何指示流量变化? 位置高时位置高时,环隙面积环隙面积

14、A0变大。变大。 相同。相同。不同高度处锥度相同，不同高度处锥度相同， 1 0 A A 22 111 1 2 2 2021-7-2第 1 章流 动 流 动18 转子流量计上的刻度已经标出，液体转子流量计是用密度转子流量计上的刻度已经标出，液体转子流量计是用密度=1000kg/m3的的 水标定的，气体水标定的，气体转子流量计是用密度转子流量计是用密度=1.2kg/m3的空气标定的。如果购买了的空气标定的。如果购买了 转子流量计用来测量一定密度的流体，必须进行刻度换算。转子流量计用来测量一定密度的流体，必须进行刻度换算。 刻度换算的根据是，在保持转子的材料（刻度换算的根据是，在保持转子的材料（f）

15、、外形（）、外形（Af 、 、Vf）相同的条件 ）相同的条件 下，在同一刻度之处（下，在同一刻度之处（A0相同），相同），CR视为相同。被测流体的体积流量视为相同。被测流体的体积流量qVB与标定与标定 流体的体积流量流体的体积流量qVA的比值即为换算系数。的比值即为换算系数。 转子流量计刻度校正：转子流量计刻度校正： 被测流体的体积流量被测流体的体积流量qVB=换算系数换算系数刻度读数刻度读数qV A 2021-7-2第 1 章流 动 流 动19 B A Af Bf A Af B Bf vA vB q q )( 根据需要，可以有计划地改变转子流量计的测量范围（量程范围）。保持转根据需要，可以有

16、计划地改变转子流量计的测量范围（量程范围）。保持转 子的外形（子的外形（Vf , Af )不变，变化转子的材料由不变，变化转子的材料由f1变为变为f2 ，同一刻度处，同一刻度处，变化后流变化后流 量量qv2与变化前流量与变化前流量qv1的关系（换算系数）为的关系（换算系数）为： B A f f A Af B Bf vA vB q q )( 1 2 1 2 该比值即为刻度的换算系数，或称校正系数。该比值即为刻度的换算系数，或称校正系数。 如果如果f2 f1 ，则比值大于则比值大于1，可测定的流量值增加。，可测定的流量值增加。 如果如果f2 f1 ，则比值小于则比值小于1，可测定的流量值减小，可以

17、提高测量的精度。，可测定的流量值减小，可以提高测量的精度。 2021-7-2第 1 章流 动 流 动20 转子流量计的安装及优缺点转子流量计的安装及优缺点 （1）永远垂直安装，且下进、上出，）永远垂直安装，且下进、上出， 安装支路，以便于检修。安装支路，以便于检修。 （2）读数方便，流动阻力很小，测量范围宽，）读数方便，流动阻力很小，测量范围宽， 测量精度较高；测量精度较高； （3）玻璃管不能经受高温和高压，在安装使）玻璃管不能经受高温和高压，在安装使 用过程中玻璃容易破碎。用过程中玻璃容易破碎。 2021-7-2第 1 章流 动 流 动21 例例：某气体转子流量计的量程范围为某气体转子流量计

18、的量程范围为460m3/h。现用来测量压。现用来测量压 力为力为60kPa（表压）、温度为（表压）、温度为50的氨气，转子流量计的读数应如的氨气，转子流量计的读数应如 何校正？此时流量量程的范围又为多少？（设流量系数何校正？此时流量量程的范围又为多少？（设流量系数CR为常数，为常数， 当地大气压为当地大气压为101.3 kPa） 解题思路：解题思路： 根据条件确定氨气的密度根据条件确定氨气的密度NH3 该转子流量计是以密度该转子流量计是以密度=1.2kg/m3的空气标定的。的空气标定的。 转子一般为较重的金属材料，密度未告知。可以近似认为转子一般为较重的金属材料，密度未告知。可以近似认为 fairf fNHf 3 3 3 3 , 3, NH air air airf NH NHf airv NHv q q 2021-7-2第 1 章流 动 流 动22 H y B 例（习题例（习题 24 ）：粘度为）：粘度为，密度为，密度为的液膜的液膜(liquid-film)沿垂直平沿垂直平 壁自上而下作匀速层流流动，平壁的宽度为壁自上而下作匀速层流流动，平壁的宽度为