第7章流速测量

1、第第7章章 流速测量流速测量第第1节节 皮托管测速技术皮托管测速技术第第2节节 热线测速技术热线测速技术第第3节节 激光多普勒测速技术激光多普勒测速技术第第1节节 皮托管测速技术皮托管测速技术1 基本构造与基本原理基本构造与基本原理2 二维气流速度的测量二维气流速度的测量测量气流总压和静压以确定气流速度的测量气流总压和静压以确定气流速度的一种管状装置。皮托管的构造如图一种管状装置。皮托管的构造如图1 基本构造与基本原理基本构造与基本原理 测速时头部对准来流，总压孔感测速时头部对准来流，总压孔感受来流总压受来流总压p0，经内管传送至压，经内管传送至压力计。力计。头部头部为半为半球形球形后为一双层

2、套管后为一双层套管皮托管头部迎流方皮托管头部迎流方向开有一个小孔向开有一个小孔A，称为称为总压孔总压孔 在距头部一定距离处开有若干垂直于流在距头部一定距离处开有若干垂直于流体流向的体流向的静压孔静压孔B，感受来流静压，感受来流静压p，经，经外套管也传至压力计。外套管也传至压力计。 对于不可压缩流动，根据伯努利方程，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：流体参数在同一流线上有如下关系：得流速为：得流速为：p0为总压，为总压，p为静压，为静压，为气流密度，为气流密度，V为流速为流速1.1 皮托管的校准系数皮托管的校准系数考虑到总压和静压的测量误差，利用上式计算考虑到总压

3、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流速时应作修正，引入皮托管的校准系数：校准校准 当气体流动的马赫数大于当气体流动的马赫数大于0.3时，需要考虑时，需要考虑气体的压缩性效应，用下式进行修正：气体的压缩性效应，用下式进行修正：1.2 考虑气体的压缩性修正系数考虑气体的压缩性修正系数修正修正为气体的压缩为气体的压缩性修正系数性修正系数2 二维气流速度的测量二维气流速度的测量三孔测速管是在圆三孔测速管是在圆柱体的同一横截柱体的同一横截面的表面上开有面的表面上开有三个感压孔三个感压孔,各自各自用传压管将压强用传压管将压强引至测压计上引至测压计上,测测得三孔的压强得三孔的

4、压强,即即可测量。可测量。两个方向孔的压力两个方向孔的压力P1、P3分别为：分别为：设两个方向孔设两个方向孔的夹角为的夹角为2气体流动方向与气体流动方向与其角平分线的偏其角平分线的偏离角为离角为P为静压为静压两个方向孔的压力差为两个方向孔的压力差为： 若要使若要使P1-P3出现最大值，可以对上式关于出现最大值，可以对上式关于偏导偏导.并令并令若要使若要使P1-P3出现最大出现最大值，应使值，应使COS2=0。即即2=90，也就是，也就是两个方向孔在同一平两个方向孔在同一平面内呈直角分布。面内呈直角分布。三孔测速管探头上三孔测速管探头上的的感压孔布置感压孔布置为：为：两个方向孔在同一两个方向孔在

5、同一平面内呈直角分布，平面内呈直角分布，总压孔开设在两个总压孔开设在两个方向孔的角平分线方向孔的角平分线上。上。 实际测量时，实际测量时，将探头插入气流中，慢慢转将探头插入气流中，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，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。有总压孔的压力就是总压。有：第第2节节 热线测速技术热线测速技术1 热线风速仪的工作原理热线风速仪的工作原理2 热线流速仪的两种形式热线流速仪的两种形式 恒流式恒流式和和恒温式恒温式将一根通电加热的细将一根通电加热的细金属丝（称热线）金属丝

6、（称热线）置于气流中，热线置于气流中，热线在气流中的散热量在气流中的散热量与流速有关，而散与流速有关，而散热量导致热线温度热量导致热线温度变化而引起电阻变变化而引起电阻变化，流速信号即转化，流速信号即转变成电信号。变成电信号。1 热线风速仪的工作原理热线风速仪的工作原理在分析敏感元件的基本工作原理时，以热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。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，通过热线的电流为速度的工作时，通过热线的电流为I，热线的电阻为热线的电阻为RW，相应的热线温度为，相应的热线

7、温度为TW。则热线产生的焦耳热为。则热线产生的焦耳热为I2RW。在热平衡条件下，热线的换热过程基本在热平衡条件下，热线的换热过程基本上是一个强迫对流换热过程，热线产上是一个强迫对流换热过程，热线产生的焦耳热损失了：生的焦耳热损失了：h为热线与被测流体之间的对流传热系为热线与被测流体之间的对流传热系数，数，F为热线的换热面积，为热线的换热面积，Tf被测流体被测流体的温度的温度简简化：化：a，b，n为有关常数为有关常数热线的电阻热线的电阻RW与温度与温度TW是一一对应是一一对应的，在流体温度的，在流体温度Tf一定的条件下，流一定的条件下，流体的流速体的流速V仅仅是热线电流仅仅是热线电流I和热线温和

8、热线温度（或电阻）的函数，度（或电阻）的函数，只要固定一个变量，流速就成为另一个只要固定一个变量，流速就成为另一个变量的单值函数，热线流速仪有两种形变量的单值函数，热线流速仪有两种形式：式：恒流式恒流式和和恒温式恒温式。进一步进一步简化：简化：2.1 恒流式恒流式 在工作过程中保持加热电流不变，热线的表面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：温度随流体流速而变化，此时流速公式为：因此通过测量热线的电阻值就可以确定流体因此通过测量热线的电阻值就可以确定流体速度的变化。速度的变化。工作过程分为工作过程分为3个状态个状态初始状态初始状态过渡状态过渡状态稳定状态

9、稳定状态初始状态初始状态热线未放入流场热线未放入流场,流流速为零速为零,电桥平衡电桥平衡,检检流计指向零点流计指向零点,电流电流表表A读数为读数为I0.工作过程分为工作过程分为3个状态个状态过渡状态过渡状态热线放入流场热线放入流场,热线热线温度下降温度下降,阻值减小阻值减小,电桥失去平衡电桥失去平衡,检流检流计偏离零点计偏离零点.电流表电流表A读数不为读数不为I0工作过程分为工作过程分为3个状态个状态稳定状态稳定状态调节可变电阻调节可变电阻Ra,使使其增大量抵消其增大量抵消R w的的减小量减小量,保持保持Ra+ R w不变不变.工作过程分为工作过程分为3个状态个状态最后最后电流表回到原先的电流

10、表回到原先的读数读数I0,根据根据R w的值的值算出流速算出流速.2.2 恒温式恒温式在工作过程中调节热线两端的电压以保持热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线的电阻不变，这样就可以根据电压值的变化变化,测出热线电流的变化测出热线电流的变化,进而计算流速进而计算流速当热线因对流换热出现当热线因对流换热出现温度下降温度下降,电阻电阻R w减小减小R1+R4+R w导致电桥失去平衡，导致电桥失去平衡， A、B两点之间电阻值下降两点之间电阻值下降。 A、B两点之间电压两点之间电压减小，减小， R w上电压上电压减小减小调节可变电阻调节可变电阻R，使，使R减小以

11、增加电桥的供减小以增加电桥的供电电压，桥臂上的电电电压，桥臂上的电流随之增大，热线的流随之增大，热线的加热功率提高，温度加热功率提高，温度回升，阻值增大，直回升，阻值增大，直至电桥重新恢复平衡。至电桥重新恢复平衡。第第3节节 激光多普勒测速技术激光多普勒测速技术1 激光多普勒测速原理激光多普勒测速原理2 基本光路系统基本光路系统3 激光器和散射微粒激光器和散射微粒1 激光多普勒测速原理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，

12、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，频率汽笛声的频率显得高些；背向而去时，频率显得低些。当波源不动，而观察者运动时，显得低些。当波源不动，而观察者运动时，也有类似的情形。也有类似的情形。多普勒效应：多普勒效应：因波源或观察者相对于传播介质因波源或观察者相对于传播介质的运动而使观察者接收到的波的频率发生变的运动而使观察者接收到的波的频率发生变化的现象。化的现象。2 公式推导公式推导当激光照射到跟随流体一起运动的微当激光照射到跟随流体一起运动的微粒上时，光波在粒上时，光波在P点被运动的微粒散射点被运动的微粒散射发射光发射光流体运动方向流体运动方向发射光照射到跟

13、随流体一起运动的微发射光照射到跟随流体一起运动的微粒上时，光波在粒上时，光波在P点被运动的微粒散射点被运动的微粒散射散射光方向散射光方向散射光频率散射光频率fs将偏离入射光频率将偏离入射光频率fi，频，频率偏移正比于物体的运动速度，称为率偏移正比于物体的运动速度，称为多多普勒频移普勒频移。多普勒频移多普勒频移与微粒的运动速度，即流体的流与微粒的运动速度，即流体的流速成正比。测量出多普勒频移就可以测量出速成正比。测量出多普勒频移就可以测量出流体的流速。流体的流速。对于固定光源对于固定光源LS发出的光，根据发出的光，根据多普勒效应多普勒效应,运动运动微粒微粒P（相当于（相当于入射光的接受者）入射光

14、的接受者）所接收到的频率所接收到的频率fp为：为：对于运动微粒的对于运动微粒的散射光波（频散射光波（频率为率为fp），固），固定接收器定接收器PD接接收到的光波频收到的光波频率率fs为：为： 固定光源固定光源LS发发出的光波频率与出的光波频率与固定接收器固定接收器PD接接收到的光波频率收到的光波频率差为：差为： 结论结论:微粒速度在方向微粒速度在方向kski上的分量上的分量大小大小Vn与多普勒频移与多普勒频移fD呈线性关系呈线性关系 通过改变光源与检测器的相对位置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就可以得到微粒速度在任意方向上的分量大小分量大小.把这些分量合成把这些分量合成,就可以得就可以得到微粒速度到微粒速度.2 常用的激光测速仪的光路系统常用的激光测速仪的光路系统分为参考光束系统、单光束系统和双光分为参考光束系统、单光束系统和双光束系统。束系统。 参考光束系统参考光束系统分光镜分光镜照明光束和照明光束和参考光束的参考光束的强度对比是强度对比是9：1发射透镜发射透镜运动微粒运动微粒小孔光阑小孔光阑接收透镜接收透镜参考光通过流体直接照射参考光通过流体直接照射到光电倍增管上到