流体密度、温度测量-力学基础实验课件-中国科技大学-09

1、第第9 9章章 流体密度、温度测量流体密度、温度测量9.1 9.1 不可压缩流体密度测量不可压缩流体密度测量9.2 9.2 可压缩流体密度场测量可压缩流体密度场测量9.3 9.3 密度场定量测量密度场定量测量9.4 9.4 流体温度测量流体温度测量mV测量物体密度的方法测量物体密度的方法 测量物体密度的方法多种多样，大测量物体密度的方法多种多样，大致可归纳出以下几种测量方法致可归纳出以下几种测量方法: : 测固体密度测固体密度 测液体密度测液体密度 测气体密度测气体密度9.1 9.1 不可压缩流体密度测量不可压缩流体密度测量一、一、 测固体密度测固体密度 1 1 称量法：称量法： 器材：天平、

2、量筒、水、金属块、细绳 步骤：（1）用天平称出金属块的质量m； （2）往量筒中注入适量水，读出体积为V1； （3）用细绳系住金属块放入量筒中，浸没，读出体积为V2。 计算表达式：=m / (V2-V1) 2 2 比重杯法：比重杯法： 器材：烧杯、水、金属块、天平 步骤：（1）往烧杯装满水，放在天平上称出质量为 m1；（2）将金属块轻轻放入水中， 溢出部分水，再将烧杯放在天平上称出质量为m2; （ 3）将金属块取出，把烧杯放 在天平上称出烧杯和剩下水的质量m3。 计算表达式：=水(m2-m3) / (m1-m3) 3 3 阿基米德定律法：阿基米德定律法： 器材：弹簧秤、金属块、水、细绳 步骤：（

3、1）用细绳系住金属块，用弹簧秤称出金属块的重力G；（ 2）将金属块完全浸入 水中，用弹簧秤称出金属块在水中的视重G*。 计算表达式：=G水/(G-G*) 4 浮力法浮力法(一一)： 器材：木块、水、细针、量筒 步骤：（1）往量筒中注入适量水，读出体积为V1；（2）将木块放入水中，漂浮，静止后 读出体积 V2；（3）用细针插入木块，将木块完全浸入水中，读出体积为V3。 计算表达式：=水(V2-V1) / (V3-V1) 5 浮力法（二）：浮力法（二）： 器材：刻度尺、圆筒杯、水、小塑料杯、小石块 步骤：（1）在圆筒杯内放入适量水，再将塑料杯杯口朝上轻轻放入，让其漂浮，用刻度尺测出杯中水的高度h1

4、; （2）将小石块轻轻放入杯中，漂浮，用刻度尺测出水的高度h2; （3）将小石块从杯中取出，放入水中，下沉，用刻度尺测出水的高度h3。 计算表达式：=水(h2-h1) / (h3-h1) 6 密度计法：密度计法：器材：鸡蛋、密度计、水、盐、玻璃杯 步骤： （1）在玻璃杯中倒入适量水，将鸡蛋轻轻放入，鸡蛋下沉；（2）往水中逐渐加 盐，边加边用密度计搅拌，直至鸡蛋漂浮，用密度计测出盐水的密度即等到于鸡蛋的密度。一、一、 测液体密度测液体密度 1 称量法：称量法： 器材：烧杯、量筒 、天平、待测液体 步骤：（1）用天平称出烧杯的质量m1； （2）将待测液体倒入 烧杯中，测出总质量m2； （3）将烧杯

5、中的液体倒入量筒中，测出体积V。 计算表达：=(m2-m1) / V 2 比重杯法比重杯法: 器材：烧杯、水、待液体、天平 步骤： （1）用天平称出烧杯的质量m1； （2）往烧杯内倒满水，称出总质量m2； （3）倒去烧杯中的水，往烧杯中倒满待测液体，称出总质量m3。 计算表达：=水(m3-m1)/(m2-m1)3 3 阿基米德定律法：阿基米德定律法：器材：弹簧秤、水、待测液体、小石块、细绳子 步骤： （1）用细绳系住小石块，用弹簧秤称出小石块的重力G； （2）将小块浸没入水中，用弹簧秤称出小石的视重G1； （3）将小块浸没入待测液体中，用弹簧秤称出小石块的视重G2。 计算表达：=水(G-G2)

6、 / (G-G1) 4 U4 U形管法：形管法：器材：U形管、水、待测液体、刻度尺 步骤： （1）将适量水倒入U形管中； （2）将待测液体从U形管的一个管口沿壁缓慢注入。 （3）用刻度尺测出管中水的高度h1,待测液体的高度h2。计算表达:=水h1 / h2 (注意:用此种方法的条件是: 待测液体不溶于水) 5 5 密度计法：密度计法： 器材：密度计、待测液体 方法：将密度计放入待测液体中，直接读出密度。PY-05十支组石油标准密度计十支组石油标准密度计序号测量范围g/ml分度值g/ml温度全长mm读数10.600-0.6500.00052033010下缘20.650-0.7000.000520

7、33010下缘30.700-0.7500.00052033010下缘40.750-0.8000.00052033010下缘50.800-0.8500.00052033010下缘60.850-0.9000.00052033010下缘70.900- 0.9500.00052033010下缘80.950-1.0000.00052033010下缘91.000-1.0500.00052033010下缘101.050-1.1000.00052033010下缘9.2 可压缩流体密度场测量可压缩流体密度场测量间接测量（气体，低速不可压流动也可近似采用）间接测量（气体，低速不可压流动也可近似采用）pRT1 密度

8、和折射率关系2 光线通过折射率场时发生弯曲3 阴影仪4 纹影仪1 1 密度和折射率关系密度和折射率关系 光线透过不均匀的折射率场时，光线透过不均匀的折射率场时，一般一般会发生以下两种类型的变化：会发生以下两种类型的变化： (1)(1)光线传播偏离原来的方向；光线传播偏离原来的方向； (2)(2)扰动光线相对未扰动光线发生位相差。扰动光线相对未扰动光线发生位相差。组元质量分数。iiiiiiiiiaakkkkn11 密度和折射率关系密度和折射率关系 Glasdtone-Dale公式公式适用于中低温气体。适用于中低温气体。 对混合气体对混合气体公式DaleGlasdtone1kn2 2 光线通过折射

9、率场时发生弯曲光线通过折射率场时发生弯曲 121212光线光线密度梯度？改变方向？改变方向？XYABCDd REdsdRO (ds)密度增大密度增大方向方向rarb000002,1K1KCnCCCCC KCdCdn：真空中光速=-光束光束ra的光速为的光速为C，光束，光束rb的光速为的光速为C+dC。 dt 时间内时间内光束光束ra走了走了dS 距离，距离，光束光束rb比光束比光束ra 多走了多走了(dS) 距离。距离。021K1K,1K1K11KdtdtC KdtKddCdCddRdRdRdt CdSRddSddKddKdRdSdRdKddKdSRdRdR -dSdC dtdR d2 2 光

10、线通过折射率场时发生弯曲光线通过折射率场时发生弯曲 光线在变密度场中传播时将发生弯曲，光线向光线在变密度场中传播时将发生弯曲，光线向密度增加的方向偏转。密度增加的方向偏转。 光线弯曲的曲率光线弯曲的曲率1/R正比于沿光线传播路径法正比于沿光线传播路径法线方向的密度变化线方向的密度变化 d /dR。 Q*Q入入射射光光线线未扰动光线未扰动光线扰动光线扰动光线密度梯度2 2 光线通过折射率场时发生弯曲光线通过折射率场时发生弯曲 Q*QablxyblabyabxaddKdsdRdKdzdydKdzdx3 3 阴影仪阴影仪（Shadowngraphy）lxyL3 3 阴影仪阴影仪（Shadowngra

11、phy）dxL xL ( x+ x)dyL yL ( y+ y)xxyydxxdxy 2222byxaALKLdzAxyxy亮度关系亮度关系阴影仪显示了密度的二阶导数。阴影仪显示了密度的二阶导数。射流阴影图射流阴影图3 3 纹影仪纹影仪（Schlieren）M1M2KPhL2L1Sf 23 3 纹影仪纹影仪（Schlieren） yf 2K22211122111ybyabxahffKfEhdzEhhhyfKfEhdzEhhhx 水平刀口垂直刀口纹影仪显示了垂直于刀口方向的密度一阶导数。纹影仪显示了垂直于刀口方向的密度一阶导数。h h3 3 纹影仪纹影仪（Schlieren）M箭头表示密度增大方

12、向箭头表示密度增大方向3 3 纹影仪（纹影仪（SchlierenSchlieren）氦气泡蜡烛火焰微型超声速风洞(喉道2mm) 数字彩色光源9.3 密度场定量测量密度场定量测量vMach-Zeder干涉仪干涉仪相干条件相干条件 （1）频率相同、有固定的位相差的两光波。）频率相同、有固定的位相差的两光波。 （2）两光波在相遇点振幅相差不大。两光波在相遇点振幅相差不大。 （3）两光波在相遇点光程差不太大。两光波在相遇点光程差不太大。vMach-Zeder干涉仪干涉仪M1M2M4M3补偿室补偿室试验光束试验光束参考光束参考光束试验段试验段00, , ,212bbaaLn x y zn dzKx y

13、zdzLNNL 亮条纹；暗条纹；kn1干涉仪（干涉仪（ Mach-Zender Interferometrer ）ruby lasertime delay high voltage poweramplifierv全息干涉仪全息干涉仪(Holographic Intereferometry)阴影全息干涉蜡烛火焰彩色纹影干涉仪照片9.4 流体温度测量流体温度测量USTC温度计温度计原理原理范围范围膨胀式温度计膨胀式温度计液体式液体式受热膨胀受热膨胀-200 500oC固体式固体式压力表式温度计压力表式温度计液体式液体式利用封闭容器中液体、气体或饱和蒸利用封闭容器中液体、气体或饱和蒸汽受热后引起容器

14、内压力变化汽受热后引起容器内压力变化0 300oC气体式气体式蒸汽式蒸汽式热电偶温度计热电偶温度计热电效应热电效应0 1600oC电阻温度计电阻温度计利用导体、半导体受热后电阻变化利用导体、半导体受热后电阻变化-200 500oC辐射式温度计辐射式温度计光学式光学式热辐射性质热辐射性质600 2000oC（可更高）（可更高）辐射式辐射式比色式比色式测温仪器分类：测温仪器分类：宏观概念宏观概念-是物体冷热程度的表示是物体冷热程度的表示. . 热平衡的两物体，其温度相等。热平衡的两物体，其温度相等。 微观概念微观概念-是大量分子运动平均强度的表示。是大量分子运动平均强度的表示。 分子运动愈激烈其温

15、度表现越高。分子运动愈激烈其温度表现越高。温度量的特殊性温度量的特殊性: :1. 1. 二温度不能相加或相减；二温度不能相加或相减；2. 2. 无标准量直接进行比较测量；无标准量直接进行比较测量；3. 3. 温度只能通过物体随温度变化的某些特性来间温度只能通过物体随温度变化的某些特性来间接测量。接测量。一、温度的基本概念一、温度的基本概念1）经验温标经验温标以物体热胀冷缩现象为基础。以物体热胀冷缩现象为基础。认为选定的测温物质体积的变化与温度成线性认为选定的测温物质体积的变化与温度成线性关系。关系。把在两温度点之间体积的总变化分为若干等分，把在两温度点之间体积的总变化分为若干等分，每个等分定义

16、为每个等分定义为1 1度。度。按这个原则建立的有摄氏温标、华氏温标按这个原则建立的有摄氏温标、华氏温标 。用来量度物体温度数值的标尺叫温标。用来量度物体温度数值的标尺叫温标。它规定了温度的读数起点（零点）和测量温度它规定了温度的读数起点（零点）和测量温度的基本单位。的基本单位。目前国际上用的较多的温标有经验温标目前国际上用的较多的温标有经验温标( (华氏温华氏温标、摄氏温标等标、摄氏温标等) )、热力学温标。、热力学温标。二、二、 温标温标9325t Ft C 摄氏温标：标准仪器是水银玻璃温度计。规定在摄氏温标：标准仪器是水银玻璃温度计。规定在标准大气压下，水的冰点为标准大气压下，水的冰点为0

17、 0度，沸点为度，沸点为100100度，度，水银体积膨胀被分为水银体积膨胀被分为100100等份，对应每份的温度等份，对应每份的温度定义为定义为1 1摄氏度，单位为摄氏度，单位为“C”C”；华氏温标：标准仪器是水银温度计，按照华氏温华氏温标：标准仪器是水银温度计，按照华氏温标，水的冰点为标，水的冰点为3232F F，沸点是，沸点是212212F F。分成。分成180180等份，对应每份的温度为等份，对应每份的温度为1 1华氏度，单位为华氏度，单位为“F”F”。摄氏温度和华氏温度的关系为：。摄氏温度和华氏温度的关系为：n 热力学温标又称开尔文温标，或称绝对温标。热力学温标又称开尔文温标，或称绝对

18、温标。n 分子运动停止时的温度为绝对零度；分子运动停止时的温度为绝对零度；n 热力学温标（符号为热力学温标（符号为T T）它的单位为开尔文（符号为）它的单位为开尔文（符号为K K），定义为水三相点的热力学温度的），定义为水三相点的热力学温度的1/273.161/273.16。n 相当摄氏温标相当摄氏温标00，华氏温标，华氏温标3232 的开氏温标为的开氏温标为273.15K273.15K。273.15tCT K2 2）. .热力学温标热力学温标三、温度的测量三、温度的测量非接触式测温非接触式测温 感温元件不与被测对象相接触，而通过热辐射进行热交换；感温元件不与被测对象相接触，而通过热辐射进行热

19、交换；具有较高的测温上限；具有较高的测温上限；热惯性小，可达千分之一秒，故便于测量运动物体的温度和热惯性小，可达千分之一秒，故便于测量运动物体的温度和快速变化的温度快速变化的温度。接触式测温接触式测温 测温元件直接与被测对象相接触，两者之间进行充分的测温元件直接与被测对象相接触，两者之间进行充分的热交换达到热平衡，这时感温元件的某一物理参数的量值就热交换达到热平衡，这时感温元件的某一物理参数的量值就代表了被测对象的温度值。代表了被测对象的温度值。 优点：直观可靠。优点：直观可靠。 缺点缺点: : 感温元件影响被测温度场的分布；感温元件影响被测温度场的分布； 接触不良等带来测量误差；接触不良等带

20、来测量误差； 高温和腐蚀性介质影响感温元件的性能和寿命高温和腐蚀性介质影响感温元件的性能和寿命。1、 液体膨胀式温度计液体膨胀式温度计由液体储存器、毛细管和标尺组成。由液体储存器、毛细管和标尺组成。 测温上限取决于所用液体汽化点的温度，测温上限取决于所用液体汽化点的温度，下限受液体凝点温度的限制。下限受液体凝点温度的限制。为防止毛细管中液柱出现断续现象，并为防止毛细管中液柱出现断续现象，并提高测温液体的沸点，常在毛细管中液提高测温液体的沸点，常在毛细管中液体上部充以一定压力的气体体上部充以一定压力的气体。水银水银3030750750甲苯甲苯9090100100乙醇乙醇1001007575石油醚

21、石油醚1301302525戊烷戊烷2002002020优点：直观、测量准确、结构简单优点：直观、测量准确、结构简单 、价廉；、价廉；缺点：不能自动记录、有迟延、易碎。缺点：不能自动记录、有迟延、易碎。细细管管玻玻璃璃泡泡液体液体玻玻管管水银凝固点：水银凝固点： -38.862-38.862，沸点：，沸点：356.9356.9优点：水银温度计不粘玻璃，不易氧化，容易获得较高精优点：水银温度计不粘玻璃，不易氧化，容易获得较高精度，在相当大的范围内（度，在相当大的范围内（3838356356）保持液态，在）保持液态，在200200以下，其膨胀系数几乎和温度呈线性关系，所以可作以下，其膨胀系数几乎和温

22、度呈线性关系，所以可作为精密的标准温度计。为精密的标准温度计。缺点：温度在缺点：温度在 -38.862 -38.862 以下不能使用、膨胀系数小以下不能使用、膨胀系数小测低温可采用含铊测低温可采用含铊 4% 4% 汞和金，可在汞和金，可在 -62-62以上的温度下以上的温度下使用，如果采用石英玻璃，并充以使用，如果采用石英玻璃，并充以8080105Pa105Pa的氮气，则可的氮气，则可将测量上限温度提升至将测量上限温度提升至800800。酒精的凝固点酒精的凝固点-177.5-177.5，沸点：，沸点：+78.5+78.5优点：可用于低温；膨胀系数大优点：可用于低温；膨胀系数大缺点：导热系数小，

23、球内温度分布不均匀；饱和蒸汽压高，缺点：导热系数小，球内温度分布不均匀；饱和蒸汽压高，温度降低时会有液体小滴凝结在毛细管上部中空部分。温度降低时会有液体小滴凝结在毛细管上部中空部分。2 2、固体膨胀式温度计、固体膨胀式温度计 利用两种材料的膨胀系数不同的原理制成，分利用两种材料的膨胀系数不同的原理制成，分为杆式和双金属式两大类。为杆式和双金属式两大类。 范围：范围：-30600-30600oC； 精度：精度：0.5-1.0级 杆式温度计的原理杆式温度计的原理 芯杆材料的膨胀系数比与基芯杆材料的膨胀系数比与基座相连的外套大，当温度变化时座相连的外套大，当温度变化时芯杆对基座产生相对位移，经简芯杆

24、对基座产生相对位移，经简单的机械放大后，就可直接指示单的机械放大后，就可直接指示温度值。温度值。双金属片温度计双金属片温度计 双金属片温度计是由膨胀系数不同的两种金属片牢双金属片温度计是由膨胀系数不同的两种金属片牢固结合在一起而制成，一端固定，另一端为自由端。固结合在一起而制成，一端固定，另一端为自由端。 当温度变化时，由于两种材料的膨胀系数不同而使当温度变化时，由于两种材料的膨胀系数不同而使双金属片的曲率发生变化，自由端产生位移，经传动放双金属片的曲率发生变化，自由端产生位移，经传动放大机构带动指针指示温度值。大机构带动指针指示温度值。 为了满足不同用途的要求，双金属元件制成各种为了满足不同

25、用途的要求，双金属元件制成各种不同的形状。不同的形状。3 3、压力式温度计、压力式温度计根据封闭系统的液体或气体受热后压力变化的原理而制成根据封闭系统的液体或气体受热后压力变化的原理而制成的测温仪表。的测温仪表。 1-1-温包；温包； 2-2-毛细导管；毛细导管； 3-3-压力压力计计由敏感元件温包，传压毛细管和弹簧管由敏感元件温包，传压毛细管和弹簧管压力表组成。压力表组成。若给系统充以气体，如氮气，称为充气若给系统充以气体，如氮气，称为充气式压力式温度计，测温上限可达式压力式温度计，测温上限可达500500，压力与温度的关系接近于线性，但是温压力与温度的关系接近于线性，但是温包体积大，热惯性

26、大。包体积大，热惯性大。若充以液体，如二甲苯、甲醇等，温包若充以液体，如二甲苯、甲醇等，温包小些，测温范围分别为小些，测温范围分别为4040200200和和4040170170，若充以低沸点的液体，其饱和汽压应随若充以低沸点的液体，其饱和汽压应随被测温度而变，如丙酮，用于被测温度而变，如丙酮，用于5050200200。但由于饱和汽压和饱和汽温呈。但由于饱和汽压和饱和汽温呈非线性关系，故温度计刻度是不均匀的。非线性关系，故温度计刻度是不均匀的。 特点特点: :必须将温包全部浸入必须将温包全部浸入被测介质；毛细管最长不超被测介质；毛细管最长不超过过60 m60 m；仪表精度低，但使；仪表精度低，但

27、使用简便，而且抗震动。用简便，而且抗震动。 4 4、热电偶温度计、热电偶温度计 热电偶是当前热电测温中普遍使用的一种感热电偶是当前热电测温中普遍使用的一种感温元件，它的工作原理是基于热电效应。温元件，它的工作原理是基于热电效应。（a a）热电效应及基本定律）热电效应及基本定律 两种不同材料的金属丝两端牢靠地两种不同材料的金属丝两端牢靠地接触在一起，组成闭合回路，当两个接触点接触在一起，组成闭合回路，当两个接触点（称为结点）温度（称为结点）温度t t和和t0t0不同时，回路中即产不同时，回路中即产生电势，并有电流流通，这种把热能转换成生电势，并有电流流通，这种把热能转换成电能的现象称为热电效应。

28、电能的现象称为热电效应。称回路电势为热电势。两金属丝称为偶极或热电极。两个结点称回路电势为热电势。两金属丝称为偶极或热电极。两个结点中与被测介质接触的一个称为测量端或工作端、热端，另一个中与被测介质接触的一个称为测量端或工作端、热端，另一个称为参考端或自由端、冷端。称为参考端或自由端、冷端。热电势的组成热电势的组成两根异质材料的接触电势两根异质材料的接触电势导线两端的温差电势导线两端的温差电势当两种不同性质的导体或半导体材料相互接触时，当两种不同性质的导体或半导体材料相互接触时，由于内部电子密度不同，例如材料由于内部电子密度不同，例如材料A A的电子密度大的电子密度大于材料于材料B B，则会有

29、一部分电子从，则会有一部分电子从A A扩散到扩散到B B，使得，使得A A失失去电子而呈正电位，去电子而呈正电位，B B获得电子而呈负电位，最终获得电子而呈负电位，最终形成由形成由A A向向B B的静电场。静电场的作用又阻止电子进的静电场。静电场的作用又阻止电子进一步地由一步地由A A向向B B扩散。当扩散力和电场力达到平衡时，扩散。当扩散力和电场力达到平衡时，材料材料A A和和B B之间就建立起一个固定的电动势。之间就建立起一个固定的电动势。因材料两端温度不同，则两端电子所具有的能量因材料两端温度不同，则两端电子所具有的能量不同，温度较高的一端电子具有较高的能量，其不同，温度较高的一端电子具

30、有较高的能量，其电子将向温度较低的一端运动，于是在材料两端电子将向温度较低的一端运动，于是在材料两端之间形成一个由高温端向低温端的静电场，这个之间形成一个由高温端向低温端的静电场，这个电场将吸引电子从温度低的一端移向温度高的一电场将吸引电子从温度低的一端移向温度高的一端，最后达到动态平衡。端，最后达到动态平衡。 温差电势的方向是由温差电势的方向是由低温端指向高温端，其大小与材料两端温度和材低温端指向高温端，其大小与材料两端温度和材料性质有关。料性质有关。Att0+-温差电势温差电势BA+-电子扩散方向电子扩散方向ABtt0热电势热电势（1 1）均质导体定律）均质导体定律 由均质材料构成的热电偶

31、，热电动势的大小只与材由均质材料构成的热电偶，热电动势的大小只与材料及结点温度有关。与热电偶的尺寸大小、形状及料及结点温度有关。与热电偶的尺寸大小、形状及沿电极温度分布无关。如材料不均匀，由于温度梯沿电极温度分布无关。如材料不均匀，由于温度梯度的存在，将会有附加电动势产生。度的存在，将会有附加电动势产生。热电偶基本定律热电偶基本定律T0TAT0BC三种导体的热电偶回路（2 2）中间导体定律）中间导体定律 将将A A、B B构成的热电偶的构成的热电偶的T0T0端断开，接入第端断开，接入第三种导体三种导体C C，只要保持第三导体两端温度相同，只要保持第三导体两端温度相同，接入导体接入导体C C后对

32、回路总电动势无影响。后对回路总电动势无影响。EABBA(T,Tn,T0)=EAB(T,Tn)+EAB(Tn,T0)（3 3）连接导体定律）连接导体定律在热电偶回路中，如果热电极在热电偶回路中，如果热电极A A、B B分别与连接导线分别与连接导线AA、BB相连接，结点温度分别为相连接，结点温度分别为T T、TnTn、T0 T0 ，那么回路的热电势，那么回路的热电势将等于热电偶的热电势将等于热电偶的热电势EAB(T,TnEAB(T,Tn ) ) 与连接导线与连接导线AA、BB在在温度温度TnTn、T0 T0 时热电势时热电势 EAEAB B(T,Tn(T,Tn ) ) 的代数和，即的代数和，即 ：

33、00( ,)( ,)(,)ABABaABaET TET TETT已知参比端为已知参比端为0 0o oC C时的热电势和温度的关系，则两端点时的热电势和温度的关系，则两端点在任意温度时的热电势为：在任意温度时的热电势为：( ,)( ,0)(,0)ABaABABaEt tEtEt 在热电偶回路中，两接点温度为在热电偶回路中，两接点温度为T T、T0T0时的热电时的热电动势，等于该热电偶在接点温度为动势，等于该热电偶在接点温度为T T、TaTa和和TaTa、T0T0时热电动势的代数和，即时热电动势的代数和，即（4 4）中间温度定律）中间温度定律 为使热电偶的热电动势与被测量间呈单值函为使热电偶的热电

34、动势与被测量间呈单值函数关系，热电偶的参考端温度必须固定。数关系，热电偶的参考端温度必须固定。 热电偶的温度热电动势关系以及热电偶的温度热电动势关系以及分度表是在参比端为分度表是在参比端为0 0 C C得到的。可采用以下得到的。可采用以下方法处理。方法处理。 (1) 0(1) 0 C C恒温法恒温法 将冰水混合物放置在保温容器中，使热电将冰水混合物放置在保温容器中，使热电偶的参比端保持在稳定的偶的参比端保持在稳定的0 0 C C环境。环境。热电偶的参考端处理热电偶的参考端处理00( ,0)( ,)(,0)E TCE T tE tC（3）电桥补偿法ABxabUEU当冷端温度不能维持恒定时，可采取

35、温度补偿的办法减当冷端温度不能维持恒定时，可采取温度补偿的办法减小参考端温度变化引起的误差小参考端温度变化引起的误差Uab=Ea热电势+E桥失衡补偿使得Ea热电势E桥失衡当热电偶参考端为不等于当热电偶参考端为不等于0 0 C C时，需对仪表的示值时，需对仪表的示值加以修正。修正公式（中间温度定律）：加以修正。修正公式（中间温度定律）：（2）参考端温度修正法气流中接触式测温技术气流中接触式测温技术(1)(1)影响接触式温度测量的各种因素影响接触式温度测量的各种因素接触式温度测量产生误差的原因接触式温度测量产生误差的原因 1 1、传热学方面的原因、传热学方面的原因 2 2、气动原因、气动原因 3

36、3、动态误差、动态误差 4 4、化学原因、化学原因 (2)(2)高速气流温度测量、速度误差分析高速气流温度测量、速度误差分析静温度量气流的无序动能，动温度量气流的有向动能静温度量气流的无序动能，动温度量气流的有向动能 pcT22动温动温静温与动温之和为气流的总温静温与动温之和为气流的总温 pcTTTT2200问题：温度传感器测得的温度是什么温度？静温？动温？总温？问题：温度传感器测得的温度是什么温度？静温？动温？总温？实际上处于高速气流中固定安装的测温传感器，对高速气流只实际上处于高速气流中固定安装的测温传感器，对高速气流只有一定的滞止作用，并非完全绝热滞止。因此传感器既不能直有一定的滞止作用

37、，并非完全绝热滞止。因此传感器既不能直接指示静温，也不能简单地测量总温，传感器实际的指示值被接指示静温，也不能简单地测量总温，传感器实际的指示值被称为有效温度。称为有效温度。有效温度有效温度高于自由流静温，而低于自由流总温。高于自由流静温，而低于自由流总温。6.4mm1.8mm19mm0.8mm换气孔换气孔总温探头：总温探头：v利用导体和半导体的电阻随温度变化导体和半导体的电阻随温度变化这一性质做成的温度计称为电阻温度计。v大多数金属在温度升高1C 时电阻将增加0.40.6。v半导体电阻一般随温度升高而减小，其灵敏度比金属高，每升高1 C ，电阻约减小26。v目前由纯金属制造的热电阻的主要材料

38、是铂、铜和镍铂、铜和镍。5 5、电阻温度计、电阻温度计(1) 铂电阻温度计v铂是一种贵金属。它的特点是精度高，性能稳定性，铂是一种贵金属。它的特点是精度高，性能稳定性，耐氧化性能很强。铂在耐氧化性能很强。铂在12001200 C C以下都能保证上述特性。以下都能保证上述特性。v铂很容易提纯，复现性好，可制成很细的铂丝铂很容易提纯，复现性好，可制成很细的铂丝（0.02mm0.02mm或更细）或极薄的铂箔。与其它材料相比，或更细）或极薄的铂箔。与其它材料相比，铂有较高的电阻率，因此普遍认为是一种较好的热电铂有较高的电阻率，因此普遍认为是一种较好的热电阻材料。阻材料。v缺点：铂电阻的电阻温度系数比较

39、小；缺点：铂电阻的电阻温度系数比较小； 价格贵价格贵0(1)tRRAt 在在0 0 C C 以上，其电阻与温度的关系接以上，其电阻与温度的关系接近于直线，其电阻温度系数近于直线，其电阻温度系数A A为为3.853.8510-3/10-3/ C C 。 按按IECIEC标淮，使用温度已扩大到标淮，使用温度已扩大到- -200200850 850 C C，初始电阻有，初始电阻有100100 和和1010 两种。两种。03(1)4.25 4.2810/tRRAtAC在测量精度要求不高、温度较低的场合，普在测量精度要求不高、温度较低的场合，普遍地使用铜电阻。遍地使用铜电阻。它可用来测量它可用来测量-5

40、0+150-50+150 C C的温度，在这温度的温度，在这温度范围内，铜电阻和温度呈线性关系：范围内，铜电阻和温度呈线性关系：(2) (2) 铜电阻温度计铜电阻温度计881.7 109.81 10CuPtmm铜电阻的缺点是电阻率小。铜电阻的缺点是电阻率小。 制成相同阻值的电阻时，铜电阻丝要细，这制成相同阻值的电阻时，铜电阻丝要细，这样机械强度就不高，或者就要长，使体积增样机械强度就不高，或者就要长，使体积增大。大。铜很容易氧化，所以它的工作上限为铜很容易氧化，所以它的工作上限为150 150 C C 。但铜电阻价格便宜，因此仍被广泛采。但铜电阻价格便宜，因此仍被广泛采用。用。初始电阻有初始电

41、阻有100100 和和5050 两种。两种。材料：材料：特点：特点： （1 1）温度系数大）温度系数大 灵敏度高灵敏度高 （为热电阻（为热电阻10-10010-100倍）倍）（2 2）结构简单，体积小）结构简单，体积小 可以测量点温度可以测量点温度（3 3）电阻率高、热惯性小）电阻率高、热惯性小 适于动态测温适于动态测温（4 4）易于维护、使用寿命长）易于维护、使用寿命长 适于现场测温适于现场测温（5 5）互换性差，非线性严重，精度低）互换性差，非线性严重，精度低 半导体半导体 - - 半导体热电阻半导体热电阻（6 6）成本低，应用广泛）成本低，应用广泛 非线性非线性 (3) (3) 半导体热

42、敏电阻半导体热敏电阻平衡电桥法平衡电桥法如果电阻如果电阻R R1 1=R=R2 2，当热电阻，当热电阻R Rt t阻值随阻值随温度变化时，调节电位器温度变化时，调节电位器R Rw w的电刷的电刷位置位置x x，使电桥处于平衡状态，则，使电桥处于平衡状态，则有有0twxRRRLL L、R R0 0电位器有效长度和总电阻电位器有效长度和总电阻x x电刷位置电刷位置(4) (4) 热电阻测量电路热电阻测量电路 热电阻把温度量转换成电阻量，测量电阻通常可利用热电阻把温度量转换成电阻量，测量电阻通常可利用欧姆表或电桥。欧姆表或电桥。6 6、光辐射测温方法及仪表、光辐射测温方法及仪表非接触测温非接触测温利

43、用光辐射来测量物体温度利用光辐射来测量物体温度 1 1、任何物体温度高于绝对零度（、任何物体温度高于绝对零度（-273.16-273.16 C C）时，都将有热辐射，温度越高，则发射到周围空间时，都将有热辐射，温度越高，则发射到周围空间的能量就越多。的能量就越多。 2 2、辐射能以波动形式表现出来，其波长的范围、辐射能以波动形式表现出来，其波长的范围极广，从短波、极广，从短波、x x光、紫外光、可见光、红外光一光、紫外光、可见光、红外光一直到电磁波。直到电磁波。 3 3、温度测量中主要是可见光和红外光，因为此、温度测量中主要是可见光和红外光，因为此类能量被接收以后，多转变为热能，使物体的温度类

44、能量被接收以后，多转变为热能，使物体的温度升高，所以一般就称为热辐射。升高，所以一般就称为热辐射。 辐射测温特点：辐射测温特点： 非接触测量非接触测量 - - 不影响被测温度分布；不影响被测温度分布； 响应速度快：对高速运动物体测温；响应速度快：对高速运动物体测温； 灵敏度高，能分辨微小的温度变化；灵敏度高，能分辨微小的温度变化； 测量范围广；测量范围广； 抗干扰能力强，理论上无需修正。抗干扰能力强，理论上无需修正。0404()()MTTMTT辐射温度计辐射温度计（1 1）全辐射温度计）全辐射温度计 利用物体的温度与总辐射出射度利用物体的温度与总辐射出射度的关系来测量温度的。根据斯忒潘的关系来

45、测量温度的。根据斯忒潘一玻耳兹曼定律总辐射出射度为：一玻耳兹曼定律总辐射出射度为：采用敏感元件测量出辐射功率的大采用敏感元件测量出辐射功率的大小，就可以测量出被测对象的温度；小，就可以测量出被测对象的温度；主要由光学系统、辐射接收器、测主要由光学系统、辐射接收器、测量仪表和辅助装置组成；量仪表和辅助装置组成；可用于测量可用于测量-50-5020000C20000C的高温；的高温；对物体黑度系数的估计偏差会给仪对物体黑度系数的估计偏差会给仪表带来误差；表带来误差；环境温度的变化也会使仪表产生误环境温度的变化也会使仪表产生误差。差。被测物与仪表之间的距离要满足距离系数要求：被测物与仪表之间的距离要

46、满足距离系数要求：L/DL/D（传感器前端面到被测对象表面的距离与被测对象的（传感器前端面到被测对象表面的距离与被测对象的有效直径之比）有效直径之比）进行正确瞄准，使目标的像充满接收器，不能偏离，否则进行正确瞄准，使目标的像充满接收器，不能偏离，否则也会产生误差。也会产生误差。优点：结构简单，使用方便，测温范围广（优点：结构简单，使用方便，测温范围广（700-3200700-3200），），一般可满足工业测温的准确度要求。一般可满足工业测温的准确度要求。缺点：人眼观察，并需用手动平衡，因此不能实现快速缺点：人眼观察，并需用手动平衡，因此不能实现快速 测量和自动记录，且测量结果带有一定的主观判断

47、误差。测量和自动记录，且测量结果带有一定的主观判断误差。 将物体辐射的单色亮度和仪表内部的高温灯泡灯丝亮度比较。将物体辐射的单色亮度和仪表内部的高温灯泡灯丝亮度比较。利用调节电阻来改变高温灯泡的工作电流，当灯丝的亮度与利用调节电阻来改变高温灯泡的工作电流，当灯丝的亮度与被测物体的亮度一致时，灯泡的亮度就代表了被测物体的亮被测物体的亮度一致时，灯泡的亮度就代表了被测物体的亮度温度。度温度。（2）灯丝隐灭式光学温度计）灯丝隐灭式光学温度计其它其它: : 激光测量技术等激光测量技术等（如（如TDLASTDLAS等，略）等，略）谢谢！流动显示技术流动显示技术(Flow Visualization)液体

48、射流碰撞产生的液体射流碰撞产生的 “鱼刺鱼刺”结结构构流动显示技术流动显示技术(Flow Visualization)流动显示分类：流动显示分类： 1 1 外加示踪法外加示踪法 (Addition of foreign materials into flows)(Addition of foreign materials into flows) (1) (1) 壁面示踪法壁面示踪法 (Surface tracing method)(Surface tracing method) (2) (2) 丝线法丝线法 (Tuffs)(Tuffs) (3) (3) 注入法注入法 (Injection)(I

49、njection) 2 2 光学方法光学方法 (Optical method)(Optical method) (1) (1) 阴影、纹影、干涉、差分干涉法阴影、纹影、干涉、差分干涉法 (2) (2) 全息干涉法（全息干涉法（Holographic Holographic intereferometryintereferometry） (3) (3) 云纹法云纹法 (Moire(Moire) ) (4) (4) 片光显示（片光显示（Light sheet flow visualizationLight sheet flow visualization） (5) (5) 激光诱导荧光（激光诱导荧

50、光（Laser-induced FluoresenceLaser-induced Fluoresence ） 3 3 计算机辅助流动显示计算机辅助流动显示 (Computer-aided flow (Computer-aided flow visualization)visualization)液滴速度分布（时间线）典型流动典型流动显示动画显示动画边界层理论边界层理论动画演示动画演示Re=2000Re=26Re=0.16Re=13.1Re=1.54主要为铝粉示踪圆柱扰流问题圆柱扰流问题经验教训动画超声速圆柱扰流（油流显示）ReRe其它物体扰流其它物体扰流机翼扰流绕流问题讨论机翼扰流绕流问题讨论

51、通常，机翼的升力与迎角成正比。迎角增加，升力通常，机翼的升力与迎角成正比。迎角增加，升力随之增大。但是，当迎角增大到某一值时，则会迎随之增大。但是，当迎角增大到某一值时，则会迎角增加升力反而急剧下降的情况。这个迎角就称为角增加升力反而急剧下降的情况。这个迎角就称为临界迎角。临界迎角。当机翼迎角超过临界点时，流经上翼面的气流会出当机翼迎角超过临界点时，流经上翼面的气流会出现严重分离，形成大量涡流，升力大幅下降，阻力现严重分离，形成大量涡流，升力大幅下降，阻力急剧增加，飞机下坠，这种现象称为失速。急剧增加，飞机下坠，这种现象称为失速。失速现象临界迎角临界迎角分离控制与分离控制与增加升力增加升力零质

52、量射流圆球分离与控制圆球分离与控制空气泡显示（分离）染色显示（分离）Re=15000加扰动绊线（分离推迟）Re=30000阻力下降旋旋涡涡的的显显示示涡环碰撞涡环碰撞大攻角非对称涡问题大攻角非对称涡问题=30=60三角翼涡升力三角翼涡升力染色液染色液染色液气泡气泡丝线丝线射流失射流失稳到湍稳到湍流的演流的演变变格栅扰动产生湍流边界层失稳到湍流的演变（左底层，右外层）射流稳定性阴影染料发烟澳大利亚杰维斯湾上空碎浪花云澳大利亚杰维斯湾上空碎浪花云燃烧流场测量燃烧流场测量The three methane jet diffusion flames shown here have an annulus

53、 air velocity of 0.15 m/s. The methane jet velocity is varied to achieve the cold-flow exit plane Reynolds number shown above each flame. The jet nozzle, having an exit diameter of 10 mm, is contoured to achieve a flat-top velocity profile. The light sheet is formed with a Nd:YAG laser. The camera s

54、hutter is triggered by the laser firing. The exposure time is 10 ns for the laser pulse and 2 ms for the yellow flame.湍流抑制分离，逆压梯度湍流抑制分离，逆压梯度（扩张）处易分离（扩张）处易分离激光诱导荧光测量技术激光诱导荧光测量技术OH-LIF & Rayleigh Imaging with T-YAG / Excimer Lasers on-resonance horizontal polarization OH-filter off-resonance vertical

55、polarization Rayleigh filterFlameMaster systemwith LIF upgradeFlameMaster systemwith Rayleigh upgradeAveraged Droplet Size Distribution applying LIF/MieDroplet DiameterLIF-SignalMie-Signal(m)020simultaneous200 LIF / Miemeasurementsfrom a water spraywith fluorescence tracerSprayMaster camerawith drop

56、let size calibration风洞实验举例风洞实验举例油膜显示本实验室的彩色纹影本实验室的彩色纹影微型超声速风洞灯泡烙铁电吹风蜡烛激波的彩色纹影激波的彩色纹影超声速风洞模型实验跨声速风洞模型实验运动激波绕过障碍物炸药爆炸超声速飞行弹丸瞬态流场显示超声速飞行弹丸瞬态流场显示阴影阴影干涉纹影自研制激光全息干涉流场显示系统自研制激光全息干涉流场显示系统 激波-爆炸波干扰 十字柱状爆炸波干扰激波在翼尖诱导旋涡（左：实验；右数值模拟）实验数值模拟水下爆炸波与有机玻璃板作用爆炸波撞击格栅脉冲激光聚焦爆炸甩鞭冲击波双楔超声速流 高超声速进气道相关研究 鱼类游动推进机理本校近期相关工作举例 高超声速

57、进气道相关研究 鱼类游动推进机理本校近期相关工作举例高超声速飞行器前体高超声速飞行器前体/进气道流动无论是对飞行器气动力进气道流动无论是对飞行器气动力/热特性还是对超热特性还是对超燃冲压发动机性能等都有着显著影响。其中激波激波干扰、激波燃冲压发动机性能等都有着显著影响。其中激波激波干扰、激波/边界层边界层干扰以及边界层分离等会在增加流动损失的同时，产生局部过高热流，使流干扰以及边界层分离等会在增加流动损失的同时，产生局部过高热流，使流场的均匀性大大下降，导致进气道效率的明显降低等。由于进气道内部流动场的均匀性大大下降，导致进气道效率的明显降低等。由于进气道内部流动结构的复杂性，目前的研究仍存在