流量流速的测定及常见流体测速仪

如何测定流体的流速和流量对于流体力学来说是一门非常重要的研究，如今，有关流体的测量与我们的生活息息相关。由于实际流动非常复杂，实验研究和流体测量仍然是检验理论分析和数值计算结果最终的具有说服力的方法。那么该如若测定流量及流速呢？

对于流体流量的测定，有以下几种常见的仪器。

1.文丘里管流量计

文丘里管由渐缩管、中间的喉部断面和渐扩管组成，渐缩管内速度增加，压力下降，渐扩管内动能又转变为压力能，速度减小，压力增加。因为压力与流速有关，所以可以用来测流量。如图7.7所示，以管道轴线为基准面，1和2两断面间伯努力方程为 g v p

z g v p z 222222211

1++=++γγ 代入连续性方程，得：

2121v A A v =

喉部理想流速为：

??????+-+-=γγ22112

122()(2)(11p z p z g A A v

文丘里管能够精确测量管道内流体流量，除了安装费用外，文丘里管唯一的不足是在管路中增加一个摩擦损失。事实上，所有损失都发生在渐扩管中，即图中2和3断面间，一般为静压差的10%到20%。

为了测量精确，在文丘里管前面应该至少有管道直径的5～10倍的直管段。所需要的直管段长度取决于进口断面的条件。随管径比率增加，进口断面处流动影响增大。压力差测量应该用管道周围的环形测压管，并保证在两个断面处有适当的开孔数。

对于一个给定的文丘里管，除特殊给定外，通常假设雷诺数超过l05，μ值根据实验确定，称为文丘里管系数。它的值约在0.95～0.98之间。文丘里管长期使用后μ可能下降l%～2%。

2.节流式流量计

结构简单，无可动部件；可靠性较高；复现性能好；适应性较广，它适用于各种工况下的单相流体，适用的管道直径范围宽，可以配用通用差压计；装置已标准化。

安装要求严格；流量计前后要求较长直管段；测量范围窄，一般范围度为 3 : 1；压力损失较大；对于较小直径的管道测量比较困难；精确度不够高(±1%~ ±2%)。

1-节流元件 2-引压管路3-三阀组 4-差压计

测量原理及流量方程： 2222222111

u p u p +=+ρρ 1u 1ρ24D π

=2u 2ρ2

4d 'π

21p p 、—截面1和2上流体的静压力；

21u u 、—截面1和2上流体的平均流速；

D 、d '—截面1和2上流束直径；

对于可压缩流体，考虑到节流过程中流体密度的变化而引入流束膨胀系数进行修正，采用节流件前的流体密度，由此流量公式可更一般的表示为：

体积流量 p

d q v ?=ρπαε

质量流量 p

d q m ?=ρπ

αε242

结论：流量与压力差的平方根成正比

3.转子流量计

转子流量计也是利用节流原理测量流体的流量，但它的差压值基本保持不变，是通过节流面积的变化反映流量的大小，故又称恒压降变截面流量计，也有称作浮子流量计。

转子流量计可以测量多种介质的流量，更适用于中小管径、中小流量和较低雷诺数的流量测量。

根据流体连续性方程和伯努利方程，转子流量计的体积流量可表示为：

A q v ?=ρα2

α—流量系数；A —转子与锥形管间的环形流通面积；ρ—流体密度；p ?—差压。

4.容积式流量计

容积式流量计是直接根据排出体积进行流量累计的仪表，它利用运动元件的往复次数或转速与流体的连续排出量成比例对被测流体进行连续的检测。

容积式流量计可以计量各种液体和气体的累积流量，由于这种流量计可以精密测量体积量，所以其类型包括从小型的家用煤气表到大容积的石油和天然气计量仪表，广泛地用作管理和贸易的手段。

测量原理：单位时间内所排出固定容积的数目作为测量依据

设：V0——计量室的容积

n ——转子的旋转次数

则 0nV V =

对于流速的测定有以下几种常见仪器

1.毕托管

毕托在1733年首次用一根弯成直角的玻璃管测量了塞纳河的流速。弯成直角的开口细管就是简单的毕托管，是利用驻点压力原理制成的一种常用的测速仪器。它具有可靠度高、成本低、耐用性好、使用简便等优点。

毕托管原理是应用伯努利方程，通过测量点压强的方法来间接地测出点速度的大小。最简单的毕托管就是一根弯成90°的开口细管，如图所示。流动流体中，静止物体最前缘点速度为0，称为驻点或前驻点，驻点处的动能全部转换为压力能，驻点处压强称为总压P0，由伯努利能量方程可得：

g u p

p 22

0+=γγ

如果测得某点的总压p0和静压p ，就可以得到该点的速度。在工程应用中，一般把毕托管的一端放到压力管内流体中，开口顶端对准来流，在毕托管入口处形成一个驻点，静压管和毕托管组合成一体，静压管包围着毕托管，并在驻点之后适当距离的外管壁上沿圆周均匀地钻几个小的静压测孔，用U 型管测出内管总压和环形空间内静压或差值△h ，计算得到测点处的流速。测点处流速为：

h g p p g

u ?=-=220γ

2.热线（膜）测速仪

热线测速仪，发明于20世纪20年代。其基本原理是将一根细的金属丝放在流体中，通电流加热金属丝，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。通过测量热线两端的电压，即可确定流速。

热线测速仪的优点是：体积小，对流场干扰小，测量精度高，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，除了测量平均速度外，特别适用于测量紊流脉动速度，除了测量单方向运动外还可同时测量多个方向的速度分量；频率响应高，重复性好。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。

3. 激光多普勒测速仪

激光多普勒测速仪是测量通过激光探头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速度。其基本原理是将激光投射到流动流体中一个固定的非常小的区域，实际上是一个点处。当流体中小颗粒(约纳米大小)或气泡随流体流过测试区域时，LDV 测得了光发散的多普勒偏移,可以精确地确定流速，或三个速度分量，并且不会扰动流场。如果有足够多的颗粒，就可以测得连续的流动过程。

由于是激光测量，对流场没有干扰，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。