边界层压力计及压差计流速及流量的测量

2020/6/26
一、测速管
测速管又称皮托（Pitot）管
测量原理：流体以流速u流向测速管，在内管口A处降为0。
PA ρg
P ρg
vu 2
2g
内管处测得的是管口所在位置的局部流体动压头与静压头之和，称为冲压头（能）。
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内外管之压强差为：
P
P内管－P外管＝
u 2
2
若使用U形管压差计，所测流体的密度为ρ， U型管压差计内充有密度为ρ0 的指示液，读数为R。
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转子流量计的流量方程：
转子共受到三个力：重力（向下）、
压力（向上）、浮力（向上）。
u0
当转子静止不动时，三个力平衡，即：
0
0′
( p1 p0 ) Af V f g f V f g
由此可推得转子流量计的体积流 1
1′
量为：
பைடு நூலகம்qV CR AR
2( f )V f g A f
边界层 Le
充分发展的流动
进口段长度（Le）：流动达到充分发展所需的管长 P70
管内充分发展：层流时：Le/d≈0.05Re 湍流时：le≈40~50d
（Re=ρud/μ)
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边界层压力计与压差计的测量流速与流量的测量
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二：静力学基本方程的应用：压力计与压差计的测量
整理得
p1 p2 (0 )gR
若被测流体是气体， 0 ，则有
p1 p2 Rg0
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（2）双液体U管压差计适用于压差较小的场合。密度接近但不互溶的两种指示液A和C ( A C ) ；
扩大室内径与U管内径之比应大于10 。
p1 p2 Rg( A C )
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AR——转子上端面处环隙面积 CR——转子流量系数
转子流量计流动示意图
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应力，用τyx表示。
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随着流动距离的增大，Re= ρ ν ∞ χ / μ数值变大，会有一段过渡到湍流，称为过渡区边界层。
边流界体层流内经流固动体将壁会前出缘现时不，稳边定界状层态的，流并动逐一渐般过为渡层到流湍，流称，为此层后流的边边界界层层。称为湍流边界层。
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P
P内管－P外管＝
u
2
2
(0
)gR
u 2gR(0 )
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流量的计算：
将U形压差计公式代入式中，得：
u0 C0
2Rg(0 )
根据u0即可计算流体的体积流量：
qV u0 A0 C0 A0
2Rg(0 )
质量流量：
qm qV C0 A0 2Rg(0 )
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边界层压力计与压差计的测量流速与流量的测量
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一：边界层
概念：
边界层：紧贴壁面非常薄的一区域，流体速度的
变化主要发生在这里。
主体区（外流区）：边界层以外的流动区域。
黏度：速度梯度为1时，单位受力面积上流体层之间内摩擦力的大小。
黏度应力：两相邻流体层之间单位面积上的内摩擦力（实际上是表面力中的切应力，又称剪
三、文丘里（Venturi）流量计
文丘里流量计的流量计算
由于文丘里流量计的测量原理与孔板流量计相同，其流量计算公式也与孔板流量计相似，即：
qV Cv A0
2gR0
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四、转子流量计
1、转子流量计的结构（1）上粗下细的锥形玻璃管（锥角约在4°左右）；（2）管内一个密度大于被测流体的固体转子（或称浮子）；（3）流体自玻璃管底部流入，经过转子和管壁之间的环隙，再从顶部流出。
1.压力计：
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2.压差计：
（1）U形压差计
设指示液的密度为 0 ，
被测流体的密度为。
A与A’ 面为等压面，即 pA pA'
而 pA p1 g(m R)
pA' p2 gm 0 gR
p1 A
p2
m R A’
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所以
p1 g(m R) p2 gm 0 gR
1. 流速：单位时间内流体质点在流动方向上所流经的距离。
（平均流速）： u qv A
m/s
2. 质量流速：单位时间内流经管道单位截面积的流体质量。
G qm qv u kg/（m2·s）
AA
流量与流速的关系： qm qv uA GA
• 测速管（皮托管） • 孔板流量计 • 文丘里流量计 • 转子流量计
（3）倒U形压差计指示剂密度小于被测流体密度，
如空气作为指示剂。
p1 p2 Rg( 0 ) Rg
（4）倾斜式压差计适用于压差较小的情况。
（5）复式压差计适用于压差较大的情况。
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边界层压力计与压差计的测量流速与流量的测量
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三：流速与流量的测量

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1-6 流速和流量的测量1

（2） C 0 选择在定值范围内，即 Re d 取值较大（3）合适的孔板流量计，其C0值为0.6～0.7
4、孔板流量计特点（1）阻力损失大
2 u0 2 Rg ( i ) hf C0 2
一般为0.8
阻力损失正比于压差计读数R： R↑， uo↑，hf↑
（2）测量范围窄
1 u 0 0
2
缩脉
3
p1
1
2
3
2 u2 u12
2( p1 p2 )

(1)
R 孔板流量计
u1 A1 u2 A2
2( p1 p2 )
A2 位于孔口前方无法测量，而 A0孔可知，可代表 A2
（1）式可写为： u02 u12 C 其中C为校正系数

（2）
流股截面最小处，速度最大，而相应的静压强最低，称为缩脉
u0
2
1 2 p p1 p2 g ( Z 2 Z1 ) (u0 u12 ) 2
升力： pAf F F2 1
1
1
u1
p1
A f 转子最大横截面积
升力由两个分力F1、F2构成
F1为位能差产生：F1 g ( z2 z1 ) Af Vf g （浮力）
qV u0 A0 C0 A0
2 Rg ( i )

A0 m A1
面积比
2、孔流系数 C 0
通过实验求得
p31.图1-25
Red
C 0 f ( R ed , m)
当 Re 一定值后， 3、安装与使用
du1

Co (m)
d （1）上、下游必须有一定的直管距离（15～40）和 5 d

化工原理(少学时)课件和辅导教程、考试重点例题复习题及课后答案1.6流速及流量的测量

在1-1′和0-0′截面间列柏努利方程
p1
2 p0 u 0 u12 z1 g z0 g 2 2
p1 p 0 ( z 0 z1 ) g
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2
2 (u 0 u12 )
15
( p1 p 0 ) A f A f ( z 0 z1 ) g A f
CR相同,同刻度时
qv 2 qv1
1 ( f 2 ) 2 ( f 1 )
式中：1——标定流体；
2——被测流体。
气体转子流量计
qv 2 qv1
1 2
18
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三、安装及优缺点（1）永远垂直安装，且下进、上出，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，测量精度较高；（ 3 ）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。
小结
2 u2 A2 （稳定流动） g z 1 z 2
2 u1 d 12 u 2 d 2 （圆管内） 2 u12 p1 u2 p2 he gz 2 hf 机械能衡算方程： gz1 2 2
u1 A1 u 2 A2 （不可压缩流体）
64 层流： l u h Re f 要求能够进行阻力计算式：直管 d 2 管路计算及分湍流： f Re, d 2 析： 2 入 0 .5 u le u 简单管路局部 h f 或hf 2 出 1 d 2
质量流量
qv u0 A0 C0 A0

qm C0 A0 2Rg ( 0 )
C0——流量系数（孔流系数） A0——孔面积。
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化工原理第一章流速和流量的测量

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（5）测速管安装于管路中，装置头部和垂直引出部分都将对管道内流体的流动产生影响，从而造成测量误差。因此，除选好测点位置，尽量减少对流动的干扰外，一般应选取皮托管的直径小于管径的 1/50。（6）测速管对流体的阻力较小，适用于测量大直径管道中清洁气体的流速，若流体中含有固体杂质时，易将测压孔堵塞，故不宜采用。
速：
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R
R
R
qV 0 urdA 0 ur 2rdr 2 0 rurdr
u qV A
（2）根据管内的最大流速与平均流速之间的关系，测出管内的最大流速，然后确定平均流速及流量。该法要使用试差法，其具体步骤为： ①假设流型（层流或湍流）； ②由最大流速计算平均流速（如u＝0.5umax）； ③校核流型（与假设流型是否相符）。（3）根据皮托管测量管中心的最大流速，利用关系曲线（图1－38）查取最大速度与平均速度的关系，求出截面的平均速度，进而计算出流量。
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【说明】洗涤液（水）从喉管加入时，气液两相间相对流速很大，液滴在高速气流下雾化，尘粒被水湿润。尘粒与液滴或尘粒与尘粒之间发生激烈碰撞和凝聚。在扩散管中，气流速度减小，压力回升，以尘粒为凝结核的凝聚作用加快，凝聚成粒径较大的尘粒，而易于被捕集。
文丘里除尘器
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4
d12
0.1252
4
管道的Re：
Re

d1 u1

0.125 880 1.1 0.67 103
1.81105

Re c
故假设正确，以上计算有效。苯在管路中的流量为：
qV＝48.96 m3/h

流体流动速度测量

流体流动速度测量1. 引言流体流动速度的测量在科学研究和工程应用中具有重要意义。

流体的速度是指流体中质点在单位时间内通过某一截面的位移量，是流体动力学中的重要参数之一。

流体流动速度的准确测量可以帮助我们深入了解流体运动特性，为相关领域的设计和工程提供重要依据。

本文将介绍一些常用的流体流动速度测量方法及其原理，包括瞬时速度测量、平均速度测量和流速剖面测量。

2. 瞬时速度测量瞬时速度测量是指对流体在某一时刻的流动速度进行准确测量。

常用的瞬时速度测量方法有以下几种：2.1 流体力学方法流体力学方法是最常用的瞬时速度测量方法之一。

通过在流体中放置一根细长的测量探针，可以测量探针所受到的流体阻力，并由此计算出流体的速度。

常用的流体力学方法包括细管测速法、流速计和压力差法。

2.2 光学方法光学方法利用光的传播速度和干涉现象来测量流体的瞬时速度。

常见的光学方法包括激光多普勒测速法和激光干涉测速法。

激光多普勒测速法通过测量流体中散射的激光的频率变化来计算流体速度。

激光干涉测速法则是利用光的干涉现象，通过测量干涉图案的变化来计算流体速度。

2.3 声学方法声学方法是利用声波在流体中传播的时间来测量流体速度的方法。

常见的声学方法包括超声多普勒测速法和声速仪。

超声多普勒测速法通过测量流体中散射的超声波的频率变化来计算流体速度。

声速仪则是通过测量声波在流体中传播的时间来计算流体速度。

3. 平均速度测量平均速度是指在一定时间内流体通过某一截面的平均速度。

常用的平均速度测量方法有以下几种：3.1 流量计流量计是一种常用于测量流体平均速度的仪器。

常见的流量计有涡街流量计、浮子流量计和电磁流量计等。

这些流量计利用流体运动时产生的一些物理量的变化来计算流体的平均速度。

3.2 瞬时速度测量的平均瞬时速度测量方法中得到的一系列瞬时速度可以进行平均运算，得到平均速度。

这种方法适用于瞬时速度变化较小的情况。

4. 流速剖面测量流速剖面是指流体在某一截面上的速度分布情况。

1.7_流速和流量的测量

测速管
测速管加工及使用注意事项
测速管的尺寸不可过大，一般测速管直径不应超过管道直径的 1/50。测速管安装时，必须保证安装点位于充分发展流段，一般测量点的上、下游最好各有 50d 以上的直管段作为稳定段。测速管管口截面要严格垂直于流动方向。
u
测速管的优点：结构简单、阻力小、使用方便，尤其适用于测量气体管道内的流速。缺点：不能直接测出平均速度，且压差计读数小，常须放大才能读得准确。
必须加以换算：
V V
f f
V、实际被测流体的流量、密度； V、标定用流体的流量、密度
转子流量计必须垂直安装，且应安装旁路以便于检修
转子流量计
优点：
读取流量方便，流体阻力小，测量精确度较高，能用于腐蚀性流体的测量；流量计前后无须保留稳定段。
如：测速管、孔板流量计和文丘
里流量计流体通过流量计时的压力降是固
变截面流量计
定的，流体流量变化时流道的截
面积发生变化，以保持不同流速下通过流量计的压强降相同。如：转子流量计
一
1
测速管
测速管（皮托管）的结构
观看动画：
皮托管.swf
2
测速管的工作原理
对于某水平管路，测速管的内管 A 点测得的是管口所在位置的局部流体动压头与静压头之和，称为冲压头。
pA hA 2 g g
B点测得为静压头
u2
pB hB g
冲压头与静压头之差
p A pB u 2 hA hB g 2g
压差计的指示数R代表A、B两处的压强之差。若所测流体的密度为ρ， U 型管压差计内充有密度为ρ0 的指示液，读数为R。
u 2 R 0 g 2g g

流体力学实验_第四章流速与流量测量 [兼容模式]

流体粘性的影响：需满足Re>200，在小雷诺数时，毕托管的标定系数将随雷诺数的变化而变化
管柄堵塞的影响：毕托管管柄堵塞使流体过流面积减小，流速增加，静压减小，总压不变。毕托管管柄直径≤1/50管道直径且插入深度≤管道半径时可忽略
横向流速梯度的影响：毕托管头部与流体之间的相互作用引起邻近流线的微小位移，使较高流速区的流线移至总压孔处，总压增大。通过测压位置修正。
考虑温度效应，可采用
E 2 (Tw Te )( A BU n )
n
分段拟合多项式，即 E 2 ( Ai BiU CiU 2 DiU 3 ) 1 40
将热线风速仪的输出电压E和已知流动速度U直接联系在一起，对每一个流速U，对应一个电压E值做出E-U曲线，也
就是校准曲线。
(1) 校准的原因
热线热膜探针的性能是随制造工艺、探针尺寸和金属丝、膜的材料而异的，即使是相同的材料、制造工艺、尺寸，其性能也不可能完全一样；
探针的性能和流体的温度、密度以及测量时的气压有关；探针的性能也和实验室环境条件、污染情况有关；探针使用后会发生老化；探针的性能和流速范围有关；探针在测量中是和仪器结合在一起使用的，真正的相应
对于给定的热线，e , R0 , A, B都为常数，因此 Iw, Rw,U 之间
存在确定的函数关系。
恒流静态方程
当工作电流 Iw＝常数时，Rw和U之间具有如下关系：
Rw

R0 ( A B Iw2e R0 ( A
U B
) U
)
恒流式热线风速仪
27
恒温静态方程
当工作电阻 Rw ＝常数时，Iw 和U之间具有如下关系：
Rw

流速和流量的测定

转子形状的选择着眼于促使边界层脱体,以便在较小Re时即出现高度湍流,使CR为一常数。当转子流量计的结构与被测流体均已定的条件下，转子流量计的永久阻力损失不随流量而变，因而转子流量计常用于流量范围较宽的场合。
优点：读取流量方便，测量精度高，能量损失很小，测量范围宽，可用于腐蚀性流体的测量，流量计前后无须保留稳定段。缺点：流量计管壁大多为玻璃制品，不能经受高温和高压，一般不能超过120℃和392~490kPa，在安装使用过程中也容易破碎，且要求垂直安装。
qv1
qv2
转子流量计
P V f g( f ) Af
当用固定的转子流量计测量某流体的流量时，式中Vf 、 Af 、f 、均为定值，所以Δp亦为恒定，与流量大小无关当转子稳定于某位置时，环隙面积为固定值，因此，流体流经环隙的流量与压力差的关系可借流体通过孔板流量计锐孔的情形进行描述，即
毕托管与点速度
2 R( ) g
umax

例1-19解题思路
u qm u Re max umax umax
2 gR

0
T0 P T P0
孔板流量计
利用孔板两侧压力差测定流体的流量
分析处理方法：
1.按=0处理 2.考虑≠0的情况 3.考虑取压方法的影响
2
d0
A0
A1
d 1 0.3 0.15 0.082m
A0

4
d0 0.785 0.0822 0.00528m 2
2
由式（1-71a）可求得最大流量的压差计读数Rmax为
Rmax q v max
2
2 2 C0 A0 2 g

流速和流量的测量

第六节流速和流量的测量流体的流速和流量是化工生产操作中经常要测量的重要参数。

测量的装置种类很多，本节仅介绍以流体运动规律为基础的测量装置。

1-6-1 测速管测速管又名皮托管，其结构如图1-32所示。

皮托管由两根同心圆管组成，内管前端敞开，管口截面（A 点截面）垂直于流动方向并正对流体流动方向。

外管前端封闭，但管侧壁在距前端一定距离处四周开有一些小孔，流体在小孔旁流过（B ）。

内、外管的另一端分别与U 型压差计的接口相连，并引至被测管路的管外。

皮托管A 点应为驻点，驻点A 的势能与B 点势能差等于流体的动能，即22u gZ p gZ p B B A A =--+ρρ由于Z A 几乎等于Z B ，则()ρ/2B A p p u -= （1-61）用U 型压差计指示液液面差R 表示，则式1-61可写为：()ρρρ/'2g R u -= （1-62）式中 u ——管路截面某点轴向速度，简称点速度，m/s ；ρ'、ρ——分别为指示液与流体的密度，kg/m 3；R ——U 型压差计指示液液面差，m ； g ——重力加速度，m/s 2。

显然，由皮托管测得的是点速度。

因此用皮托管可以测定截面的速度分布。

管内流体流量则可根据截面速度分布用积分法求得。

对于圆管，速度分布规律已知，因此，可测量管中心的最大流速u max ，然后根据平均流速与最大流速的关系（u/ u max ~Re max ，参见图1-17），求出截面的平均流速，进而求出流量。

为保证皮托管测量的精确性，安装时要注意：（1）要求测量点前、后段有一约等于管路直径50倍长度的直管距离，最少也应在8~12倍；（2）必须保证管口截面（图1-32中A 处）严格垂直于流动方向；（3）皮托管直径应小于管径的1/50，最少也应小于1/15。

皮托管的优点是阻力小，适用于测量大直径气体管路内的流速，缺点是不能直接测出平均速度，且U 型压差计压差读数较小。

流体压强、速度和流量的测量-力学基础实验课件-中国科技大学-08

g (1 2 H / R)
式中：H,φ为使用地点海拔高度（m）和纬度(°)； gN为9.80665m/s2，标准重力加速度； R为6356766m，地球的公称半径。
hN h g / g n
式中：hN为标准地点封液液柱高度；
hφ为测量地点封液液柱高度。
液柱式压力计的测量误差及其修正毛细现象造成的误差毛细现象使封液表面形成弯月面，这不仅会引起读数误差，而且会引起液柱的升高或降低。这种误差与封液的表面张力、管径、管内壁的洁净度等因素有关，难以精确得到。实际应用时，常常通过加大管径来减少毛细现象的影响。当封液为酒精时，管子内径d≥3mm；水、水银作封液， d≥8mm。此外液柱式压力计还存在刻度、读数、安装等方面的误差。读数时，眼睛应与封液弯月面的最高点或最低点持平，并沿切线方向读数。U型管压力计和单管压力计都要求垂直安装，否则将带来较大误差。
高超声速（M>5, 高动态）
航天（火箭）
航空（飞机）
代价：航天器（火箭）20000$/Kg, 主要原因：火箭：推力>自重自带氧
航空 200$/kg 利用空气中的氧
飞机：推力≈0.2自重
新一代高超：吸气式推进航空的代价，航天的速度
以压强(动态、非定常)为关键参数的生物运动
以压强(动态、非定常)为关键参数的生物运动
单管压力计
其两侧压力差为
p p1 p2 g ( 1 )(1 F2 / F1 )h2
若F1>>F2，且ρ>>ρ1 ，则
p1 p2 gh2
贝兹（Bates）微压计在大容器的中部插有一根升管，被测压力接到容器的软管上（若测压差，则低压端接到升管上端的压力接头）。当容器的压力高于环境大气压时，升管中的液面上升，在升管中的浮子也随之上升。浮子的下端挂有玻璃刻度板，投影仪将刻度的一段放大约20倍后显示在具有游标的毛玻璃上。相邻两刻线相差为 1mm，用游标尺读数的方法可精确读出1Pa的压力。