第五章流速测量

• 热线温度高低变化，电阻值随之发生变化
• 气体流过发热体时，会带走部分热量，发热体降温 ；气流带走热量多少与风速大小有关系
• 可根据热线的电阻大小来确定气流速度值
2. 实际测量
v f (I , Rw )
• 热线阻值变化，电桥输出电压变化，气体流速可 确定；
• 电压变化与气体流速大小的关系在标准风洞中标 定。
R0[1 Tw Tf ] a ' aF
d
b Fd n1
b' vn
26
1
v
I
2
R0
1
Tw
T0
a,
(Tw
Tf
)
n
b, Tw Tf
1
v
I
2 R0
1
Tw Tf
Tf
T0
a,
(Tw
Tf
)
n
b, Tw Tf
27
四 热线风速仪的种类
1.恒温(恒电阻)式热线风速仪
气体速度变化
n
ln
U12
U
2 2
U
2 0
U
2 0
ln v1
v2
如果把温度效应加以分离，则可改写成：
U 2 (T2 T0 )( A Bvn )
其中，A、B与温度的关系很小。这个表示式通常作为自动 温度补偿分析的基础。
Davies和Patrik建议使用扩展了的KING公式：
U 2 A B v cv
这个表达公式的速度灵敏度非常接近动态校准所得到的结果。 后来又有人提出了分段拟合的表达公式：
用马赫数Ma表示可压缩气体流速：p*'、p'分别为动压管总压和静压的 读数；a为声速；ξ为动压管的校准系数
a kp
p* p*'
p p'
v 2( p*' p' ) (1 )
Ma v 2( p*' p) a k p(1 )
2. 结构型式
直角型（L形）皮托管 带半圆形头部的标准皮托管 带锥形头部的皮托管，高速气流测量，防头部发生脱体激波
热线温度变化
热线阻值变化
电桥电路失衡
输出电压变化
控制电阻值R变化
热线电流恢复
热线温度恢复
热线电阻恢复
电桥恢复平衡
R电阻变化量确定流速
2.恒流式型热线风速仪
气体速度变化
热线温度变化
热线阻值变化
桥臂电流变化
电桥电路失衡
控制电阻值Ra变化
桥臂电阻恢复
桥臂电流恢复
电桥恢复平衡
Ra电阻变化量确定流速
比较：
校准表达公式
对于接近大气压条件下大多数实用的情形，密度变化 的影响可以不考虑。于是对连续流动而言，通常用KING公 式表达如下：
U 2 A Bvn
式中，U为风速仪输出电压；A，B为依赖于热线尺 寸、流体物理性质和流动条件的常数；指数n在一定的速 度范围内恒定，在大范围内随速度而改变。
n的值可以用下式确定：
测静压正好等于皮托管放入前该点的静压值
• 其他影响因素
➢ 总压孔大小 ➢ 静压孔数量、形状 ➢ 探头与立杆的连接方式
• 保证测量准确度的方法
➢ 严格按标准制造皮托管、做试验 ➢ 标定
3. 测压管的标定
第二节 流动方向的测量
❖ 要求
能测出平面流动的方向和数值
❖ 测量原理
由三孔圆心组成的三角形，两侧孔为 方向孔，中间孔为总压孔，总压孔的 圆心在方向孔与总压孔的角平分线上 。把三孔测压管垂直插入均匀平行的 气流中，三孔都迎着气流方向，调整 方向孔1和3的压力，当孔1和孔3的压 力相等时，在三个孔决定的平面内， 过测压管截面的圆心和气流方向平行
恒流式受热线热惯性影响，流体运动变化 频率越高，测量灵敏度越低，且存在相位滞后 的缺点，故用得不多。
多。 恒温式的频率特性比恒流式好，用的比较
四. 热线风速仪的方向特性
1. 方向特性
对流放热系数K是流向角的函数.随着K减小, 热线风速仪的电桥输出电压降低.电桥输出电压 与气体流速、流向角的关系称为其方向特性
铂铹 铂铱 90-10 80-20 0.0016 0.0008 850 750
1000
典型可用直径 μm
5
电阻率
10-6Ωcm 5.5
热传导率 W/mK 178
0.5-1 10
10
10 18.4 32
69 50.1 25.5
1. 构造 探头：热线、热膜； 一元、二元、三元； 铂、钨、铂铹、铂铱
信号和数据处理系统
第五章 流速测量
学习要求 要求掌握常用的流速测量方法及相关
测量仪表(主要掌握皮托管测速、热线流 速仪、激光多普勒测速仪）的组成及测量 原理。
流速测量在热能动力机械工程中的意义
研究：进排气管、燃烧室内气流运动对工作过程的影响； 水泵叶轮内的水流运动规律 锅炉、换热器内流体运动规律 传热传质学研究，芯片散热问题
❖ 主要优点 • 几何尺寸较小，对气体流动干扰小，可测
量一般探针难以测量的地方； • 热惯性小，特别适合气流脉动（如叶栅后
的气流尾迹）测量。
一. 基本构造
材料 成分 电阻温度系数 最大可用温度 抗拉强度
单位 %
Ω/0C 0C
MPa
钨 100 0.0035 300 4200
铂 100 0.0036 800 246
监控：水文监测
流速测量方法
测压管
热线流速仪
激光测速
一维管道流理论 伯努里方程
热交换理论 热丝的温阻特性
激光技术 多普勒效应 计算机技术
PIV 粒子图像仪
激光技术 相关分析技术 计算机技术
第一节 测压管测速
发展过程
– 1732年 法国工程师 Henri Pitot 发现一段密封的直管迎着流动 的流体，可测出流体总压，减去静压能算出流速，发明了原始 的皮托管；
2. 对探头材料的要求
•电阻温度系数大；机械强度高；电阻率高；热传导率小； 最高可用温度高
二. 热线风速仪工作原理
1. 主要原理
通电探头在流体中的换热规律。忽略轴向导热、辐射换热，只考虑热丝（ 膜）与流体的对流换热，有关系： 热丝（膜）电功率 = 对流换热量
• 恒定电流通过电阻丝（热线）时，热线发热
n
U 2 Ai Biv Civ2 Div3 i 1
这种分段拟合的校准表达公式给出了更好的近 似，特别是低速范围内与实际情况更为一致
校准装置：
• 从校准过程中可知，为了对一个具体的热线探头作出实用的校准曲线，就必须 事前产生已知的流动速度U，这样的装置称为校准装置。有了校准装置，就可以 对应于一个U的值，风速计上读出一个电压输出U，从而得到U-v曲线（校准曲 线），以供实验测量时使用。
k k 1
p
v2 2
k k 1
p*
*
v
2
k
k( 1
p*
*
p)
• 利用气体绝热过程的状态方程，可得
v
2
k
RT[(
p*
k 1
)k
1]
k 1 p
v
2
k
k
1
RT[1
(
p p*
)
k 1 k
]
• 考虑气体可压缩性对流速的影响，引入马赫数Ma可得
p*
p[1
k
1
Ma
2
]
k k 1
2
p* p v2 [1 1 Ma2 2 k Ma4 ...] v2 (1 )
P*
P静压力(静压)
P*总压力
笛形管测速的基本原理
p0
p
K
2
2
P0总压力 P静压力(静压)
流量较大，雷诺数较大时，边界层厚度较小 ，p可近似得到，误差工程上允许
对皮托管的要求：
尽可能保证总压孔和静压孔接收到的压力真正是被测点的 总压力和静压力。
• 静压孔N的位置对测量值的影响
➢ 皮托管头部绕流使后方实测静压力降低 ➢ 皮托管立杆滞流使前方实测静压升高 ➢ 存在一个开孔位置正好使上述两种影响互相抵消，使实
– 1943年 英国出台皮托管国家标准； – 1977年 ISO颁布关于用皮托管测速的国际标准 ISO3966—1977
由于测压管的主要测量对象为气体，故又称风速管。
测压管测速的特点 结构简单，价格低廉，制造使用方便； 在一定的流速范围内，测量精度高； 对来流方向不太敏感； 频率相应慢，只能测量稳定流动
• 校准装置的种类可以分两类，一类是直接速度传递装置；另一类是间接速度传 递装置。所谓直接速度传递装置是指流体不动，让探头按预定速度在流体运动 的原理构成的装置；典型的直接速度传递装置有：旋臂机，牵引机，旋转槽等 等。间接速度传递装置是指探头不动，让流体产生预定的流动速度。这类装置 的特点是流体速度由相对标准的流速工具（皮托管，激光风速仪）间接传递给 探头和风速计的。属于间接速度传递的校准装置有风洞，射流喷嘴等。
基于上述原因，对于每一个探头，为了获得其精 密的响应关系，必须随电子仪器和被测流场一起进行 校准。由于探头老化和环境污染等因素影响，校准应 该在测量的过程中反复进行。
校准一般要求在低紊流度，可变速的校准设备中 进行。如果紊流度过大，为了获得较精确的平均速度 与输出电压之间的关系，必须要有足够的积分时间， 紊流度过大还会有非线性误差，影响测量结果，从而 使校准曲线部分的偏离。
的方向，就是测压管的气动轴线 。
1、圆柱三孔复合测压管
三孔测速管是在圆 柱体的同一横截面的表 面上开有三个感压孔, 各自用传压管将压强引 至测压计上,测得三孔 的压强,即可测量。
三孔测速管探头上 的感压孔布置为： 两个方向孔在同一 平面内呈直角分布， 总压孔开设在两个 方向孔的角平分线 上。