流速测量.pptx

1第七章流速测量方法流速测量方法皮托管皮托管热线流速仪热线流速仪激光测速激光测速激光技术激光技术多普勒效应多普勒效应计算机技术计算机技术PIV粒子图像仪粒子图像仪热交换理论热交换理论热丝的温阻特性热丝的温阻特性一维管道流理论一维管道流理论伯努里方程伯努里方程激光技术激光技术相关分析技术相关分析技术计算机技术计算机技术流速测量在热能动力机械工程中的意义流速测量在热能动力机械工程中的意义研究研究：进排气管、燃烧室内气流运动对工作过程的影响；：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水泵叶轮内的水流运动规律 锅炉、换热器内流体运动规律锅炉、换热器内流体运动规律 传热传质学研究，芯片散热问题传热传质学研究，芯片散热问题监控监控：水文监测：水文监测2第七章第一节第一节 皮托管测速皮托管测速发展过程发展过程1732年年 法国工程师法国工程师 Henri Pitot 发现一段密封的直管迎着流动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；的皮托管；1905年年 德国大流体力学家德国大流体力学家 L.Prandtl 修改了修改了 Henri Pitot 发明，发明，与今天的皮托管结构一样，能直接测出流体的总压和静压之差与今天的皮托管结构一样，能直接测出流体的总压和静压之差动压，直接算出流速，但仍称皮托管；动压，直接算出流速，但仍称皮托管；1920年后，英国国家物理实验室（年后，英国国家物理实验室（NPL)对皮托管的结构、特性对皮托管的结构、特性作了详细研究，为制定皮托管的标准奠定了基础；作了详细研究，为制定皮托管的标准奠定了基础；1943年年 英国出台皮托管国家标准；英国出台皮托管国家标准；1977年年 ISO颁布关于用皮托管测速的国际标准颁布关于用皮托管测速的国际标准 ISO39661977由于皮托管的主要测量对象为气体，故又称风速管。由于皮托管的主要测量对象为气体，故又称风速管。3第七章 皮托管测速的特点皮托管测速的特点n结构简单，价格低廉，制造使用方便；结构简单，价格低廉，制造使用方便；n在一定的流速范围内，测量精度高；在一定的流速范围内，测量精度高；n对来流方向不太敏感；对来流方向不太敏感；n频率相应慢，只能测量稳定流动频率相应慢，只能测量稳定流动 一一.基本构造和测量原理基本构造和测量原理总压力静压力(静压)动压力(动压)4第七章1.测量原理测量原理对不可压缩流体的一维等高度的管流，对不可压缩流体的一维等高度的管流，有伯努里方程：有伯努里方程：静压静压+动压动压=总压总压=常数常数考虑到总压和静压的测量误差，需要考虑到总压和静压的测量误差，需要修正。修正。为校准系数为校准系数对标准皮托管：对标准皮托管：=1.01=1.01 1.021.02对于气体，可看成理想气体，测出压对于气体，可看成理想气体，测出压力和温度后可根据标准状态下的气力和温度后可根据标准状态下的气体参数算出密度：体参数算出密度：5第七章用马赫数用马赫数Ma表示可压缩气体流速表示可压缩气体流速：当气流马赫数当气流马赫数Ma大于大于0.3时，须进行压缩性修正。时，须进行压缩性修正。为压缩性修正系数。为压缩性修正系数。Ma0.10.20.30.40.60.81.00.00250.01000.02250.04000.090000.17300.27506第七章 2.结构型式结构型式 直角型（直角型（L形）皮托管形）皮托管 带半圆形头部的标准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带锥形头部的皮托管，高速气流测量，防头部发生脱体激波P P0 0总压力总压力P P静压力静压力(静压静压)7第七章3.笛形管测速的基本原理笛形管测速的基本原理 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P P0 0总压力总压力P P静压力静压力(静压静压)8第七章n吸气式（负压管道）吸气式（负压管道）n遮板式（高尘气流）遮板式（高尘气流）n靠背式（高尘气流靠背式（高尘气流）9第七章 对皮托管的要求：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。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。静压孔静压孔N的位置对测量值的影响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，使实测静压正好等于皮存在一个开孔位置正好使上述两种影响互相抵消，使实测静压正好等于皮托管放入前该点的静压值托管放入前该点的静压值其他影响因素其他影响因素总压孔大小总压孔大小静压孔数量、形状静压孔数量、形状探头与立杆的连接方式探头与立杆的连接方式保证测量准确度的方法保证测量准确度的方法严格按标准制造皮托管、做试验严格按标准制造皮托管、做试验标定标定10第七章 二、二维气流速度的测量二、二维气流速度的测量1.要求要求能测出平面流动的方向和数值能测出平面流动的方向和数值2.三孔测速管结构三孔测速管结构三孔感压探头三孔感压探头总压孔（居中）总压孔（居中）方向孔（两侧）方向孔（两侧）干管干管传压管传压管分度盘分度盘探头形状：探头形状：球形球形尖劈形尖劈形圆柱形：普通圆柱形：普通发散发散聚合聚合11第七章3.测量原理测量原理 流体绕流圆柱体的压力分布得：流体绕流圆柱体的压力分布得：圆柱三孔测速管探头总压孔与方向孔的夹角为圆柱三孔测速管探头总压孔与方向孔的夹角为450时，方向灵敏度最高。这时转动干管，使：时，方向灵敏度最高。这时转动干管，使：12第七章 三三.皮托管的标定皮托管的标定1.校准风洞校准风洞射流式校准风洞组成：射流式校准风洞组成：稳流段，稳流段，收敛器。收敛器。A、B两点处总压相等两点处总压相等。13第七章第二节第二节 热线流速仪测速热线流速仪测速v主要用途主要用途 用于测量气体的平均流速、脉动速度和流动用于测量气体的平均流速、脉动速度和流动方向。方向。v主要优点主要优点几何尺寸较小，对气体流动干扰小，可测几何尺寸较小，对气体流动干扰小，可测量一般探针难以测量的地方；量一般探针难以测量的地方；热惯性小，特别适合气流脉动（如叶栅后热惯性小，特别适合气流脉动（如叶栅后的气流尾迹）测量。的气流尾迹）测量。14第七章1.构造构造 探头探头：热线、热膜热线、热膜 一元、二元、三元一元、二元、三元 铂、钨、铂铹、铂铱铂、钨、铂铹、铂铱 信号和数据处理系统信号和数据处理系统 2.对探头材料的要求对探头材料的要求电阻温度系数大电阻温度系数大机械强度高机械强度高电阻率高电阻率高热传导率小热传导率小最高可用温度高最高可用温度高材料材料单位单位钨钨铂铂铂铹铂铹铂铱铂铱成分成分%10010090-1080-20电阻温度系数电阻温度系数/0 0C C0.00350.00360.00160.0008最大可用温度最大可用温度0 0C C300800850750抗拉强度抗拉强度MPa42002461000典型可用直径典型可用直径m m50.5-11010电阻率电阻率10-6cmcm5.51018.432热传导率热传导率W/mK1786950.125.5一一.基本构造基本构造15第七章1.1.主要原理主要原理 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：（膜）与流体的对流换热，有关系：热丝（膜）电功率热丝（膜）电功率 =对流换热量对流换热量恒定电流恒定电流通过电阻丝（热线）时，热线通过电阻丝（热线）时，热线发热发热热线温度热线温度高低变化，高低变化，电阻值电阻值随之发生变化随之发生变化气体流过发热体时，会带走部分热量，气体流过发热体时，会带走部分热量，发热体降温发热体降温；气流带走热量多少与风速大小有关系气流带走热量多少与风速大小有关系可根据可根据热线的电阻大小热线的电阻大小来确定来确定气流速度值气流速度值2.2.实际测量实际测量热线阻值变化，电桥输出电压变化，气体流速可热线阻值变化，电桥输出电压变化，气体流速可确定；确定；电压变化与气体流速大小的关系在标准风洞中标电压变化与气体流速大小的关系在标准风洞中标定。定。二二.热线风速仪工作原理热线风速仪工作原理16第七章三.热线风速仪的种类1.1.恒温恒温(恒电阻恒电阻)式式热线风速仪气体速度变化热线温度变化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电阻恢复R电阻变化量确定流速电桥恢复平衡热线温度恢复热线温度恢复17第七章2.恒流式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桥臂电流恢复Ra电阻变化量确定流速电桥恢复平衡18第七章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.电桥输出电桥输出电压与气体流速、流向角的关系称为其电压与气体流速、流向角的关系称为其方向特方向特性性四.热线风速仪的方向特性2.方向特性的应用 流向角为45时,曲线斜率最大,即对方向最敏感,欲测气流方向,应选45的热线风速仪.比较：比较：恒流式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。度越低，且存在相位滞后的缺点，故用得不多。恒温式恒温式的频率特性比恒流式好，用的比较多。的频率特性比恒流式好，用的比较多。19第七章Doppler效应效应：任何形式的波在传播时，波源、接收器、传播介质、中间反射器或散射散射体的运动体的运动都会使波的频率产生变化。一、激光多普勒测速仪的工作原理一、激光多普勒测速仪的工作原理 激光测速仪是依据多普勒效应设计而成的。激光激光测速仪是依据多普勒效应设计而成的。激光照射到具有一定速度的运动粒子上，产生照射到具有一定速度的运动粒子上，产生多普勒频多普勒频移移，频率的频移量与粒子的运动速度成比例关系。，频率的频移量与粒子的运动速度成比例关系。测得频率的频移量，即可知道粒子运动速度。测得频率的频移量，即可知道粒子运动速度。第三节第三节 激光多普勒流速仪测速激光多普勒流速仪测速LDV:Laser Doppler VelocimeterLDV:Laser Doppler Velocimeter20第七章一一.工作原理工作原理 21第七章二二.测量多普勒频移的基本测量多普勒频移的基本光路系统光路系统 直接测量法直接测量法 外差检测法外差检测法1.1.参考光束系统（基准光束系统）参考光束系统（基准光束系统）进入光电检测器进入光电检测器PDPD的两束光：的两束光：参考光参考光 f fi i 散射光散射光 f fs s 光电检测器接受到参考光束和散射光束后，通过光电转换的平方率效应得到它们的差光电检测器接受到参考光束和散射光束后，通过光电转换的平方率效应得到它们的差频，即频，即fD.。其他与光频接近的高频信号因远远超过光电器件的频响特性而检测不到。其他与光频接近的高频信号因远远超过光电器件的频响特性而检测不到。为使进入光电检测器的两束光强度接近，参考光束和散射光束的强度比为为使进入光电检测器的两束光强度接近，参考光束和散射光束的强度比为 1:90-9922第七章2.2.单光束系统单光束系统 光路布置光路布置 进入光电检测器进入光电检测器PDPD的两束散射光的两束散射光 f fs1 s1 fs2特点：特点：要求光栅孔径适当，过大则分辨率下降，过小则光强损失增加；要求光栅孔径适当，过大则分辨率下降，过小则光强损失增加；光能利用率低光能利用率低 测量环境要求避光测量环境要求避光 因此单光束系统用得很少。因此单光束系统用得很少。23第七章3.3.双光束系统双光束系统 光路布置，光电检测器光路布置，光电检测器PDPD方向任意，方向任意，进入光电检测器进入光电检测器PDPD的两束散射光：的两束散射光：f fs1 s1 fs2特点：特点：fD与与KS无关；因此双光束系统使用广泛。无关；因此双光束系统使用广泛。系统布置方案：系统布置方案：前向散射型前向散射型：入射和接受光路布置于试验段两侧，要开：入射和接受光路布置于试验段两侧，要开2个窗口，信号强信噪比高。个窗口，信号强信噪比高。后向散射型后向散射型：入射和接受光路布置于试验段一侧，只开：入射和接受光路布置于试验段一侧，只开1个窗口，个窗口，信噪比小。信噪比小。24第七章三三.判别流速和方向的移频装置判别流速和方向的移频装置 两束频率稍有不同的光束相交，将产生两束频率稍有不同的光束相交，将产生干涉条纹，从条纹的移动特性可判断流体干涉条纹，从条纹的移动特性可判断流体运动方向。运动方向。带频移装置的双光束系统，经移频，入带频移装置的双光束系统，经移频，入射光频率为：射光频率为：因为因为 f f1 1,f f2 2 fi,fi,所以两所以两束光相交将产生干涉条纹。束光相交将产生干涉条纹。25第七章四四.激光器和散射微粒激光器和散射微粒 1.LDV1.LDV的组成：的组成：激光器激光器 氦氖激光器，氦氖激光器，i i=623810=623810-10-10 m,m,价格低功率小，常用。价格低功率小，常用。氩离子氩离子激光器，激光器，i=488010-10 m,或或514810-10 m 功率高，波长小，价格高，使用条件复杂，常用于多维流速功率高，波长小，价格高，使用条件复杂，常用于多维流速 和高速气流测量及后向型光路系统和高速气流测量及后向型光路系统 分光束器（分光镜）分光束器（分光镜）光聚焦发射系统（透镜）光聚焦发射系统（透镜）光收集和检测系统（光珊和光电检测器）光收集和检测系统（光珊和光电检测器）频率信号处理系统频率信号处理系统2.2.散射微粒散射微粒 作用作用：示踪，增强散射：示踪，增强散射 要求要求：良好的跟随性良好的跟随性高的散射效率高的散射效率良好的理化性能良好的理化性能 26第七章 常用散射微粒：常用散射微粒：被测流体被测流体可用散射微粒可用散射微粒水水滑石粉，聚苯乙烯，脱脂牛奶滑石粉，聚苯乙烯，脱脂牛奶油油氧化铁氧化铁空气空气硅油，水蒸气，烟雾硅油，水蒸气，烟雾火焰火焰氧化钛，氧化镁氧化钛，氧化镁五五.激光测速的特点激光测速的特点 优点：优点：非接触测量，对流场无干扰非接触测量，对流场无干扰,便于在易变、狭窄、高温流场测量；便于在易变、狭窄、高温流场测量；频响好，可测湍流频响好，可测湍流 量程大，测点小，量程大，测点小，1010-3-3 m/s m/s 超音速超音速缺点：缺点：系统复杂，价格高，需要在试验装置上开窗口；系统复杂，价格高，需要在试验装置上开窗口；不能测不透明流体和大流场；不能测不透明流体和大流场；流体中需有合适的散射微粒。流体中需有合适的散射微粒。