热线风速仪器PPT课件.ppt

Slide Title,Body Text,Second Level,第五章，速度测量,刘明侯,中国科学技术大学,热科学与能源工程系,测试理论与仪器仪表,Hot-Wire Anemometry,速度测量手段,皮托管,热线风速仪（,HWA,，,Hot wire Anemometry,）,激光多普勒测速仪（,LDV,，,PDPA,）,粒子成像测速系统（,PIV,）,h,Velocity,大小,方向,Anemometer signal output,风速仪输出信号比较,1,，热线测量的是点速度的模拟信号，随时都有速度的信息,.,2,，,LDA,信号是随机的，,3,，,PIV,提供的是某时刻流场中亮颗粒的速度,Ideal transducer,理想传感器,输出量与被测物理量的幅值成正比,空间一点的物理量,输出信号与被测量信号变化频率无关,输出信号噪音小,传感器不干扰物理过程,输出信号不受其它量影响,Real transducer characteristics,实际传感器的特点,静态传递函数,(calibration curve),空间分辨率,(finite size of measuring volume),时间分辨率,(frequency response),信噪比 （,Signal-to-noise ratio,）,干扰物理过程 （,Interference effects,）,非单个过程 （,Multi-variate response,）,5-1,热线风速仪,当气流绕被加热的圆柱体作强迫对流时，随着气流速度的增加，圆柱体被带走的热量也增加，温度下降。显然，这一物理过程中，流速与圆柱体温度之间有一定的依赖关系。那么，我们能否根据这一关系，把一根加热丝置于流场中，来测量流体的流动参数呢？,圆柱绕流,热丝焊接在叉杆上，迎着来流,U,.,给热丝通上电流，加热热丝（电阻）,(,I,2,R,w,).,当达到热平衡时候，与周围介质交换的热量（主要是对流换热）与该加热量相等。,Principles of HWA operation,热线工作原理,速度变化时，对流换热系数变化，热丝的温度（电阻）变化，电桥有电压输出，直到重新达到平衡。,HWA,简介,19,世纪初有人利用这个原理制作了热线风速仪。,所谓热线风速仪，就是置于流场中的一根长度为的极细金属丝，其上通以电流加热；当流速变化时，金属丝的温度也相应变化，这种变化导致热丝阻值的变化，从而产生电信号；由于电信号与流速之间建立一一对应的关系，因此，测量出电信号就知道了流场的流速。,热线风速仪建立在热平衡原理的基础上的，也就是说热丝电加热的热量等于气流带走的热量。在热平衡过程中，涉及到流速，加热电流，热丝温度（电阻）等参数，该过程可以用传热学的准则方程描述为：,热线热平衡方程描述为：,金属丝换热的影响因素,流动速度,V,金属丝与气体之间的温度差（,T,w,T,f,）,气体的物理性质,金属丝的几何尺寸与物理性质,密度，组份,热线风速仪分类,恒流式热线风速仪（,CCA,）：当加热电流保持恒定（,Iw,常数），那么热线的温度（电阻）和流速之间建立了确定的函数关系,V=f,1,(R,w,),利用该关系测量流体速度的方法，称之为恒流法。用该原理构成的热线称之为恒流式热线风速仪。,恒温式热线风速仪（,CTA,）：,当热线的温度（电阻）保持恒定（,Rw,常数），热线电流与气体流速之间确定了函数关系为,V,f,2,(I,w,),，,利用该关系测量流速的方法称之为恒温法。用该原理形成的热线风速仪叫恒温式热线风速仪。,V,f(I,w,R,w,),历史,热线风速仪的原理性实验早在,1902,年,Shakepear,在伯明翰就开始了，由于技术条件，被迫停顿。,1909,年,Kennelny,和,Riabouchinsky,等人先后提出了电子风速仪的概念，经过一些研究者的完善，到了,1914,年,King,提出了无限长圆柱体与流体之间热对流理论，为热线风速仪提供了理论基础。,此后，经历了以平均流速测量为主的发展阶段，同时在探针类型和使用技术上也做了大量探讨，发展了二线探针，三线探针，以及玻璃涂层保护技术，修正温度漂移的辅助线方法等。在工作原理上，明确提出了,CCA,和,CTA,两种工作方法，并发展了两种工作方法的测量仪器。,历史（续）,从平均速度的测量到脉动速度的测量是热线技术发展的一大飞跃，也是热线至今还具有生命力的关键。,热线的这个飞跃，关键是确立了恒流工作模式的热滞后效应理论，并发展了热滞后的电子补偿原理及其相应的电子线路。这为以后一段时间内恒流风速仪的应用打下了坚实的基础。,在五十年代初期，恒流风速仪的补偿频率范围达到了,50KHz,左右。此外，恒流风速仪具有灵活调节过热比的特点，因而使它的温度测量和可压速流动速度测量方面比恒温风速仪具有发展前途。,历史（续）,恒温风速仪的发展是热线技术发展的又一标志。由于恒流热线风速仪的热线热惯性大，因此在脉动速度的测量上受到限制。而恒温热线风速仪热线惯性小，具有快速响应的特点，更重要的是五十年代后的电子技术的快速发展，对热线的热滞后进行了及时的补偿，频率相应达到,1,兆赫兹以上，该频率使得流体中出现的各种频率量的测量提供了可能。,由于线路上的快速补偿，也出现了热膜风速仪，使得该技术可以在受污染的气体和液体中进行流动参数的测量。,热线技术另外发展是对流体温度，密度，浓度的测量。热膜技术方面，目前取得研究进展的方面还包括对液态金属流，两相流及非牛顿流体的测测量。,热线的困难与优势,对于极低速度（小于,1m/s,）的测量是热线风速仪研究的课题。由于低速时，热线的自然对流换热，热导损失增强，热线换热不再仅仅是强迫对流换热。,和传统测速设备比较，热线技术具有惯性小，频率响应宽，灵敏度高，对流场干扰小的特点；和激光测速仪（,LDV,）比较，热线信号连续，不用流场中加入示踪粒子，不受流场透明性的限制，而且成本较低等优点。,5-2,探头及型式,热线探头构造分热线和热膜两类,热线探头是直径很小的金属丝，两端焊接在两根不锈钢叉架的叉尖上。叉杆的另外一端焊出引线，再加上保护罩并将保护罩与叉杆之间装入绝缘材料，这就构成了探头。图,1,中给出了常见的探头。,图,1,，常见的各种热线探头,测一维流场的单线探头,测二维流场的斜形探头和,X,探头,测三维流动的三线探头,测边界层温度和速度的二线平行探头,热膜探头简介,热膜探头由热膜、衬底，绝缘层和导线几部分构成。热膜是由铂喷溅在衬底上面而形成的，厚度为,100010,，,000,。衬底通常为石英或硼硅玻璃的锥形头圆柱体，具有不容易聚集灰尘的长处。,主要用于液体速度测量，测量原理与热线相同。,热膜探头,热线（膜）探头选择,从热线探头的构造可以看出，作为流场速度的敏感元件是金属丝。金属丝的材料和尺寸的选择取决于探头的灵敏度，空间分辨率和机械强度。为了提高金属丝的灵敏度，材料要电阻温度系数高的金属；为了承受冲击负荷（气流动力负荷，气体中固体微粒的冲击负荷，探头叉杆振动等），则要选取机械强度高的金属。金属丝的长度取决于两个矛盾的要求：最大可能的长度直径比（,L/d,）和最好的空间分辨率。从减少终断的热损失来看，长度直径比越大越好；但在一定线径条件下，,L/d,越大，空间分辨率就越低，因而只能在两者兼顾的情况下选择,L,和,d,。对于,2.55,m,粗的金属丝，长度直径比为,100200,之间，空间分辨率为,0.51mm,。,根据以上分析，在当前湍流特性量测量中，最常用的是钨丝和铂丝两种材料的探头。铂的沿展性好，铂丝镀银可以拉制成半个微米的细线（,Wollaston,过程）。这种丝材焊接方便，焊接好后用酸溶液洗除工作段的银层。铂丝耐高温，不易氧化，因此得以广泛应用。钨的机械相对高，可以承受较高冲击负荷，在超音速流中它是唯一合适的材料。但是，钨容易氧化，耐温低，焊接困难并且也不能做到象铂丝那么细。用酸腐蚀可以达到,3.8,m,。为了兼顾强度和耐温的要求，目前常用镀铂钨丝。,5-3,热线的静态响应,金属线放在流体中的换热是一个复杂的现象，因为同一时刻产生了几个过程，包括热传导、热辐射、自然对流和强迫对流等过程。,图一，热线热平衡示意图,对于无限长的热线，在稳定条件下的能量平衡方程为：,对流换热,导热,辐射换热,恒温工作模式下热线的温度为,300,C,，金属丝和外界的辐射热交换可以忽略。,对流是自然对流和强迫对流两过程复合作用结果。决定哪种对流占据主要状态的因素是速度的大小,（,1,）,当 （葛拉晓夫数）自然对流就不能忽略，这个条件对气体而言，流速在,0.5m/s1m/s,之间。,目前通常,CTA,（,Constant Temperature Anemometry,）测量的速度大于,1,米,/,秒，自然对流可以忽略。如果只考虑强迫对流，上面的（,1,）式可以写成：,（,2,）,由此可见，当,L/d,很大，,d,很小时，,d,2,更小。如果线温度沿,X,方向的变化很小，那么第二项热传导可以忽略。这样换热主要决定于强迫对流，一般热线是基于这个条件工作的。,King,推导了无限长线在稳态的不可压流体中二维热传导方程。,适用条件是 ，,J,是热功当量。（,KING,公式）,上面的是理论公式，实际应用中，往往采用下面的形式：,(3),(4),A,B,是物性参数决定的常数，其中,是温度为,T,f,时的金属丝电阻温度系数，,R,f,是温度为,T,f,时的金属丝电阻值。,热线的,静态,方程,5-4,热线的动态响应,静态方程解决了定常状态下的平均速度测量,脉动速度的测量必须解决热线的非定常换热规律和动态响应。,动态响应的问题主要在于：金属丝向周围介质传递热量的速率往往跟不上流体介质速度的变化率。也就是说金属丝的热产生并不等于热耗散，金属丝与周围介质热交换处于不平衡状态。当流体速度由小变大的时候，热线将储藏部分能量。这个现象通常叫热滞后，反映在热线的输出信号上将引起振幅的衰减和相位滞后。,(1),无限长线的动态响应,根据能量守恒定理，如果我们忽略热辐射、自然对流和热传导，单位时间内热线中能量的变化应该等于单位时间内热线中产生的热能 减去单位时间内热线被流体带走的热量，,（,8,）,(9),12,称为电阻之比；通常情况下，流体温度变化 很小，因而，上式变成：,13,热线的,动态,方程,(2),恒流式（,CCA),热线的动态响应,(13),（,CCA),(14),无量纲方程,时间常数,称为恒流热线的热滞后时间常数,可以看出：恒流式热线的时间常数不仅仅与热线的物理性质（,，,c,）有关，几何尺寸,(,L,w,d,w,),和工作条件,(,R,U,),也有关。,假定,16,上式为线性微分方程，考虑到,上式中，,是脉动角频率；根据微分方程理论，（,16,）式的通解为,通解：,随时间衰减，只要时间足够长，一定趋近零,对动态响应，起着决定性作用,其中,在热惯性作用下，与流体的脉动速度,u(t),相比，脉动电阻,r,w,在振幅上有某些衰减，相位有滞后。振幅衰减的程度和相位滞后的大小都和热线的时间常数,M,cc,有关。,M,cc,越小，振幅衰减和相位滞后的程度就小。,图,2,，恒流热线传感器的频率响应,图,2,是,5,m,直径，,1mm,长度钨丝探头在恒流工作模式下工作时的频率响应，从图中可以看出，当,=100,以后，滞后就开始影响，该影响随速度的增加而减少。,速度增加,补偿放大器,振幅衰减和相位滞后补偿到同步水平，并且对热线信号进行放大，以便使输出有足够的讯号水平。因此补偿放大器必须在较大的频率范围内包含高增益和低噪的微分放大电路。,微分电路,图,7,，微分补偿原理,K,1,I,放大器,K2d/dt II,微分电路,图,8,，由微分电路构成的补偿放大器,如果有：,补偿电路的频率范围是受放大器的频率特性限制，它不可能做得很宽。目前，恒流风速仪的频率响应已到,300KHz,。噪声值也已经下降到,0.05%,等效噪声点平以下，完全可以应付常规的测量。,未失真状态,失真状态,欠补偿状态,过补偿状态,补偿状态,图,9,，补偿的方波调节,恒流风速仪对于不同探头的补偿调节问题，是借助于方波电路来实现。当方波电流叠加到热线上时，方波将随热线时间常数大小而形成不同的失真状态。然后调节补偿值，使放大器输出的方波恢复原状态。,（,3,）恒温热线的动态响应及其电子线路,图,10,，恒温风速仪的基本电路图,在恒温风速仪中，热线被安置于惠斯通电桥的一臂中。考虑到热线对周围介质速度的灵敏度，热线通以较大的工作电流（一般在,300,毫安），并具有一定的温度（与周围介质的温度差小于,300,C,，减少辐射换热损失）。热线的这个工作电流通过控制电阻,R,B,的偏置值来实现。,R,B,的值通过热线工作的过热率来确定。过热率定义为：,过热率,Over heat ratio,设置为,0.8,左右,如果热线置于流场中，由于与流体有热交换导致热丝电阻发生变化，引起电桥偏离平衡，从而输出一个不平衡信号。该信号经过放大器放大以后，一方面以负反馈的形式送到电桥顶,C,，以抑制热线温度的偏移，使电桥恢复平衡。另外一方面，这个放大了的偏移电压就代表了流动介质的速度值。这就是恒温风速仪工作的基本原理。,由于电子技术的发展，上述反馈过程可以做得极为迅速、有效，以实现热线的动态和瞬间补偿，甚至可以认为热线没有热滞后现象。下面我们来看看恒温热线的动态方程。显然，反馈效率是,热线、电桥和放大器,的综合效应。因此动态响应也应取决于这三者的影响。,热线部分,CTA,电桥部分,电桥输出电压,E,out,和热线电流,I,w,之间有近似关系为：,式中,R,B,就是电桥平衡时的,R,w,值。,（,22,）,放大器部分,一般来说，如果脉动速度的频率比较低，放大器电压的脉动频率远小于放大器的截止频率，那么输出电流为：,式中，,S,为放大器的跨导（放大器输出电流与输入电压之比），,I,B,是零风速时调整放大器的输出电流，为热线的偏置电流。,由于具有无限宽频率响应的带宽放大器是不存在的，因此对于较高脉动频率参数测量时，我们必须考虑具有电容、电感影响的放大器闭环响应方程,式中，和 是描述高频时放大器输出的滑移特性的量，,是热线探头引线电感有关的量。,是一个与 ，平衡电阻 、放大器增益有关的常数。,（,23,）,（,24,）,把（,22,）代入（,24,）有,为了导出恒温热线的动态方程，令,（,25,）,略去,i,w,和,r,w,的二次项，注意到定常状态下满足（,23,）式，即：我们可以得到：,(26),方程两边除以 得：,(27),(27),（,28,）,(13),式中，,R,是电阻比 ，,g=,称为回路增益；,K=,偏置电流比,恒温热线的动态方程,(29),需要简化，才能求解,现在把,，,，,K,，,g,等具体量代入方程，使方程简化后分析,通常情况下放大器的增益,g100,，偏置电流在,K=0.251,，电阻比,R=1.8,左右，另外一般放大器在接近高频截止点无高频谐振现象，所以应该有,1000,），如果沿线方向均匀加热，并假定过热比不大，那么由传热方向就可看出每单位长度的热损失仅仅与垂直速度分量有关，其中,是来流与,X,轴之间的夹角，见图,15,，因此有：,实验证明，只要,L/d,足够大（例如,L/d300,），并且,60,那么实验结果与（,34,）计算结果基本一致。,（,34,）,图,15,，三维坐标下的探头,图,16,，热线的方向特性,图,16,给出了热线的方向特性，其中为倾斜角度等于零的风速计输出电压。,对于有限长度的热线，,Hinze,建议引进偏航因子，因而（,34,）变成,（,35,）,这说明了倾斜热线热耗散确定要比正常热线在同样法线方向速度分量情况下更大些。这就证明了,沿热线沿轴向速度分量也对热交换起作用,。,Champagne,的精确实验证明了，对于 ，,k1,是,L/d,的函数，当,L/d=200,时，,k1,=0.2,，当增加到,L/d=600,时，,k1,减少到零。这个实验也指出，,k1,与来流速度无关。,图,17,，热线（热膜）系数,b,与,d/L,的关系曲线,Eriehe,和,Schwarz,指出，一般情况下有效速度可以写作,是来流倾斜角度,的函数。例如按照余弦定理，可以给出,固体壁面影响及其修正,在边界层研究中，探头常常非常接近固体壁面（可以达到,0.15mm,左右），这就会影响热线周围的温度和速度场，从而影响热线与周围介质之间的热交换。,固体壁面的影响不仅仅与热线与壁面之间的距离有关，而且也与流体速度相关。,1976,年,Repik,提出了以下的修正公式：,（,41,）,图,18,，有修正和没有修正下热线测量的速度分布,从图中可以看到，按（,41,）修正是很接近于理论结果的，未修正的值可能大到实际速度的,2030%,。这就告诉我们边界层测量中，壁面修正是必须进行的。,在,1,到,0.5,之间线性改变,流体温度变化带来的影响及其修正,流体温度变化会引起热线读数的改变，这主要是流体温度变化引起流体物性参数（导热率，密度和粘性系数）的变化和流体,热线之间的温度差变化的缘故。这些导致了热交换的改变。,下面就恒流和恒温两工作模式进行讨论。,(1),恒流工作模式,根据静态平衡方程（,6,）我们有,由,KING,公式的推导结果（,5,），方程的系数为：,由上面公式我们知道，温度变化不太大时，流体物性参数变化很小，因此,A,和,B,基本上是常数，于是方程（,4,）可以写成：,(46),流体温度变化带来的影响及其修正,由于恒流情况下，,Iw,是常数，微分式（,46,）得,(47),由（,46,）和（,47,）可以知道,引入电阻温度系数有：,这说明，在忽略流体性质变化的条件下，恒流风速仪电压的相对变化和温度差成线性关系。,（,2,）恒温工作模式,对于恒温工作模式，可以包含到系数中去，那么,流体温度变化带来的影响及其修正,按照,KING,公式推导，有,假定同样忽略流体本身温度变化引起的物性的变化，则：,于是：,这说明，在忽略流体性质变化的情况下，恒温风速仪读数的相对变化也和温度成线性关系。事实上，流体性质是有变化的，不过决定流体性质的几个量的组合有时候不随温度而改变。,图,19,，平均速度指示随温度的改变,Bearman,针对不可压流体提出了一个修正方案,就是温度影响的一阶修正，见图,19,。当温度上升,10,C,时，这种方法修正的精确度为,1%,左右。,5-6,污染对热线测量结果的影响,热线对流体中悬浮灰尘、油雾、烟雾等等的污染是相当敏感的。这是由于流体中的微粒，逐步堆积到热线上，影响热线的热交换率的缘故。,一般地说，对于同一个探头，当冷电阻没有显著的变化而校准曲线发生明显变化时，就认为这是由于污染物引起的。,一根被污染了的探头，不仅改变校准曲线的形状，而且还会改变频率响应。例如，一根直径为,5,微米的热线探头，在通常的实验条件下，工作四十小时以后，其读数误差可达,17%,。可见，污染的影响相当严重，应该进行必要处理。,Kawashima,等人对污染影响做了一个实验。他们使用的是,5,微米钨丝热线探头。测量的空气速度为,20,米,/,秒，空气温度为,22,C,。实验分别在空气中含灰尘（,0,），灰尘和淡烟（,1,）以及灰尘和浓烟（,2,）的三种情况下进行。而热线的温度对每种污染物情况有以下三种变化：（,H,）,-150,C,；（,M,）,-100,C,；（,L,），,50,C,；实验结果绘制成曲线，见图,20,。参数下标为（,0,），表示污染前的平均值，线径,r,是由微型全息照相底片上得到的平均值。,图,20,，平方输出电压 对线径,r/r,0,的关系随污染的变化,热线输出首先随污染而增加，以后又随之而减少。污染的影响似乎应该和污染物的堆积状态紧密相关，因为这对热线的热交换率影响较大，可惜至今对污染的影响还没有做系统的研究和理论分析。故没有可供修正的公式。,目前只有根据热线工作条件作相应的定期清洁。,热线的清洗,超声波清洗：把热线放入酒精溶液中，超声波功率为,20W,，频率为,50KHz,。为了防止热线断裂，清洗时间不得超过一分钟，污染物清除的主要原因是高频振动，而不是酒精的溶解作用。该方法适合灰尘和烟雾的污染。,化学清洗：对于钨丝通常用,K,2,Cr,2,O,7,的饱和,H,2,SO,4,化学溶液进行清洗。,加热清洗：对于铂和镍合金丝去除污染，可把金属丝加热到暗红的方法来实现，清洗效果比较好，但加热温度不能再高。对钨丝该方法不适合。,灰尘、烟雾的堆积随流体速度的增加而增加。因此清洗时间根据测速范围而定。测量速度低于,31,米,/,秒时，需要几个小时清洗一次，当测量速度高于,120,米,/,秒时，为了避免污染清洗和校准甚至需要几分钟就要进行一次。,其它修正,除了上面所讲的，在一般情况下，经常遇到的修正外，在高速流动中，最小的湍流尺度可能小于毫米级，这就必须考虑探头的空间分辨率的修正；,在测量脉动频率很高的参数时，必须进行热线不能完全作出瞬时响应的时间分辨率修正。,此外，大脉动影响的修正以及探头的流体动力干扰等修正。,这些修正，都要分析具体情况，抓住影响测量精度的主要因素，进行必要的修正。,污染对测量结果的影响,污染源,-,微粒子和灰尘,-,污垢,-,油汽,-,化学物质,Effects:,-,改变探头流动测试的灵敏度,(DC drift of calibration curve),-,降低频率响应,Cure:,-Clean the sensor,-Recalibrate,空气中颗粒污染影响,Drift due to particle contamination in air,5,m,m Wire,70,m,m Fiber and 1.2 mm SteelClad Probes,(From Jorgensen,1977),Wire and fiber exposed to unfiltered air at 40 m/s in 40 hours,Steel Clad probe exposed to outdoor conditions 3 months during winter conditions,Problem Sources,Probe contamination IV,Low Velocity,-slight effect of dirt on heat transfer,-heat transfer may even increase!,-effect of increased surface vs.insulating effect,High Velocity,-more contact with particles,-bigger problem in laminar flow,-turbulent flow has,“,cleaning effect,”,Influence of dirt INCREASES as wire diameter DECREASES,Deposition of chemicals INCREASES as wire temperature INCREASES,*FILTER THE FLOW,CLEAN SENSOR AND RECALIBRATE!,Problem Sources,Probe contamination III,Drift due to particle contamination in water,Output voltage decreases with increasing dirt deposit,(From Morrow and Kline 1971),Problem Sources,Bubbles in Liquids I,Drift due to bubbles in water,在液体中,不溶解的气泡贴附在敏感部件上导致,:,-,阻止热交换,-,标定曲线飘移,(From C.G.Rasmussen 1967),Problem Sources,Bubbles in Liquids II,Effect of bubbling on,portion of typical,calibration curve,Bubble size depends on,-,表面张力,-,过热率,-,速度大小,Precautions,-,低过热系数,-,使用前让液体静止,-,别让液体在空气中扬起,-,干净探头,(From C.G.Rasmussen 1967),Problem Sources(solved),Stability in Liquid Measurements,Fiber probe operated stable in water,-De-ionised water(reduces algae growth),-Filtration(better than 2,m,m),-Keeping water temperature constant(within 0.1,o,C),(From Bruun 1996),Problem sources,Eddy shedding I,Eddy shedding from cylindrical sensors,Occurs at Re 50,Select small sensor diameters/Low pass filter the signal,(From Eckelmann 1975),Problem Sources,Eddy shedding II,Vibrations from prongs and probe supports:,-Probe prongs may vibrate due to eddy shedding from them or due induced vibrations from the surroundings via the probe support.,-Prongs have natural frequencies from 8 to 20 kHz,Always use stiff and rigid probe mounts.,Problem Sources,Temperature Variations I,Fluctuating fluid temperature,Heat transfer from the probe is proportional to the temperature difference between fluid and sensor.,E,2,=,(Tw-Ta),(A+B,U,n,),As,Ta,varies:,-heat transfer changes,-fluid properties change,Air measurements:,-limited effect at high overheat ratio,-changes in fluid properties are small,Liquid measurements effected more,because of:,-lower overheats,-stronger effects of T change on fluid properties,Problem Sources,Temperature Variations II,Anemometer output depends on both velocity and temperature,When ambient temperature increases the velocity is measured too low,if not corrected for.,(From Joergensen and Morot1998),Problem Sources,Temperature Variations III,Film probe calibrated at different temperatures,Problem Sources,Temperature Variations IV,To deal with temperature variations:,Keep the wire temperature fixed(no overheat adjustment),measure the temperature along and correct anemometer voltage prior to conversion,Keep the overheat constant either manually,or automatically using a second compensating sensor.,Calibrate over the range of expected temperature and monitor simultaneously velocity and temperature fluctuations.,5-7,热线对各种参数的测量方法,湍流测量（平均速度，脉动速度，雷诺应力，（与冷线结合）温度通量等,组分,浓度,温度测量（冷线技术，,CCA,工作模式）,5-7-1,湍流参数的测量,湍流是一种比较复杂的，但又是实际问题中经常遇到的流动状态。例如，宇航工程、水利工程、化学，冶金工业，传热学、气象学等都将遇到湍流问题。同时，湍流理论还不是一完整的学科，因此在湍流问题的求解中，一些湍流参数更离不开测量。热线法能精确测量湍流参数，这也是热线目前广泛应用的领域。,热线法测量湍流参数，原则上是由热线风速仪根据某种要求测量瞬时速度所对应的电压，随后遵循湍流参数定义的数学模式，编制响应的电子模拟电路进行运算后求得。目前更为先进的是采用数字计算机进行计算。,脉动速度,u,，,v,，,w,是一些随即变量,统计均方根值：,湍流强度,（,1,）恒流式热线风速仪测量湍流强度,恒流式热线风速仪测量湍流强度的原理见图,21,。热线响应气流脉动速度,u,引起的电压改变量,E,，经补偿放大,K,倍后为,E,rms,=K,E,，其中，,K,为补偿放大器的放大倍数，,E,rms,是输出电压的均方根值。由恒流式校准曲线（图,22,）可以知道：,图,21,，恒流风速仪简化图,图,22,，恒流风速仪的校准曲线,另外一方面，由热平衡原理可得,因而：,于是,根据湍流强度定义,（,2,）,恒温风速仪测量湍流强度,恒温风速仪测量湍流强度的原理如图,23,所示：,图,23,，恒温风速仪的简化图,用单丝探头测量湍流强度。将单丝探头置于流场，使线轴与来流垂直。根据定义,在定常流中，上式即为,当,U=0,，风速仪的电压输出,Eo,微分后得：,由于,（,57,）,（,3,）,用,X,形探头测量湍流强度,X,形探头是由两根热丝相互垂直（空间间隔,1,毫米左右）所组成的探头。这种类型的探头由热丝线轴和探头线轴线在同一平面上和相互垂直两种基本形式，见图,24,。它可以测量两个方向的湍流强度。,图,24,，两种不同结构的,X,探针,图,25,，,X,探针的位置,当我们把探头的热丝与来流方向安图,25,所示情形安装时，那么两根热线的线轴分别与,U,的方向成,45,角。,若热线,A,和,B,都位于水平面内，显然输出信号,EA,反映的是速度 ，,EB,反映的是速度 ，式中，,a,b,是角度的灵敏度因子，当两线与气流平均速度方向夹角为 时，,a=b,。,热线,A,和,B,的输出信号之和,Es=E,A,+E,B,，反映的是速度纵向分量瞬时值的,2,倍，即 而输出信号之差,E,D,=E,A,-E,B,反映的是速度横向分量瞬时值的,2,倍，既,2bv,，于是测量的湍流强度如下：,5-7-2,雷诺应力的测量,由于速度脉动而产生的湍流附加应力，称为雷诺应力，并可以表示为：,注意到,v=0,因而 ；，所以有：,和差电路,乘法器,平均电路,图,26,，雷诺切应力的测量框图,5-7-3,（冷线）,温度测量,热线,5,m,直径，长度,1,毫米,CTA,电桥，电流变化,过热率,0.8,左右,电阻几欧姆,冷线,1.27,m,直径，长度,1,毫米,CCA,电桥，电阻变化,电流,0.1,毫安,数百欧姆,速度测量,温度测量,冷线测量温度的原理是利用冷线的电阻温度效应。置于流动中的冷线，当气流温度变化时，它使冷线电阻变化，破坏电桥平衡，使电桥输出不平衡信号，测出电阻变化值就能反映温度的变化。因此，它实际上也是一个微型的电阻温度计。,由此可见，对测量温度的冷线材料的要求是：要尽可能有大而又稳定的电阻温度系数，以及尽可能大的电阻系数。温度测量分静态和动态测量两部分，下面分别述说。,（,1,）静态温度的测量,工作于低电流下的冷线，在空气流动中作为温度传感器，使用得十分广泛。冷线的电阻是周围温度的线性函数：,非线性中，,铂,钨,（,2,）,动态温度测量,热平衡方程为,它是一阶线性微分方程，按照微分方程理论解得,测量时系统的截止频率随线径的减少而增加。根据实际测量，对于线径为,0.2-1,微米的铂丝其截止频率在,5-2KHz,之间。,与速度脉动的情况相同，对于测量温度中冷线信号的衰减和相位滞后必须进行补偿，这对瞬时温度的测量尤其重要。补偿的原理和风速测量中类似，因而可以利用同一个热线（膜）风速计完成这个任务。在湍流中测量平均温度和脉动温度时，为了提高测量精度和具有较高的时间分辨率和空间分辨率，人们在恒流源和探头构造方面做了很大改进。,为了提高测量的时间和空间的分辨率，人们在探头构造和线径及金属丝长度上作了很大改进。一般地说，对几千,Hz,的脉动频率常常要求十分之几毫米长的冷线。因而要求金属丝具有更细的线径。目前已广泛使用了,0.5,m,粗的丝作为温度测量用。图,28,就是专门设计的温度探头。,a),温度探头,b),二维热边界层温度探头,图,28,，温度探头的构造,5-8 X,热线标定和有效角度的精确确定,X,热线由两根热线组成,X,形状而得名，两热线之间的空间距离在,1,毫米左右或更小。理论上认为每一根热线都是直的，两根热线之间的角度也是给定的。但实际上并非如此。在显微镜下我们看到，它们是弯的，有局部变形和扭曲。因而对,X,热线的角度标定很重要。目前用斜线（流场速度方向与热线不垂直）测量流体速度有如下几种方法。,1,，测量几何角度，并把该角度作为有效角度；,2,，用给定速度确定一个平均有效角度。这是我们研究中常用的方法。,3,，进行角度标定，确定一个平均有效角度，并引进一个不变的,K,2,因子，（该因子是用来考虑长度方向的冷却）；,4,，进行角度标定，确定一个平均有效角度，并引进一个变化的,K,2,因子；,5,，全速度与角度标定方法；,6,，查表的方法。,5-8-1,单斜线有效角度标定,热线,有效角度,5-8-2,，,X,热线测量中的有效角度,图,30,，确定,X,热线有效角度示意图,假定流场中某点的速度,S,与,X,热线在同一平面内，并与自由流成,角,(,如图,30),。根据热线标定的速度电压关系，,U,1,和,U,2,与热线输出电压,E,1,和,E,2,对应。,5-8-3,，全速度和角度标定,图,31,，典型的全速度,-,偏斜角度标定结果，,a,，,b,分别是,X,热线中的两根热线,假定我们用该,X,热线测量，两根热线的输出分别为,E,1,和,E,2,。在图,31,（,a,）中,E,1,和几条曲线相交，我们得到与每一个,U,对应的偏斜角度。如在,-18,时,U=7.111m/s,，,-9,时,U=5.217m/s,等等。用三阶多项式拟合这些数据得到,U,和,yaw,的一条曲线，见图,2-6,。用同样的方法我们得到热线,2,的,U,与,yaw,的曲线。由这两条曲线的交点可得到与我们热线风速仪的输出值,E,1,和,E,2,对应，唯一的速度,U,和偏斜角度,yaw,。,图,32,，两热线的速度与偏斜角度,上述的处理过程可以在计算机中直接进行，而不需查表。我们事先用三次曲线拟合的方法，给出每一个偏斜角度,yaw,下，各热线的速度,U,与输出电压,E,之