1、第七章 流速测量,概述,在热能与动力机械工程中，常常需要研究进、排气管道的流动特性等与流速测量有关的物理量； 目前常用的流速测量方法： 皮托管测速 热线流速仪测速 激光多普勒流速仪测速,第一节 皮托管测速,一、基本构造和测速原理(一),皮托管是以其发明者、法国工程师Hcnri Pitot的名字命名的； 它是利用流体总压与静压之差，即动压来测量流速，故也称动压管； 其基本结构：,皮托管的特点是结构简单，制造使用方便，价格低廉，而且只要精心制造并经过严格标定和适当修正，即可在一定的速度范围内达到较高的测量精度。,一、基本构造和测速原理(二),根据不可压缩流体的伯努利方程：,则流速可表示为：,引入皮
2、托管的校准系数 ，则：,当气体流速较高，考虑气体的压缩性效应和温度，可用下式进行流速计算：,二、常见皮托管的结构,标准皮托管；,笛形皮托管；,遮板式皮托管；,三孔测速管。,三、皮托管的标定,各种皮托管由于结构上的不同和制造上的差异，在制造后或使用前都必须经过标定； 皮托管的标定是在校准风洞中进行的； 记录各稳定气流流速下校准风洞的标准动压值和被标定皮托管的动压值； 整理记录数据，或拟合成标定方程，或绘制成标定曲线，以备查用。,第二节 热线流速仪测速,一、概述,热线流速仪是一种以热线或热膜为探头的流速测量仪器； 热线流速仪由探头、信号和数据处理系统构成； 具有几何尺寸小及热惯性小的优点； 可用于
3、微风速、脉动速度以及皮托管难以安装场合； 广泛用于汽车内燃机进气的流量测量。,二、探头的基本构造,探头按结构分为热线和热膜两种，均由电阻值随温度变化的热敏材料构成； 热线探头中的热线材料多为铂丝和钨丝，一般直径3.85m，长度12mm： 热膜探头由熔焊在楔形或圆柱形石英骨架上的铬或铂金属膜构成，其机械强度比热线探头高，可承受的电流也较大； 探头常见的结构形式又可分为一元探头、二元探头和三元探头。,三、工作原理,热线流速仪是利用通电的探头在气流中的热量散失强度与气流速度之间的关系来测量流速； 在热平衡条件下：,对于与流体流动方向垂直放置的热线探头：,由于热线的电阻 Rw 与其温度 Tw 是一一对
4、应，流体的流速仅仅是热线电流和热线温度(或电阻)的函数； 只要固定I 和Tw(或Rw)中的一个变量，流速就成为另一变量的单值函数。,三、工作原理恒流式,保持加热电流不变(I常数)，热线的表面温度随流体流速而变化，其电阻值也随之改变； 假定热线尚未置入流场(或流速较小)，测量电桥处于平衡状态，即检流计指向零点； 当热线被放置到流场中后，热线的温度和阻值Rw也随之减小，电桥失去平衡，检流计偏离零点；,调节可变电阻Ra，直至其增大量抵消Rw的减小量，此时，电桥重新恢复平衡，检流计回到零点，电流表也回到原来的读数； 通过测量Ra的改变量可以计算出被测流速。,三、工作原理恒温(恒电阻)式,通过调节热线两
5、端的电压以保持热线的电阻不变。这样就可以根据电压值的变化，测出热线电流的变化。进而计算流速； 当热线因气体流动而出现温度下降、电阻减小，致使电桥失去平衡时，增加电桥的供电电压，促使热线温度回升，阻值回增，直至电桥重新恢复平衡；,通过测量I 的改变量可以计算出被测流速；,恒流式受热线热惯性的影响，产生相位滞后等缺点，现在的热线流速仪大多采用频率特性较好的恒温式； Tf 的影响。,第三节 激光多普勒流速仪,一、概述,皮托管测速和热线流速仪测速都属于接触式测速方法，它们的测量探头不仅对流场产生干扰，而且还限制了测量的频率响应速度和空间分辨率； 激光多普勒流速仪属于非接触式测速，其优点有： 对流场无干
6、扰； 输出特性的直线性好； 测量精度不受除流体折射率以外的其他物理性能及参数的影响； 空间分辨率高、无惯性，因而频响特性好； 测速范围广； 测量方向特性稳定； 可以测量逆流现象中循环流的湍流速度成分。,二、工作原理,当激光照射到跟随流体一起运动的微粒上时，微粒散射的散射光频率将偏离入射光频率，这种现象就叫激光多普勒效应； 其散射光与入射光之间的频率偏离量称作多普勒频移，多普勒频移与微粒的运动速度，即流体的流速成正比。,通过改变光源与检测器的相对位置，就可以测量出微粒速度在任意方向上的分量大小。,三、基本光路系统,目前常用的外差检测方法测量多普勒频移； 外差检测法的基本光路系统大致有三种：, 参考光束系统, 单光束系统, 双光束系统,
