第7章流速測量課件

1、第第1節(jié)節(jié) 皮托管測速技術皮托管測速技術1 基本構(gòu)造與基本原理基本構(gòu)造與基本原理2 二維氣流速度的測量二維氣流速度的測量測量氣流總壓和靜壓以確定氣流速度的測量氣流總壓和靜壓以確定氣流速度的一種管狀裝置。皮托管的構(gòu)造如圖一種管狀裝置。皮托管的構(gòu)造如圖1 基本構(gòu)造與基本原理基本構(gòu)造與基本原理 測速時頭部對準來流，總壓孔感測速時頭部對準來流，總壓孔感受來流總壓受來流總壓p0，經(jīng)內(nèi)管傳送至壓，經(jīng)內(nèi)管傳送至壓力計。力計。頭部頭部為半為半球形球形后為一雙層套管后為一雙層套管皮托管頭部迎流方皮托管頭部迎流方向開有一個小孔向開有一個小孔A，稱為稱為總壓孔總壓孔 在距頭部一定距離處開有若干垂直于流在距頭部一定距

2、離處開有若干垂直于流體流向的體流向的靜壓孔靜壓孔B，感受來流靜壓，感受來流靜壓p，經(jīng)，經(jīng)外套管也傳至壓力計。外套管也傳至壓力計。 對于不可壓縮流動，根據(jù)伯努利方程，對于不可壓縮流動，根據(jù)伯努利方程，流體參數(shù)在同一流線上有如下關系：流體參數(shù)在同一流線上有如下關系：得流速為：得流速為：p0為總壓，為總壓，p為靜壓，為靜壓，為氣流密度，為氣流密度，V為流速為流速1.1 皮托管的校準系數(shù)皮托管的校準系數(shù)考慮到總壓和靜壓的測量誤差，利用上式計算考慮到總壓和靜壓的測量誤差，利用上式計算流速時應作修正，引入皮托管的校準系數(shù)流速時應作修正，引入皮托管的校準系數(shù)：校準校準 當氣體流動的馬赫數(shù)大于當氣體流動的馬赫

3、數(shù)大于0.3時，需要考慮時，需要考慮氣體的壓縮性效應，用下式進行修正：氣體的壓縮性效應，用下式進行修正：1.2 考慮氣體的壓縮性修正系數(shù)考慮氣體的壓縮性修正系數(shù)修正修正為氣體的壓縮為氣體的壓縮性修正系數(shù)性修正系數(shù)2 二維氣流速度的測量二維氣流速度的測量三孔測速管是在圓三孔測速管是在圓柱體的同一橫截柱體的同一橫截面的表面上開有面的表面上開有三個感壓孔三個感壓孔,各自各自用傳壓管將壓強用傳壓管將壓強引至測壓計上引至測壓計上,測測得三孔的壓強得三孔的壓強,即即可測量?？蓽y量。兩個方向孔的壓力兩個方向孔的壓力P1、P3分別為：分別為：設兩個方向孔設兩個方向孔的夾角為的夾角為2氣體流動方向與氣體流動方向

4、與其角平分線的偏其角平分線的偏離角為離角為P為靜壓為靜壓兩個方向孔的壓力差為兩個方向孔的壓力差為： 若要使若要使P1-P3出現(xiàn)最大值，可以對上式關于出現(xiàn)最大值，可以對上式關于偏導偏導.并令并令若要使若要使P1-P3出現(xiàn)最大出現(xiàn)最大值，應使值，應使COS2=0。即即2=90，也就是，也就是兩個方向孔在同一平兩個方向孔在同一平面內(nèi)呈直角分布。面內(nèi)呈直角分布。三孔測速管探頭上三孔測速管探頭上的的感壓孔布置感壓孔布置為：為：兩個方向孔在同一兩個方向孔在同一平面內(nèi)呈直角分布，平面內(nèi)呈直角分布，總壓孔開設在兩個總壓孔開設在兩個方向孔的角平分線方向孔的角平分線上。上。 實際測量時，實際測量時，將探頭插入氣流

5、中，慢慢轉(zhuǎn)將探頭插入氣流中，慢慢轉(zhuǎn)動干管，直到兩個方向孔所感受到的壓力相動干管，直到兩個方向孔所感受到的壓力相等。這時，氣流方向與總壓孔的軸線平行，等。這時，氣流方向與總壓孔的軸線平行，總壓孔的壓力就是總壓。有總壓孔的壓力就是總壓。有：第第2節(jié)節(jié) 熱線測速技術熱線測速技術1 熱線風速儀的工作原理熱線風速儀的工作原理2 熱線流速儀的兩種形式熱線流速儀的兩種形式 恒流式恒流式和和恒溫式恒溫式將一根通電加熱的細將一根通電加熱的細金屬絲（稱熱線）金屬絲（稱熱線）置于氣流中，熱線置于氣流中，熱線在氣流中的散熱量在氣流中的散熱量與流速有關，而散與流速有關，而散熱量導致熱線溫度熱量導致熱線溫度變化而引起電阻

6、變變化而引起電阻變化，流速信號即轉(zhuǎn)化，流速信號即轉(zhuǎn)變成電信號。變成電信號。1 熱線風速儀的工作原理熱線風速儀的工作原理在分析敏感元件的基本工作原理時，以熱在分析敏感元件的基本工作原理時，以熱線為模型，對熱膜可以做同樣的分析。線為模型，對熱膜可以做同樣的分析。熱敏元件是利用熱平衡原理來測量流體熱敏元件是利用熱平衡原理來測量流體速度的工作時，通過熱線的電流為速度的工作時，通過熱線的電流為I，熱線的電阻為熱線的電阻為RW，相應的熱線溫度為，相應的熱線溫度為TW。則熱線產(chǎn)生的焦耳熱為。則熱線產(chǎn)生的焦耳熱為I2RW。在熱平衡條件下，熱線的換熱過程基本在熱平衡條件下，熱線的換熱過程基本上是一個強迫對流換熱

7、過程，熱線產(chǎn)上是一個強迫對流換熱過程，熱線產(chǎn)生的焦耳熱損失了：生的焦耳熱損失了：h為熱線與被測流體之間的對流傳熱系為熱線與被測流體之間的對流傳熱系數(shù)，數(shù)，F(xiàn)為熱線的換熱面積，為熱線的換熱面積，Tf被測流體被測流體的溫度的溫度簡簡化：化：a，b，n為有關常數(shù)為有關常數(shù)熱線的電阻熱線的電阻RW與溫度與溫度TW是一一對應是一一對應的，在流體溫度的，在流體溫度Tf一定的條件下，流一定的條件下，流體的流速體的流速V僅僅是熱線電流僅僅是熱線電流I和熱線溫和熱線溫度（或電阻）的函數(shù)，度（或電阻）的函數(shù)，只要固定一個變量，流速就成為另一個只要固定一個變量，流速就成為另一個變量的單值函數(shù)，熱線流速儀有兩種形變量

8、的單值函數(shù)，熱線流速儀有兩種形式：式：恒流式恒流式和和恒溫式恒溫式。進一步進一步簡化：簡化：2.1 恒流式恒流式 在工作過程中保持加熱電流不變，熱線的表面在工作過程中保持加熱電流不變，熱線的表面溫度隨流體流速而變化，此時流速公式為：溫度隨流體流速而變化，此時流速公式為：因此通過測量熱線的電阻值就可以確定流體因此通過測量熱線的電阻值就可以確定流體速度的變化。速度的變化。工作過程分為工作過程分為3個狀態(tài)個狀態(tài)初始狀態(tài)初始狀態(tài)過渡狀態(tài)過渡狀態(tài)穩(wěn)定狀態(tài)穩(wěn)定狀態(tài)初始狀態(tài)初始狀態(tài)熱線未放入流場熱線未放入流場,流流速為零速為零,電橋平衡電橋平衡,檢檢流計指向零點流計指向零點,電流電流表表A讀數(shù)為讀數(shù)為I0.

9、工作過程分為工作過程分為3個狀態(tài)個狀態(tài)過渡狀態(tài)過渡狀態(tài)熱線放入流場熱線放入流場,熱線熱線溫度下降溫度下降,阻值減小阻值減小,電橋失去平衡電橋失去平衡,檢流檢流計偏離零點計偏離零點.電流表電流表A讀數(shù)不為讀數(shù)不為I0工作過程分為工作過程分為3個狀態(tài)個狀態(tài)穩(wěn)定狀態(tài)穩(wěn)定狀態(tài)調(diào)節(jié)可變電阻調(diào)節(jié)可變電阻Ra,使使其增大量抵消其增大量抵消R w的的減小量減小量,保持保持Ra+ R w不變不變.工作過程分為工作過程分為3個狀態(tài)個狀態(tài)最后最后電流表回到原先的電流表回到原先的讀數(shù)讀數(shù)I0,根據(jù)根據(jù)R w的值的值算出流速算出流速.2.2 恒溫式恒溫式在工作過程中調(diào)節(jié)熱線兩端的電壓以保持熱在工作過程中調(diào)節(jié)熱線兩端的電

10、壓以保持熱線的電阻不變，這樣就可以根據(jù)電壓值的線的電阻不變，這樣就可以根據(jù)電壓值的變化變化,測出熱線電流的變化測出熱線電流的變化,進而計算流速進而計算流速當熱線因?qū)α鲹Q熱出現(xiàn)當熱線因?qū)α鲹Q熱出現(xiàn)溫度下降溫度下降,電阻電阻R w減小減小R1+R4+R w導致電橋失去平衡，導致電橋失去平衡， A、B兩點之間電阻值下降兩點之間電阻值下降。 A、B兩點之間電壓兩點之間電壓減小，減小， R w上電壓上電壓減小減小調(diào)節(jié)可變電阻調(diào)節(jié)可變電阻R，使，使R減小以增加電橋的供減小以增加電橋的供電電壓，橋臂上的電電電壓，橋臂上的電流隨之增大，熱線的流隨之增大，熱線的加熱功率提高，溫度加熱功率提高，溫度回升，阻值增大

11、，直回升，阻值增大，直至電橋重新恢復平衡。至電橋重新恢復平衡。第第3節(jié)節(jié) 激光多普勒測速技術激光多普勒測速技術1 激光多普勒測速原理激光多普勒測速原理2 基本光路系統(tǒng)基本光路系統(tǒng)3 激光器和散射微粒激光器和散射微粒1 激光多普勒測速原理激光多普勒測速原理 當我們站在鐵路旁，正遇鳴著汽笛的火車開當我們站在鐵路旁，正遇鳴著汽笛的火車開過身旁時，會感到汽笛聲忽然由高亢變得低過身旁時，會感到汽笛聲忽然由高亢變得低沉了。用物理語言來說，當火車迎面而來時，沉了。用物理語言來說，當火車迎面而來時，汽笛聲的頻率顯得高些；背向而去時，頻率汽笛聲的頻率顯得高些；背向而去時，頻率顯得低些。當波源不動，而觀察者運動時

12、，顯得低些。當波源不動，而觀察者運動時，也有類似的情形。也有類似的情形。多普勒效應：多普勒效應：因波源或觀察者相對于傳播介質(zhì)因波源或觀察者相對于傳播介質(zhì)的運動而使觀察者接收到的波的頻率發(fā)生變的運動而使觀察者接收到的波的頻率發(fā)生變化的現(xiàn)象?；默F(xiàn)象。2 公式推導公式推導當激光照射到跟隨流體一起運動的微當激光照射到跟隨流體一起運動的微粒上時，光波在粒上時，光波在P點被運動的微粒散射點被運動的微粒散射發(fā)射光發(fā)射光流體運動方向流體運動方向發(fā)射光照射到跟隨流體一起運動的微發(fā)射光照射到跟隨流體一起運動的微粒上時，光波在粒上時，光波在P點被運動的微粒散射點被運動的微粒散射散射光方向散射光方向散射光頻率散射光

13、頻率fs將偏離入射光頻率將偏離入射光頻率fi，頻，頻率偏移正比于物體的運動速度，稱為率偏移正比于物體的運動速度，稱為多多普勒頻移普勒頻移。多普勒頻移多普勒頻移與微粒的運動速度，即流體的流與微粒的運動速度，即流體的流速成正比。測量出多普勒頻移就可以測量出速成正比。測量出多普勒頻移就可以測量出流體的流速。流體的流速。對于固定光源對于固定光源LS發(fā)出的光，根據(jù)發(fā)出的光，根據(jù)多普勒效應多普勒效應,運動運動微粒微粒P（相當于（相當于入射光的接受者）入射光的接受者）所接收到的頻率所接收到的頻率fp為：為：對于運動微粒的對于運動微粒的散射光波（頻散射光波（頻率為率為fp），固），固定接收器定接收器PD接接收

14、到的光波頻收到的光波頻率率fs為：為： 固定光源固定光源LS發(fā)發(fā)出的光波頻率與出的光波頻率與固定接收器固定接收器PD接接收到的光波頻率收到的光波頻率差為：差為： 結(jié)論結(jié)論:微粒速度在方向微粒速度在方向kski上的分量上的分量大小大小Vn與多普勒頻移與多普勒頻移fD呈線性關系呈線性關系 通過改變光源與檢測器的相對位置通過改變光源與檢測器的相對位置,就可以得到微粒速度在任意方向上的就可以得到微粒速度在任意方向上的分量大小分量大小.把這些分量合成把這些分量合成,就可以得就可以得到微粒速度到微粒速度.2 常用的激光測速儀的光路系統(tǒng)常用的激光測速儀的光路系統(tǒng)分為參考光束系統(tǒng)、單光束系統(tǒng)和雙光分為參考光束系統(tǒng)、單光束系統(tǒng)和雙光束系統(tǒng)。束系統(tǒng)。 參考光束系統(tǒng)參考光束系統(tǒng)分光鏡分光鏡照明光束和照明光束和參考光束的參考光束的強度對比是強度對比是9：1發(fā)射透鏡發(fā)射透鏡運動微粒運動微粒小孔光闌小孔光闌接收透鏡接收透鏡參考光通過流體直接照射參考光通過流體直接照射到光電倍增管上到光電倍增管上照明光束照射到流體微粒照明光束