第7章流速測(cè)量課件

1、第第1節(jié)節(jié) 皮托管測(cè)速技術(shù)皮托管測(cè)速技術(shù)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(cè)量二維氣流速度的測(cè)量測(cè)量氣流總壓和靜壓以確定氣流速度的測(cè)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(cè)速時(shí)頭部對(duì)準(zhǔn)來(lái)流，總壓孔感測(cè)速時(shí)頭部對(duì)準(zhǔn)來(lái)流，總壓孔感受來(lái)流總壓受來(lái)流總壓p0，經(jīng)內(nèi)管傳送至壓，經(jīng)內(nèi)管傳送至壓力計(jì)。力計(jì)。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(gè)小孔向開有一個(gè)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(lái)流靜壓，感受來(lái)流靜壓p，經(jīng)，經(jīng)外套管也傳至壓力計(jì)。外套管也傳至壓力計(jì)。 對(duì)于不可壓縮流動(dòng)，根據(jù)伯努利方程，對(duì)于不可壓縮流動(dòng)，根據(jù)伯努利方程，流體參數(shù)在同一流線上有如下關(guān)系：流體參數(shù)在同一流線上有如下關(guān)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(zhǔn)系數(shù)皮托管的校準(zhǔn)系數(shù)考慮到總壓和靜壓的測(cè)量誤差，利用上式計(jì)算考慮到總壓和靜壓的測(cè)量誤差，利用上式計(jì)算流速時(shí)應(yīng)作修正，引入皮托管的校準(zhǔn)系數(shù)流速時(shí)應(yīng)作修正，引入皮托管的校準(zhǔn)系數(shù)：校準(zhǔn)校準(zhǔn) 當(dāng)氣體流動(dòng)的馬赫數(shù)大于當(dāng)氣體流動(dòng)的馬赫

3、數(shù)大于0.3時(shí)，需要考慮時(shí)，需要考慮氣體的壓縮性效應(yīng)，用下式進(jìn)行修正：氣體的壓縮性效應(yīng)，用下式進(jìn)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(cè)量二維氣流速度的測(cè)量三孔測(cè)速管是在圓三孔測(cè)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(gè)感壓孔三個(gè)感壓孔,各自各自用傳壓管將壓強(qiáng)用傳壓管將壓強(qiáng)引至測(cè)壓計(jì)上引至測(cè)壓計(jì)上,測(cè)測(cè)得三孔的壓強(qiáng)得三孔的壓強(qiáng),即即可測(cè)量。可測(cè)量。兩個(gè)方向孔的壓力兩個(gè)方向孔的壓力P1、P3分別為：分別為：設(shè)兩個(gè)方向孔設(shè)兩個(gè)方向孔的夾角為的夾角為2氣體流動(dòng)方向與氣體流動(dòng)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(gè)方向孔的壓力差為兩個(gè)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(duì)上式關(guān)于出現(xiàn)最大值，可以對(duì)上式關(guān)于偏導(dǎo)偏導(dǎo).并令并令若要使若要使P1-P3出現(xiàn)最大出現(xiàn)最大值，應(yīng)使值，應(yīng)使COS2=0。即即2=90，也就是，也就是兩個(gè)方向孔在同一平兩個(gè)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(cè)速管探頭上三孔測(cè)速管探頭上的的感壓孔布置感壓孔布置為：為：兩個(gè)方向孔在同一兩個(gè)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(shè)在兩個(gè)總壓孔開設(shè)在兩個(gè)方向孔的角平分線方向孔的角平分線上。上。 實(shí)際測(cè)量時(shí)，實(shí)際測(cè)量時(shí)，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(dòng)干管，直到兩個(gè)方向孔所感受到的壓力相動(dòng)干管，直到兩個(gè)方向孔所感受到的壓力相等。這時(shí)，氣流方向與總壓孔的軸線平行，等。這時(shí)，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(cè)速技術(shù)熱線測(cè)速技術(shù)1 熱線風(fēng)速儀的工作原理熱線風(fēng)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(xì)將一根通電加熱的細(xì)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(guān)，而散與流速有關(guān)，而散熱量導(dǎo)致熱線溫度熱量導(dǎo)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(hào)即轉(zhuǎn)化，流速信號(hào)即轉(zhuǎn)變成電信號(hào)。變成電信號(hào)。1 熱線風(fēng)速儀的工作原理熱線風(fēng)速儀的工作原理在分析敏感元件的基本工作原理時(shí)，以熱在分析敏感元件的基本工作原理時(shí)，以熱線為模型，對(duì)熱膜可以做同樣的分析。線為模型，對(duì)熱膜可以做同樣的分析。熱敏元件是利用熱平衡原理來(lái)測(cè)量流體熱敏元件是利用熱平衡原理來(lái)測(cè)量流體速度的工作時(shí)，通過(guò)熱線的電流為速度的工作時(shí)，通過(guò)熱線的電流為I，熱線的電阻為熱線的電阻為RW，相應(yīng)的熱線溫度為，相應(yīng)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(guò)程基本在熱平衡條件下，熱線的換熱過(guò)程基本上是一個(gè)強(qiáng)迫對(duì)流換熱

7、過(guò)程，熱線產(chǎn)上是一個(gè)強(qiáng)迫對(duì)流換熱過(guò)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(cè)流體之間的對(duì)流傳熱系為熱線與被測(cè)流體之間的對(duì)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(cè)流體被測(cè)流體的溫度的溫度簡(jiǎn)簡(jiǎn)化：化：a，b，n為有關(guān)常數(shù)為有關(guān)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(duì)應(yīng)是一一對(duì)應(yīng)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(gè)變量，流速就成為另一個(gè)只要固定一個(gè)變量，流速就成為另一個(gè)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(jìn)一步進(jìn)一步簡(jiǎn)化：簡(jiǎn)化：2.1 恒流式恒流式 在工作過(guò)程中保持加熱電流不變，熱線的表面在工作過(guò)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(shí)流速公式為：溫度隨流體流速而變化，此時(shí)流速公式為：因此通過(guò)測(cè)量熱線的電阻值就可以確定流體因此通過(guò)測(cè)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(guò)程分為工作過(guò)程分為3個(gè)狀態(tài)個(gè)狀態(tài)初始狀態(tài)初始狀態(tài)過(guò)渡狀態(tài)過(guò)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(chǎng)熱線未放入流場(chǎng),流流速為零速為零,電橋平衡電橋平衡,檢檢流計(jì)指向零點(diǎn)流計(jì)指向零點(diǎn),電流電流表表A讀數(shù)為讀數(shù)為I0.

9、工作過(guò)程分為工作過(guò)程分為3個(gè)狀態(tài)個(gè)狀態(tài)過(guò)渡狀態(tài)過(guò)渡狀態(tài)熱線放入流場(chǎng)熱線放入流場(chǎng),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(jì)偏離零點(diǎn)計(jì)偏離零點(diǎn).電流表電流表A讀數(shù)不為讀數(shù)不為I0工作過(guò)程分為工作過(guò)程分為3個(gè)狀態(tài)個(gè)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(guò)程分為工作過(guò)程分為3個(gè)狀態(tài)個(gè)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(guò)程中調(diào)節(jié)熱線兩端的電壓以保持熱在工作過(guò)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(cè)出熱線電流的變化測(cè)出熱線電流的變化,進(jìn)而計(jì)算流速進(jìn)而計(jì)算流速當(dāng)熱線因?qū)α鲹Q熱出現(xiàn)當(dāng)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(dǎo)致電橋失去平衡，導(dǎo)致電橋失去平衡， A、B兩點(diǎn)之間電阻值下降兩點(diǎn)之間電阻值下降。 A、B兩點(diǎn)之間電壓兩點(diǎn)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(fù)平衡。至電橋重新恢復(fù)平衡。第第3節(jié)節(jié) 激光多普勒測(cè)速技術(shù)激光多普勒測(cè)速技術(shù)1 激光多普勒測(cè)速原理激光多普勒測(cè)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(cè)速原理激光多普勒測(cè)速原理 當(dāng)我們站在鐵路旁，正遇鳴著汽笛的火車開當(dāng)我們站在鐵路旁，正遇鳴著汽笛的火車開過(guò)身旁時(shí)，會(huì)感到汽笛聲忽然由高亢變得低過(guò)身旁時(shí)，會(huì)感到汽笛聲忽然由高亢變得低沉了。用物理語(yǔ)言來(lái)說(shuō)，當(dāng)火車迎面而來(lái)時(shí)，沉了。用物理語(yǔ)言來(lái)說(shuō)，當(dāng)火車迎面而來(lái)時(shí)，汽笛聲的頻率顯得高些；背向而去時(shí)，頻率汽笛聲的頻率顯得高些；背向而去時(shí)，頻率顯得低些。當(dāng)波源不動(dòng)，而觀察者運(yùn)動(dòng)時(shí)

12、，顯得低些。當(dāng)波源不動(dòng)，而觀察者運(yùn)動(dòng)時(shí)，也有類似的情形。也有類似的情形。多普勒效應(yīng)：多普勒效應(yīng)：因波源或觀察者相對(duì)于傳播介質(zhì)因波源或觀察者相對(duì)于傳播介質(zhì)的運(yùn)動(dòng)而使觀察者接收到的波的頻率發(fā)生變的運(yùn)動(dòng)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(dǎo)公式推導(dǎo)當(dāng)激光照射到跟隨流體一起運(yùn)動(dòng)的微當(dāng)激光照射到跟隨流體一起運(yùn)動(dòng)的微粒上時(shí)，光波在粒上時(shí)，光波在P點(diǎn)被運(yùn)動(dòng)的微粒散射點(diǎn)被運(yùn)動(dòng)的微粒散射發(fā)射光發(fā)射光流體運(yùn)動(dòng)方向流體運(yùn)動(dòng)方向發(fā)射光照射到跟隨流體一起運(yùn)動(dòng)的微發(fā)射光照射到跟隨流體一起運(yùn)動(dòng)的微粒上時(shí)，光波在粒上時(shí)，光波在P點(diǎn)被運(yùn)動(dòng)的微粒散射點(diǎn)被運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)速度，稱為率偏移正比于物體的運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)速度，即流體的流與微粒的運(yùn)動(dòng)速度，即流體的流速成正比。測(cè)量出多普勒頻移就可以測(cè)量出速成正比。測(cè)量出多普勒頻移就可以測(cè)量出流體的流速。流體的流速。對(duì)于固定光源對(duì)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(yīng)多普勒效應(yīng),運(yùn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)微粒微粒P（相當(dāng)于（相當(dāng)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(duì)于運(yùn)動(dòng)微粒的對(duì)于運(yùn)動(dòng)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(guān)系呈線性關(guān)系 通過(guò)改變光源與檢測(cè)器的相對(duì)位置通過(guò)改變光源與檢測(cè)器的相對(duì)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(cè)速儀的光路系統(tǒng)常用的激光測(cè)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(qiáng)度對(duì)比是強(qiáng)度對(duì)比是9：1發(fā)射透鏡發(fā)射透鏡運(yùn)動(dòng)微粒運(yùn)動(dòng)微粒小孔光闌小孔光闌接收透鏡接收透鏡參考光通過(guò)流體直接照射參考光通過(guò)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