工程流體力學(xué)課件第11章：流體測量

1、11.1 11.1 壓壓強(qiáng)的強(qiáng)的測測量量11.2 11.2 流速的流速的測測量量11.3 11.3 流量的流量的測測量量工程工程實實例例第第1111章章 流體的流體的測測量量第第11章章 流體的測量流體的測量教學(xué)提示教學(xué)提示：本章討論流體及流動參數(shù)的測量原理、方法和常用儀器。同時本章也可作為流體靜力學(xué)基本方程和能量方程的實際應(yīng)用。教學(xué)要求教學(xué)要求：掌握流速、流量、壓強(qiáng)的測量原理和常用儀器。11.1壓強(qiáng)的測量壓強(qiáng)的測量在進(jìn)行流體力學(xué)研究和涉及流體力學(xué)的工程實際應(yīng)用中，壓強(qiáng)的測量技術(shù)是流體要素測量的基礎(chǔ)，用皮托管測速和用某些阻尼器測量流量參數(shù)，通常都通過壓強(qiáng)測量的轉(zhuǎn)換來實現(xiàn)。壓強(qiáng)通常不能直接顯示，

2、必須將它變換為位移、角位移、力或各種電量參數(shù)進(jìn)行測量。壓強(qiáng)的測量裝置由壓強(qiáng)感受、傳輸和指示三部分組成。在常規(guī)測量中，壓強(qiáng)感受常用測壓孔和各種形狀的壓強(qiáng)探針，感受到的壓強(qiáng)大小通過各種液體測壓管或金屬壓力表來指示。在測 量 動 態(tài) 壓 強(qiáng) 時 常 采 用 壓 力 傳 感 器壓 力 傳 感 器 ( P re s s u re transducer)，將所感受到的動態(tài)壓強(qiáng)轉(zhuǎn)換為電信號輸入相應(yīng)的儀表指示或輸入計算機(jī)實時打印輸出。顯然，測量的精度主要取決于壓強(qiáng)感受和壓強(qiáng)指示兩個環(huán)節(jié)的誤差大小。11.1.1靜壓的測量靜壓的測量無論流體處于靜止?fàn)顟B(tài)，或?qū)τ诹鲃拥牧黧w，當(dāng)用固定壁面開孔感受壓強(qiáng)或用對流場干擾很小

3、的探針通過周壁小孔感受到的流體壓強(qiáng)都可稱為流場中某點的靜壓靜壓。通常認(rèn)為，只要壁面上開設(shè)的靜壓孔足夠小，孔的軸線垂直壁面，孔的邊緣沒有毛刺或凹凸不平，靜壓孔中感受到的就是測點上流體壓強(qiáng)的真實值。而當(dāng)孔的邊緣處有毛刺或凹凸不平時，將會產(chǎn)生局部旋渦，使測量值不準(zhǔn)確。靜壓孔內(nèi)外流體的相互影響引起了測量結(jié)果產(chǎn)生誤差。壁面沒有開設(shè)測壓孔，近壁處是很薄的邊界層，壁面處流速為零。這時沿壁面法線方向上沒有壓強(qiáng)梯度，各點的壓強(qiáng)等于邊界層外邊界上的壓強(qiáng)，這時，因為流體的粘性，在法線方向上存在速度梯度而使流體對壁面作用有切應(yīng)力，壁面處流速為零。當(dāng)壁面開設(shè)靜壓孔后，在粘性切應(yīng)力作用下，靜壓孔內(nèi)流體產(chǎn)生流動，近孔處的流

4、線向孔內(nèi)稍許彎曲，影響到邊界層內(nèi)法線方向的靜壓不再保持不變，并導(dǎo)致靜壓孔內(nèi)感受出的壓強(qiáng)偏離流體中靜壓的真實值。其偏差的程度主要決定于靜壓孔的幾何參數(shù)和加工情況。圖11-1給出了孔徑和流速對靜壓測量的影響。靜壓孔的幾何形狀和孔軸方向所能引起的靜壓測量誤差如圖11-2所示。雖然垂直壁面的靜壓孔存在一定誤差，但因?qū)τ谛∮?mm的小孔，誤差很小，且與壁面垂直時容易加工，所以靜壓孔常加工成與壁面垂直。11.1.2壓強(qiáng)測量儀表壓強(qiáng)測量儀表測量壓強(qiáng)的方法很多，通常根據(jù)被測壓強(qiáng)的大小和測量精度要求選用不同的壓強(qiáng)測量儀表。1液體測壓計液體測壓計液體測壓計是根據(jù)流體靜力學(xué)原理設(shè)計利用液柱高來測量壓強(qiáng)的儀表。在靜力

5、學(xué)中曾學(xué)過，對于靜止且連通的均質(zhì)液體，在重力場中等壓面是水平面。因此連通的均質(zhì)靜止流體中，任意兩點的壓強(qiáng)差只與兩點間的垂直高度有關(guān)，而與容器的形狀無關(guān)，這樣，若在被測液體的容器壁上所要測量壓強(qiáng)處開孔并接透明(如玻璃)管子，即可測出液體中的壓強(qiáng)。(1) 單管測壓計這是一種最簡單的測壓計(見圖11-3)：將一根玻璃管與液體中所要測量壓強(qiáng)處容器壁上的壓力感受孔相連接，管子的另一端開口與大氣相通，利用測量被測液體在管中上升的液柱高度來測定容器中液體的壓強(qiáng)。為減小因毛細(xì)現(xiàn)象所帶來的測量誤差，管子內(nèi)徑不能小于 ，通常取 。在容器內(nèi)壓強(qiáng)的作用下，液體在測壓管中上升高度為 ，若液體的密度為 ，則由流體靜壓強(qiáng)基

6、本公式得出容器液體中 點的計示壓強(qiáng)為(2) U形管測壓計圖11-4所示為U形管測壓計，它一端與大氣相通另一端連接到所要測量壓強(qiáng)的 點處。根據(jù)U形管內(nèi)量得的液柱高度差計算出 點的壓強(qiáng)。通常根據(jù)被測點的壓強(qiáng)大小和被測流體的性質(zhì)，選用U形管中的工作介質(zhì)。當(dāng)被測壓強(qiáng)較大時，可以采用密度較大的水銀等作為工作介質(zhì)；當(dāng)測量氣體壓強(qiáng)且被測點壓強(qiáng)不大時，可以采用酒精、水、四氯化碳等液體做工作介質(zhì)。在容器中被測液體靜止不動時，讀數(shù)誤差在 左右，若被測液體處于流動狀態(tài)時，因U形測壓管內(nèi)工作介質(zhì)液面波動將使讀數(shù)誤差增大至 。2金屬彈簧壓力表金屬彈簧壓力表當(dāng)測量較高的壓強(qiáng)，或?qū)τ诟鞣N流體系統(tǒng)檢測壓強(qiáng)時，常采用金屬彈簧管

7、式壓力表 圖11-7是金屬彈簧管式壓力表的基本結(jié)構(gòu)示意圖。當(dāng)有壓強(qiáng)的被測流體通入時，具有扁橢圓形截面的金屬彈簧管l（圖中 段），在內(nèi)外壓差的作用下產(chǎn)生彈性變形,由管末端處的拉桿2拉動扇形齒輪3使與其嚙合的齒輪4轉(zhuǎn)動，帶動指針5指示壓強(qiáng)值。游絲7用以消除齒輪間的間隙，提高測量精度。調(diào)節(jié)螺釘9的位置可以改變傳動放大系數(shù)，調(diào)節(jié)壓力表量程。6為表盤，8為連接螺柱。彈簧管的變形隨壓強(qiáng)上升而增大，通常根據(jù)不同的壓強(qiáng)測量范圍和測量精度要求選用合適量程和精度的金屬壓力表。使用一定時間的金屬壓力表，應(yīng)該用壓力表校正裝置進(jìn)行校正，以保證其測量精度。11.1.3動態(tài)壓強(qiáng)的測量動態(tài)壓強(qiáng)的測量對流動過程的實驗研究和對工

8、業(yè)生產(chǎn)中的流體系統(tǒng)進(jìn)行動態(tài)監(jiān)測，以及對流體機(jī)械的流動特性進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時，經(jīng)常會遇到動態(tài)壓強(qiáng)(Dynamic Pressure)的測量和壓強(qiáng)的遠(yuǎn)距離傳送、顯示、記錄以及控制等問題。為了實現(xiàn)壓強(qiáng)信號的遠(yuǎn)傳顯示，通常將壓強(qiáng)用波紋管、膜片等彈性敏感元件轉(zhuǎn)變?yōu)槲灰?、力和其它?yīng)變信號，然后通過電阻式、電感式或電容式等電動變換器轉(zhuǎn)換為電信號，放大后遠(yuǎn)傳至顯示或記錄儀表。這種壓強(qiáng)變送器因動態(tài)響應(yīng)較慢，主要適用于測量靜態(tài)壓強(qiáng)或變化緩慢的壓強(qiáng)。目前廣泛應(yīng)用于動態(tài)壓強(qiáng)測量的傳感器主要有電阻式、應(yīng)變式、電容式、電感式、壓電式、壓阻式等壓強(qiáng)傳感器。電阻式壓強(qiáng)傳感器由于非線性誤差大，頻率響應(yīng)低而主要在測量精度和動態(tài)響應(yīng)要

9、求不高的場合使用。應(yīng)變式壓強(qiáng)傳感器由壓強(qiáng)敏感元件和貼在它上面的電阻應(yīng)變片組成，前者將被測壓強(qiáng)轉(zhuǎn)換為應(yīng)變量，然后由電阻應(yīng)變片將應(yīng)變量變換為電阻的變化量，并通過電橋?qū)⒆兓碾娮枇恳噪妷狠敵?；壓?qiáng)敏感元件有膜片式、應(yīng)變筒式、應(yīng)變梁式等多種，而電阻應(yīng)變片則有箔式、絲式和半導(dǎo)體應(yīng)變片三類。應(yīng)變式壓力傳感器測量范圍可達(dá) ，動態(tài)頻響達(dá)到 ，測量誤差為 。由于其結(jié)構(gòu)簡單、體積小、測量精度高、價格適中而得到廣泛應(yīng)用。圖11-8是這種傳感器的原理框圖。圖11-10是量測系統(tǒng)原理框圖。由橋路測得的微弱電阻變化經(jīng)前置放大器放大輸出模擬電壓信號，輸人信號調(diào)理端子經(jīng)濾波后送人A/D轉(zhuǎn)換板，經(jīng)轉(zhuǎn)換后得到電平數(shù)字量信號，輸入

10、計算機(jī)分析處理形成實時圖形數(shù)據(jù)文件，最后由打印機(jī)打印輸出數(shù)據(jù)、曲線和圖形，從而使我們能實時了解實驗或工業(yè)生產(chǎn)的進(jìn)程，并進(jìn)而控制參數(shù)輸入和整個過程。11.2 流速的測量流速的測量通常在流體工程的研究過程中，以及飛行器在飛行中，經(jīng)常要進(jìn)行流速的測量，使用最多的是皮托管(又稱探針)和總壓管。11.2.1 總壓管總壓管如圖11-1l所示是一種用于測速的總壓探孔，它是一種兩端開孔成L形的管子。若要測量流體中 點的流速，可以將總壓管置于 點對準(zhǔn)流動方向， 點處形成流速為零的滯止點滯止點(Stagnation point)，11.2.2皮托管很多情況下，例如在管路中，流動流體中某點的壓強(qiáng)并不知道，只用總壓管

11、無法測得流體中的流速，這時常用總壓管與靜壓管組合在一起的探針測速，稱為測速管或皮托管(Pitot Tube)。圖11-12為具有半球形頭部的皮托管結(jié)構(gòu)示意圖。11.2.3 三孔圓柱形探針三孔圓柱形探針11.2.4 熱線（膜）風(fēng)速儀熱線（膜）風(fēng)速儀利用探針測量流動速度，是基于測量流場的壓強(qiáng)來間接測定流動速度，但當(dāng)流動的速度和方向脈動時，即使脈動頻率只有幾赫茲，由于響應(yīng)速度較慢，也難以得到滿意的結(jié)果。在流體力學(xué)動態(tài)測試中，流速的脈動頻率從幾赫茲到上萬赫茲，一般的測速探針已無法測得流動速度的瞬時值和脈動頻率。熱線風(fēng)速儀(Hot-wire Anemometer)和熱膜流速儀(Hot-film Anem

12、ometer)是為測量流體脈動速度而發(fā)展起來的流速量測儀器。將裝有金屬絲的金屬熱敏探頭置于欲測流速的流場中。將金屬絲加熱，流體與金屬絲發(fā)生熱交換帶走部分熱量。流動速度的變化將改受金屬絲冷卻的速率，利用在不同流速下散熱率不同的原理，通過量測熱敏探頭的散熱率來確定流場的流速。熱線(膜)探頭的結(jié)構(gòu)見圖11-14。 圖11-14b是熱膜探針。為提高探針金屬絲的強(qiáng)度和量測的穩(wěn)定性，利用在石英或玻璃桿上沉積一層很薄的鉑金屬膜做成熱膜探針。一般熱膜探針的直徑約為 。熱膜探針在工作溫度 下具有較高的靈敏度，故可用于液體和氣體流場的測速。若將兩個熱線(膜)元件做成X或V形探針?？梢詼y量二維、三維流場的流速。圖1

13、1-15是熱線(膜)流速儀的電橋電路原理圖。將熱敏元件的兩端接在電橋的一個臂上，當(dāng)流速為零時，電橋處于平衡狀態(tài)。這是采用一個反饋回路的等溫補償電路，量測時保持熱敏元件的溫度不變。當(dāng)流過熱敏探針的流速增加時，熱交換使熱線(膜)降溫，電阻減小 端的電位降低，使輸入放大器的電壓增加，因而反饋電流和通過熱線(膜)電阻的電流增加，使熱敏元件保持原來的溫度。 11.2.5激光多普勒測速儀激光多普勒測速儀當(dāng)激光的光線照射到跟隨流體運動的固體微粒上時，固定的光接收器接受到運動微粒的散射光的頻率是變化的，當(dāng)散射光與光接收器的相對運動使兩者距離減小時，頻率增高。距離增大時，頻率減小，頻率的變化量與相對運動速度的大

14、小和方向有關(guān)，也與激光的波長有關(guān)。接收器接收運動物體散射光的這種現(xiàn)象稱為激光多普勒效應(yīng)，又稱為多普勒頻移。即當(dāng)固定接收器接收運動微粒散射光的頻率時。由于運功微粒與接收器間有相對運動，接收到的頻率已不是運動物體散射光的頻率，兩者間產(chǎn)生了頻移。激光多普勒測速儀(Laser Doppler Anemometer)就是利用激光多普勒效應(yīng)做成的，應(yīng)用電測測定頻移大小，并由此確定流場中某點上的流體運動速度。圖11-16是激光測速儀的光路和處理系統(tǒng)框圖。11.3流量的測量流量的測量最常見的流量計有文丘里管、孔板流量計、噴嘴流量計、堰板流量計等，它們都是壓差式流量計，即在流道上安裝一個節(jié)流元件，利用流體流過節(jié)

15、流元件時產(chǎn)生壓強(qiáng)差來測定流量，其基本原理都是利用了總流機(jī)械能守恒方程（伯努利方程）。在實驗室中還常用體積（或質(zhì)量)流量計。在工業(yè)上應(yīng)用最多的是轉(zhuǎn)子流量計、渦輪流量計、電磁流量計、超聲波流量計、旋渦流量計和多種容積式流量計。11.3.1體積（質(zhì)量）流量計體積（質(zhì)量）流量計利用經(jīng)過標(biāo)定的容器測定某一時間段內(nèi)流出某一過流斷面的流體體積或質(zhì)量，這種流量測定設(shè)備稱為體積(質(zhì)量)流量計。這是一種十分簡易的方法，但測量的結(jié)果具有很高的精度，因此它常被用作節(jié)流式流量計和容積式流量計的率定裝置。11.3.2文丘里流量計文丘里流量計典型的文丘里流量計(Venturi Meter )如圖11-17所示，它由收縮段、

16、喉管和擴(kuò)散段三部分構(gòu)成。它常用于測量有壓管道中的流量。收縮段前的進(jìn)口斷面l-1和喉管斷面2-2為緩變斷面，在該處開設(shè)測壓孔，并與測壓管連接。由于收縮段處的喉管直徑較小，流體流經(jīng)該處時將一部分壓強(qiáng)能轉(zhuǎn)化為動能，通過測量兩個斷面間的測壓管水頭差，就可以汁算流經(jīng)管道的流量。11.3.3噴嘴流量計和孔板流量計圖11-18是噴嘴流量計(Flow Nozzle)，圖11-19所示為孔板流量計(Orifice Meter)，它們與文丘里流量計一起又稱為節(jié)流式流量計。噴嘴出口處流動平行于軸線，為緩變流，故可以在噴嘴進(jìn)口前斷面1-1和出口斷面2-2處開設(shè)測壓管孔。對于孔板流量計，流體流經(jīng)孔口時將發(fā)生收縮流動，收

17、縮的最小斷面處液流為平行流動。故可以在最小斷面2-2和孔板前1-1斷面處設(shè)立測壓管孔。對1-1和2-2斷面列伯努利方程，且 仍采用1-1和2-2斷面間的測壓管高差，則與文丘里流量計類同可以得到11.3.4渦輪式流量計渦輪式流量計圖11-20是渦輪式流量計的示意圖，測量時渦輪流量計沿水流方向放置。當(dāng)渦輪流量計置于一定直徑的管道中時，渦輪的旋轉(zhuǎn)速度與流速亦即與流量成正比，通?？梢酝ㄟ^某些標(biāo)準(zhǔn)流量計（如體積流量計）來率定渦輪流量計。建立流量與渦輪轉(zhuǎn)速（或頻率）的關(guān)系。流量計的殼體6為不導(dǎo)磁的不銹鋼，在其上裝有非接觸式磁電轉(zhuǎn)速傳感器2，渦輪則由導(dǎo)磁的不銹鋼做成。一定流速的流體帶動渦輪1轉(zhuǎn)動，渦輪轉(zhuǎn)動時

18、葉片切割傳感器2的磁力線產(chǎn)生脈沖信號，其頻率與轉(zhuǎn)速成正比，即通過測定頻率，就可以得到對應(yīng)的流量。為提高測試精度，在流體進(jìn)口處設(shè)有帶導(dǎo)葉4的導(dǎo)流器3，5為密封，渦輪流量計的測量誤差一般小于1%。流體粘度的變化將對測量精度有較大影響，因此，對于溫度的變化應(yīng)有相應(yīng)的校正補償。11.3.5電磁式流量計電磁式流量計11.3.6容積式流量計容積式流量計容積式流量計利用通過容積式馬達(dá)的流量與轉(zhuǎn)速成正比的原理做成，按其結(jié)構(gòu)形式有橢圓齒輪流量計、齒輪馬達(dá)流量計、柱塞式馬達(dá)流量計等多種。容積式流量計通常直接安裝在被測流量的管道中。圖11-22是橢圓齒輪流量計的工作原理圖，在殼體內(nèi)有一對互相嚙合的橢圓齒輪。流體如圖示方向流動，通過流量計時存在壓力損失，所以