流速測(cè)量精品課件

1、流速測(cè)量第1頁(yè)，共27頁(yè)，2022年，5月20日，11點(diǎn)31分，星期四流速測(cè)量方法皮托管熱線流速儀激光測(cè)速激光技術(shù)多普勒效應(yīng)計(jì)算機(jī)技術(shù)PIV粒子圖像儀熱交換理論熱絲的溫阻特性一維管道流理論伯努里方程激光技術(shù)相關(guān)分析技術(shù)計(jì)算機(jī)技術(shù)流速測(cè)量在熱能動(dòng)力機(jī)械工程中的意義研究：進(jìn)排氣管、燃燒室內(nèi)氣流運(yùn)動(dòng)對(duì)工作過(guò)程的影響； 水泵葉輪內(nèi)的水流運(yùn)動(dòng)規(guī)律 鍋爐、換熱器內(nèi)流體運(yùn)動(dòng)規(guī)律 傳熱傳質(zhì)學(xué)研究，芯片散熱問(wèn)題監(jiān)控：水文監(jiān)測(cè)第2頁(yè)，共27頁(yè)，2022年，5月20日，11點(diǎn)31分，星期四第一節(jié) 皮托管測(cè)速發(fā)展過(guò)程1732年 法國(guó)工程師 Henri Pitot 發(fā)現(xiàn)一段密封的直管迎著流動(dòng)的流體，可測(cè)出流體總壓，減去

2、靜壓能算出流速，發(fā)明了原始的皮托管；1905年 德國(guó)大流體力學(xué)家 L. Prandtl 修改了 Henri Pitot 發(fā)明，與今天的皮托管結(jié)構(gòu)一樣，能直接測(cè)出流體的總壓和靜壓之差動(dòng)壓，直接算出流速，但仍稱(chēng)皮托管；1920年后，英國(guó)國(guó)家物理實(shí)驗(yàn)室（NPL)對(duì)皮托管的結(jié)構(gòu)、特性作了詳細(xì)研究，為制定皮托管的標(biāo)準(zhǔn)奠定了基礎(chǔ)；1943年 英國(guó)出臺(tái)皮托管?chē)?guó)家標(biāo)準(zhǔn)；1977年 ISO頒布關(guān)于用皮托管測(cè)速的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn) ISO39661977由于皮托管的主要測(cè)量對(duì)象為氣體，故又稱(chēng)風(fēng)速管。第3頁(yè)，共27頁(yè)，2022年，5月20日，11點(diǎn)31分，星期四 皮托管測(cè)速的特點(diǎn)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉，制造使用方便；在一定的流速

3、范圍內(nèi)，測(cè)量精度高；對(duì)來(lái)流方向不太敏感；頻率相應(yīng)慢，只能測(cè)量穩(wěn)定流動(dòng) 一.基本構(gòu)造和測(cè)量原理總壓力靜壓力(靜壓)動(dòng)壓力(動(dòng)壓)第4頁(yè)，共27頁(yè)，2022年，5月20日，11點(diǎn)31分，星期四1. 測(cè)量原理對(duì)不可壓縮流體的一維等高度的管流，有伯努里方程：靜壓 + 動(dòng)壓 = 總壓 = 常數(shù)考慮到總壓和靜壓的測(cè)量誤差，需要修正。為校準(zhǔn)系數(shù)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)皮托管：=1.01 1.02對(duì)于氣體，可看成理想氣體，測(cè)出壓力和溫度后可根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的氣體參數(shù)算出密度：第5頁(yè)，共27頁(yè)，2022年，5月20日，11點(diǎn)31分，星期四用馬赫數(shù)Ma表示可壓縮氣體流速：當(dāng)氣流馬赫數(shù)Ma大于0.3時(shí)，須進(jìn)行壓縮性修正。為壓縮性修正系

4、數(shù)。Ma0.10.20.30.40.60.81.00.00250.01000.02250.04000.090000.17300.2750第6頁(yè)，共27頁(yè)，2022年，5月20日，11點(diǎn)31分，星期四 2. 結(jié)構(gòu)型式 直角型（L形）皮托管 帶半圓形頭部的標(biāo)準(zhǔn)皮托管 帶錐形頭部的皮托管，高速氣流測(cè)量，防頭部發(fā)生脫體激波P0總壓力P靜壓力(靜壓)第7頁(yè)，共27頁(yè)，2022年，5月20日，11點(diǎn)31分，星期四3. 笛形管測(cè)速的基本原理 流量較大，雷諾數(shù)較大時(shí)，邊界層厚度較小，p可近似得到，誤差工程上允許P0總壓力P靜壓力(靜壓)第8頁(yè)，共27頁(yè)，2022年，5月20日，11點(diǎn)31分，星期四吸氣式（負(fù)壓

5、管道）遮板式（高塵氣流）靠背式（高塵氣流）第9頁(yè)，共27頁(yè)，2022年，5月20日，11點(diǎn)31分，星期四 對(duì)皮托管的要求：盡可能保證總壓孔和靜壓孔接收到的壓力真正是被測(cè)點(diǎn)的總壓力和靜壓力。靜壓孔N的位置對(duì)測(cè)量值的影響皮托管頭部繞流使后方實(shí)測(cè)靜壓力降低皮托管立桿滯流使前方實(shí)測(cè)靜壓升高存在一個(gè)開(kāi)孔位置正好使上述兩種影響互相抵消，使實(shí)測(cè)靜壓正好等于皮托管放入前該點(diǎn)的靜壓值其他影響因素總壓孔大小靜壓孔數(shù)量、形狀探頭與立桿的連接方式保證測(cè)量準(zhǔn)確度的方法嚴(yán)格按標(biāo)準(zhǔn)制造皮托管、做試驗(yàn)標(biāo)定第10頁(yè)，共27頁(yè)，2022年，5月20日，11點(diǎn)31分，星期四 二、二維氣流速度的測(cè)量1. 要求能測(cè)出平面流動(dòng)的方向和數(shù)

6、值2. 三孔測(cè)速管結(jié)構(gòu)三孔感壓探頭總壓孔（居中）方向孔（兩側(cè)）干管傳壓管分度盤(pán)探頭形狀：球形尖劈形圓柱形：普通發(fā)散聚合第11頁(yè)，共27頁(yè)，2022年，5月20日，11點(diǎn)31分，星期四3. 測(cè)量原理 流體繞流圓柱體的壓力分布得： 圓柱三孔測(cè)速管探頭總壓孔與方向孔的夾角為450時(shí)，方向靈敏度最高。這時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)干管，使：第12頁(yè)，共27頁(yè)，2022年，5月20日，11點(diǎn)31分，星期四 三.皮托管的標(biāo)定1. 校準(zhǔn)風(fēng)洞射流式校準(zhǔn)風(fēng)洞組成：穩(wěn)流段，收斂器。 A、B兩點(diǎn)處總壓相等。 第13頁(yè)，共27頁(yè)，2022年，5月20日，11點(diǎn)31分，星期四第二節(jié) 熱線流速儀測(cè)速主要用途 用于測(cè)量氣體的平均流速、脈動(dòng)速度和

7、流動(dòng)方向。主要優(yōu)點(diǎn)幾何尺寸較小，對(duì)氣體流動(dòng)干擾小，可測(cè)量一般探針難以測(cè)量的地方；熱慣性小，特別適合氣流脈動(dòng)（如葉柵后的氣流尾跡）測(cè)量。 第14頁(yè)，共27頁(yè)，2022年，5月20日，11點(diǎn)31分，星期四1. 構(gòu)造 探頭：熱線、熱膜 一元、二元、三元 鉑、鎢、鉑鐒、鉑銥 信號(hào)和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng) 2. 對(duì)探頭材料的要求電阻溫度系數(shù)大機(jī)械強(qiáng)度高電阻率高熱傳導(dǎo)率小最高可用溫度高材料單位鎢鉑鉑鐒鉑銥成分%10010090-1080-20電阻溫度系數(shù)/0C0.00350.00360.00160.0008最大可用溫度0C300800850750抗拉強(qiáng)度MPa42002461000典型可用直徑m50.5-11010

8、電阻率10-6cm5.51018.432熱傳導(dǎo)率W/mK1786950.125.5一. 基本構(gòu)造第15頁(yè)，共27頁(yè)，2022年，5月20日，11點(diǎn)31分，星期四主要原理 通電探頭在流體中的換熱規(guī)律。忽略軸向?qū)?、輻射換熱，只考慮熱絲（膜）與流體的對(duì)流換熱，有關(guān)系： 熱絲（膜）電功率 = 對(duì)流換熱量恒定電流通過(guò)電阻絲（熱線）時(shí)，熱線發(fā)熱熱線溫度高低變化，電阻值隨之發(fā)生變化氣體流過(guò)發(fā)熱體時(shí)，會(huì)帶走部分熱量，發(fā)熱體降溫；氣流帶走熱量多少與風(fēng)速大小有關(guān)系可根據(jù)熱線的電阻大小來(lái)確定氣流速度值2. 實(shí)際測(cè)量熱線阻值變化，電橋輸出電壓變化，氣體流速可確定；電壓變化與氣體流速大小的關(guān)系在標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)洞中標(biāo)定。 二.

9、 熱線風(fēng)速儀工作原理第16頁(yè)，共27頁(yè)，2022年，5月20日，11點(diǎn)31分，星期四三. 熱線風(fēng)速儀的種類(lèi)1.恒溫(恒電阻)式熱線風(fēng)速儀氣體速度變化熱線溫度變化熱線阻值變化電橋電路失衡輸出電壓變化控制電阻值R變化熱線電流恢復(fù)熱線電阻恢復(fù)R電阻變化量確定流速電橋恢復(fù)平衡熱線溫度恢復(fù)第17頁(yè)，共27頁(yè)，2022年，5月20日，11點(diǎn)31分，星期四2.恒流式型熱線風(fēng)速儀氣體速度變化熱線溫度變化熱線阻值變化橋臂電流變化電橋電路失衡控制電阻值Ra變化橋臂電阻恢復(fù)橋臂電流恢復(fù)Ra電阻變化量確定流速電橋恢復(fù)平衡第18頁(yè)，共27頁(yè)，2022年，5月20日，11點(diǎn)31分，星期四方向特性 對(duì)流放熱系數(shù)K是流向角的

10、函數(shù).隨著K減小,熱線風(fēng)速儀的電橋輸出電壓降低.電橋輸出電壓與氣體流速、流向角的關(guān)系稱(chēng)為其方向特性四. 熱線風(fēng)速儀的方向特性2. 方向特性的應(yīng)用 流向角為45時(shí),曲線斜率最大,即對(duì)方向最敏感,欲測(cè)氣流方向,應(yīng)選45的熱線風(fēng)速儀. 比較： 恒流式受熱線熱慣性影響，流體運(yùn)動(dòng)變化頻率越高，測(cè)量靈敏度越低，且存在相位滯后的缺點(diǎn)，故用得不多。 恒溫式的頻率特性比恒流式好，用的比較多。第19頁(yè)，共27頁(yè)，2022年，5月20日，11點(diǎn)31分，星期四Doppler效應(yīng)：任何形式的波在傳播時(shí)，波源、接收器、傳播介質(zhì)、中間反射器或散射體的運(yùn)動(dòng)都會(huì)使波的頻率產(chǎn)生變化。一、激光多普勒測(cè)速儀的工作原理 激光測(cè)速儀是依

11、據(jù)多普勒效應(yīng)設(shè)計(jì)而成的。激光照射到具有一定速度的運(yùn)動(dòng)粒子上，產(chǎn)生多普勒頻移，頻率的頻移量與粒子的運(yùn)動(dòng)速度成比例關(guān)系。測(cè)得頻率的頻移量，即可知道粒子運(yùn)動(dòng)速度。第三節(jié) 激光多普勒流速儀測(cè)速LDV: Laser Doppler Velocimeter第20頁(yè)，共27頁(yè)，2022年，5月20日，11點(diǎn)31分，星期四一. 工作原理 第21頁(yè)，共27頁(yè)，2022年，5月20日，11點(diǎn)31分，星期四二. 測(cè)量多普勒頻移的基本光路系統(tǒng) 直接測(cè)量法 外差檢測(cè)法1.參考光束系統(tǒng)（基準(zhǔn)光束系統(tǒng)） 進(jìn)入光電檢測(cè)器PD的兩束光：參考光 fi 散射光 fs 光電檢測(cè)器接受到參考光束和散射光束后，通過(guò)光電轉(zhuǎn)換的平方率效應(yīng)得

12、到它們的差頻，即fD.。其他與光頻接近的高頻信號(hào)因遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)光電器件的頻響特性而檢測(cè)不到。 為使進(jìn)入光電檢測(cè)器的兩束光強(qiáng)度接近，參考光束和散射光束的強(qiáng)度比為 1:90-99第22頁(yè)，共27頁(yè)，2022年，5月20日，11點(diǎn)31分，星期四2.單光束系統(tǒng) 光路布置 進(jìn)入光電檢測(cè)器PD的兩束散射光 fs1 fs2特點(diǎn)： 要求光柵孔徑適當(dāng)，過(guò)大則分辨率下降，過(guò)小則光強(qiáng)損失增加； 光能利用率低 測(cè)量環(huán)境要求避光 因此單光束系統(tǒng)用得很少。第23頁(yè)，共27頁(yè)，2022年，5月20日，11點(diǎn)31分，星期四3.雙光束系統(tǒng) 光路布置，光電檢測(cè)器PD方向任意， 進(jìn)入光電檢測(cè)器PD的兩束散射光： fs1 fs2特點(diǎn)：

13、fD與KS無(wú)關(guān)；因此雙光束系統(tǒng)使用廣泛。系統(tǒng)布置方案： 前向散射型：入射和接受光路布置于試驗(yàn)段兩側(cè)，要開(kāi)2個(gè)窗口，信號(hào)強(qiáng)信噪比高。 后向散射型：入射和接受光路布置于試驗(yàn)段一側(cè)，只開(kāi)1個(gè)窗口， 信噪比小。第24頁(yè)，共27頁(yè)，2022年，5月20日，11點(diǎn)31分，星期四三. 判別流速和方向的移頻裝置 兩束頻率稍有不同的光束相交，將產(chǎn)生干涉條紋，從條紋的移動(dòng)特性可判斷流體運(yùn)動(dòng)方向。 帶頻移裝置的雙光束系統(tǒng)，經(jīng)移頻，入射光頻率為： 因?yàn)?f1,f2 fi ,所以兩束光相交將產(chǎn)生干涉條紋。第25頁(yè)，共27頁(yè)，2022年，5月20日，11點(diǎn)31分，星期四四. 激光器和散射微粒 1. LDV的組成： 激光器 氦氖激光器，i=623810-10 m, 價(jià)格低功率小，常用。 氬離子激光器，i=488010-10 m, 或514810-10 m 功率高，波長(zhǎng)小，價(jià)格高，使用條件復(fù)雜，常用于多維流速 和高速氣流測(cè)量及后向型光路系統(tǒng) 分光束器（分光鏡） 光聚焦發(fā)射系統(tǒng)（透鏡） 光收集和檢測(cè)系統(tǒng)（光珊和光電檢測(cè)器） 頻率信號(hào)處理系統(tǒng)2. 散射微粒 作用：示蹤，增強(qiáng)散射 要求： 良好的跟隨性高的散射效率良好的理化性能 第26頁(yè)，共27頁(yè)，2022年，5月20日，11點(diǎn)31分，星期