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1、第7章流速测量第1页，本讲稿共51页第第1节节 皮托管测速技术皮托管测速技术1 基本构造与基本原理基本构造与基本原理2 二维气流速度的测量二维气流速度的测量第2页，本讲稿共51页测量气流总压和静压以确定气流速度的一种测量气流总压和静压以确定气流速度的一种管状装置。皮托管的构造如图管状装置。皮托管的构造如图1 基本构造与基本原理基本构造与基本原理第3页，本讲稿共51页测速时头部对准来流，总压孔感受测速时头部对准来流，总压孔感受来流总压来流总压p0，经内管传送至压力计。，经内管传送至压力计。头部头部为半为半球形球形后为一双层套管后为一双层套管皮托管头部迎流方皮托管头部迎流方向开有一个小孔向开有一个
2、小孔A，称为，称为总压孔总压孔第4页，本讲稿共51页在距头部一定距离处开有若干垂直于流体流在距头部一定距离处开有若干垂直于流体流向的向的静压孔静压孔B，感受来流静压，感受来流静压p，经外套管也，经外套管也传至压力计。传至压力计。第5页，本讲稿共51页 对于不可压缩流动，根据伯努利方程，流体对于不可压缩流动，根据伯努利方程，流体参数在同一流线上有如下关系：参数在同一流线上有如下关系：得流速为：得流速为：p0为总压，为总压，p为静压，为静压，为气流密度，为气流密度，V为流为流速速第6页，本讲稿共51页1.1 皮托管的校准系数皮托管的校准系数考虑到总压和静压的测量误差，利用上式计算流考虑到总压和静压
3、的测量误差，利用上式计算流速时应作修正，引入皮托管的校准系数速时应作修正，引入皮托管的校准系数：校校准准第7页，本讲稿共51页 当气体流动的马赫数大于当气体流动的马赫数大于0.3时，需要考虑时，需要考虑气体的压缩性效应，用下式进行修正：气体的压缩性效应，用下式进行修正：1.2 考虑气体的压缩性修正系数考虑气体的压缩性修正系数修修正正为气体的压缩为气体的压缩性修正系数性修正系数第8页，本讲稿共51页2 二维气流速度的测量二维气流速度的测量三孔测速管是在圆三孔测速管是在圆柱体的同一横截面柱体的同一横截面的表面上开有三个的表面上开有三个感压孔感压孔,各自用传各自用传压管将压强引至测压管将压强引至测压
4、计上压计上,测得三孔测得三孔的压强的压强,即可测量。即可测量。第9页，本讲稿共51页两个方向孔的压力两个方向孔的压力P1、P3分别为：分别为：设两个方向孔设两个方向孔的夹角为的夹角为2气体流动方向与气体流动方向与其角平分线的偏其角平分线的偏离角为离角为第10页，本讲稿共51页P为静压为静压两个方向孔的压力差为两个方向孔的压力差为：第11页，本讲稿共51页若要使若要使P1-P3出现最大值，可以对上式关于出现最大值，可以对上式关于偏导偏导.并令并令第12页，本讲稿共51页若要使若要使P1-P3出现最大值，出现最大值，应使应使COS2=0。即即2=90，也就是，也就是两个两个方向孔在同一平面内呈方向
5、孔在同一平面内呈直角分布。直角分布。第13页，本讲稿共51页三孔测速管探头上三孔测速管探头上的的感压孔布置感压孔布置为：为：两个方向孔在同一两个方向孔在同一平面内呈直角分布，平面内呈直角分布，总压孔开设在两个总压孔开设在两个方向孔的角平分线方向孔的角平分线上。上。第14页，本讲稿共51页 实际测量时，实际测量时，将探头插入气流中，慢慢转动干将探头插入气流中，慢慢转动干管，直到两个方向孔所感受到的压力相等。这时，管，直到两个方向孔所感受到的压力相等。这时，气流方向与总压孔的轴线平行，总压孔的压力就气流方向与总压孔的轴线平行，总压孔的压力就是总压。有是总压。有：第15页，本讲稿共51页第16页，本
6、讲稿共51页第第2节节 热线测速技术热线测速技术1 热线风速仪的工作原理热线风速仪的工作原理2 热线流速仪的两种形式热线流速仪的两种形式 恒流式恒流式和和恒温式恒温式第17页，本讲稿共51页将一根通电加热的细将一根通电加热的细金属丝（称热线）金属丝（称热线）置于气流中，热线置于气流中，热线在气流中的散热量在气流中的散热量与流速有关，而散与流速有关，而散热量导致热线温度热量导致热线温度变化而引起电阻变变化而引起电阻变化，流速信号即转化，流速信号即转变成电信号。变成电信号。1 热线风速仪的工作原理热线风速仪的工作原理第18页，本讲稿共51页在分析敏感元件的基本工作原理时，以热线为在分析敏感元件的基
7、本工作原理时，以热线为模型，对热膜可以做同样的分析。模型，对热膜可以做同样的分析。热敏元件是利用热平衡原理来测量流体速度热敏元件是利用热平衡原理来测量流体速度的工作时，通过热线的电流为的工作时，通过热线的电流为I，热线的，热线的电阻为电阻为RW，相应的热线温度为，相应的热线温度为TW。则热。则热线产生的焦耳热为线产生的焦耳热为I2RW。第19页，本讲稿共51页在热平衡条件下，热线的换热过程基本上在热平衡条件下，热线的换热过程基本上是一个强迫对流换热过程，热线产生的是一个强迫对流换热过程，热线产生的焦耳热损失了：焦耳热损失了：h为热线与被测流体之间的对流传热系数，为热线与被测流体之间的对流传热系
8、数，F为热线的换热面积，为热线的换热面积，Tf被测流体的温度被测流体的温度第20页，本讲稿共51页简简化：化：a，b，n为有关常数为有关常数热线的电阻热线的电阻RW与温度与温度TW是一一对应的，是一一对应的，在流体温度在流体温度Tf一定的条件下，流体的流速一定的条件下，流体的流速V仅仅是热线电流仅仅是热线电流I和热线温度（或电阻）和热线温度（或电阻）的函数，的函数，第21页，本讲稿共51页只要固定一个变量，流速就成为另一个变只要固定一个变量，流速就成为另一个变量的单值函数，热线流速仪有两种形式：量的单值函数，热线流速仪有两种形式：恒流式恒流式和和恒温式恒温式。进一步进一步简化：简化：第22页，
9、本讲稿共51页2.1 恒流式恒流式 在工作过程中保持加热电流不变，热线的表面在工作过程中保持加热电流不变，热线的表面温度随流体流速而变化，此时流速公式为：温度随流体流速而变化，此时流速公式为：因此通过测量热线的电阻值就可以确定流体速度的因此通过测量热线的电阻值就可以确定流体速度的变化。变化。第23页，本讲稿共51页工作过程分为工作过程分为3个状态个状态初始状态初始状态过渡状态过渡状态稳定状态稳定状态第24页，本讲稿共51页初始状态初始状态热线未放入流场热线未放入流场,流流速为零速为零,电桥平衡电桥平衡,检检流计指向零点流计指向零点,电流电流表表A读数为读数为I0.工作过程分为工作过程分为3个状
10、态个状态第25页，本讲稿共51页过渡状态过渡状态热线放入流场热线放入流场,热线热线温度下降温度下降,阻值减小阻值减小,电桥失去平衡电桥失去平衡,检流检流计偏离零点计偏离零点.电流表电流表A读数不为读数不为I0工作过程分为工作过程分为3个状态个状态第26页，本讲稿共51页稳定状态稳定状态调节可变电阻调节可变电阻Ra,使使其增大量抵消其增大量抵消R w的的减小量减小量,保持保持Ra+R w不变不变.工作过程分为工作过程分为3个状态个状态第27页，本讲稿共51页最后最后电流表回到原先的读电流表回到原先的读数数I0,根据根据R w的值算的值算出流速出流速.第28页，本讲稿共51页2.2 恒温式恒温式在
11、工作过程中调节热线两端的电压以保持热在工作过程中调节热线两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线的电阻不变，这样就可以根据电压值的变化变化,测出热线电流的变化测出热线电流的变化,进而计算流速进而计算流速第29页，本讲稿共51页当热线因对流换热出现当热线因对流换热出现温度下降温度下降,电阻电阻R w减减小小R1+R4+R w导致电桥失去平衡，导致电桥失去平衡，A、B两点之间电阻值下降。两点之间电阻值下降。A、B两点之间电压减小，两点之间电压减小，R w上电压减小上电压减小第30页，本讲稿共51页调节可变电阻调节可变电阻R，使，使R减小以增加电桥的供减小以增加电桥的供电电压，桥臂上
12、的电电电压，桥臂上的电流随之增大，热线的流随之增大，热线的加热功率提高，温度加热功率提高，温度回升，阻值增大，直回升，阻值增大，直至电桥重新恢复平衡。至电桥重新恢复平衡。第31页，本讲稿共51页第第3节节 激光多普勒测速技术激光多普勒测速技术1 激光多普勒测速原理激光多普勒测速原理2 基本光路系统基本光路系统3 激光器和散射微粒激光器和散射微粒第32页，本讲稿共51页1 激光多普勒测速原理激光多普勒测速原理 当我们站在铁路旁，正遇鸣着汽笛的火车开当我们站在铁路旁，正遇鸣着汽笛的火车开过身旁时，会感到汽笛声忽然由高亢变得低过身旁时，会感到汽笛声忽然由高亢变得低沉了。用物理语言来说，当火车迎面而来
13、时，沉了。用物理语言来说，当火车迎面而来时，汽笛声的频率显得高些；背向而去时，频率汽笛声的频率显得高些；背向而去时，频率显得低些。当波源不动，而观察者运动时，显得低些。当波源不动，而观察者运动时，也有类似的情形。也有类似的情形。多普勒效应：多普勒效应：因波源或观察者相对于传播介质因波源或观察者相对于传播介质的运动而使观察者接收到的波的频率发生变的运动而使观察者接收到的波的频率发生变化的现象。化的现象。第33页，本讲稿共51页第34页，本讲稿共51页2 公式推导公式推导当激光照射到跟随流体一起运动的微粒上当激光照射到跟随流体一起运动的微粒上时，光波在时，光波在P点被运动的微粒散射点被运动的微粒散
14、射第35页，本讲稿共51页发射光发射光流体运动方向流体运动方向第36页，本讲稿共51页发射光照射到跟随流体一起运动的微粒发射光照射到跟随流体一起运动的微粒上时，光波在上时，光波在P点被运动的微粒散射点被运动的微粒散射散射光方向散射光方向第37页，本讲稿共51页散射光频率散射光频率fs将偏离入射光频率将偏离入射光频率fi，频率偏，频率偏移正比于物体的运动速度，称为移正比于物体的运动速度，称为多普勒多普勒频移频移。第38页，本讲稿共51页多普勒频移多普勒频移与微粒的运动速度，即流体的流速与微粒的运动速度，即流体的流速成正比。测量出多普勒频移就可以测量出流体成正比。测量出多普勒频移就可以测量出流体的
15、流速。的流速。第39页，本讲稿共51页对于固定光源对于固定光源LS发发出的光，根据多普出的光，根据多普勒效应勒效应,运动微粒运动微粒P（相当于入射光（相当于入射光的接受者）所接收的接受者）所接收到的频率到的频率fp为：为：第40页，本讲稿共51页对于运动微粒的对于运动微粒的散射光波（频散射光波（频率为率为fp），固），固定接收器定接收器PD接接收到的光波频收到的光波频率率fs为：为：第41页，本讲稿共51页 固定光源固定光源LS发发出的光波频率与出的光波频率与固定接收器固定接收器PD接接收到的光波频率收到的光波频率差为：差为：第42页，本讲稿共51页结论结论:微粒速度在方向微粒速度在方向ksk
16、i上的分量大上的分量大小小Vn与多普勒频移与多普勒频移fD呈线性关系呈线性关系第43页，本讲稿共51页通过改变光源与检测器的相对位置通过改变光源与检测器的相对位置,就可就可以得到微粒速度在任意方向上的分量大以得到微粒速度在任意方向上的分量大小小.把这些分量合成把这些分量合成,就可以得到微粒速就可以得到微粒速度度.第44页，本讲稿共51页2 常用的激光测速仪的光路系统常用的激光测速仪的光路系统分为参考光束系统、单光束系统和双光束系分为参考光束系统、单光束系统和双光束系统。统。第45页，本讲稿共51页参考光束系统参考光束系统第46页，本讲稿共51页分光镜分光镜照明光束和参照明光束和参考光束的强度考
17、光束的强度对比是对比是9：1发射透镜发射透镜运动微粒运动微粒小孔光阑小孔光阑接收透镜接收透镜第47页，本讲稿共51页参考光通过流体直接照射参考光通过流体直接照射到光电倍增管上到光电倍增管上照明光束照射到流体微粒照明光束照射到流体微粒P上，产生散射光，该散上，产生散射光，该散射光经射光经N和和L2也照射到光电倍增管上也照射到光电倍增管上第48页，本讲稿共51页光电倍增管接收到的散射光和参考光的频光电倍增管接收到的散射光和参考光的频率差即是多普勒频移率差即是多普勒频移fDV的分量的分量Vn正比于频移正比于频移第49页，本讲稿共51页3 激光器和散射微粒激光器和散射微粒激光器：激光器：氦氖激光器和氩离子激光器氦氖激光器和氩离子激光器第50页，本讲稿共51页散射微粒散射微粒需要添加散射微粒需要添加散射微粒第51页，本讲稿共51页