1、新能源科学与工程所新能源科学与工程所 谢应明谢应明第五章第五章 压力和速度测量压力和速度测量1.压力检测压力检测2.总压测量和总压管总压测量和总压管3.静压测量和静压管静压测量和静压管4.气流速度的测量气流速度的测量5.热线风速仪热线风速仪第五章第五章 压力和速度测量压力和速度测量垂直作用在单位面积上的力称为垂直作用在单位面积上的力称为压力压力(即物理即物理中的压强中的压强)，单位为，单位为“帕斯卡帕斯卡”，简称，简称“帕帕”，符号，符号为为”Pa”。(1)帕斯卡帕斯卡(帕帕)：Pa ;1 Pa=1 N m-2(2)标准大气压：标准大气压：atm;1atm=101.325 KPa(3)毫米汞柱
2、毫米汞柱(“乇乇”或或“托托”)：mmHg(Torr);1mmHg=1 Torr=1.333 10 2 Pa(4)巴巴：bar(B)1B=105 Pa ;1mB=0.1 KPa(5)毫米水柱：毫米水柱：1 mmH2O=9.806 Pa (4 oC)1 1、压力的定义和单位、压力的定义和单位5.1 5.1 压力检测压力检测牛顿/米2公斤/.厘米2毫米水银柱毫米水柱磅/英寸2标准大气压1牛顿/米2(帕斯卡)1.01.0197 10-57.5006 10-30.10201.4504 10-49.8692 10-61公斤/.厘米2(工程大气压)9.80671041.07.3556 1021.0 104
3、14.220.96781毫米水银柱(mmHg)1.3332 1021.3595 10-31.013.591.934 10-21.316 10-31毫米水柱(mmH2O)9.80641.0 10-47.3556 10-21.01.422 10-39.678 10-51磅/英寸2(psi)6.8947 1037.0307 10-251.7157.0307 1021.06.805 10-21标准大气压(atm)1.0133 1051.03327.60 1021.0332 10414.6961.0单位压力换算表单位压力换算表5.1 5.1 压力检测压力检测5.1 5.1 压力检测压力检测总压总压：气流
4、速度等熵滞止到零时所达到的压力，也叫气流速度等熵滞止到零时所达到的压力，也叫滞止压力滞止压力静压静压：静止气体所具有的压力静止气体所具有的压力动压动压：运动气流总压与静压之差（：运动气流总压与静压之差（v2/2）大气压力大气压力：地球表面的由于空气重量所产生的压力：地球表面的由于空气重量所产生的压力绝对压力绝对压力：是气体所处空间的全部压力：是气体所处空间的全部压力表压力表压力：表压力绝对压力大气压力表压力绝对压力大气压力，通常指通常指高高于于大气压的绝对压力与大气压力之差。大气压的绝对压力与大气压力之差。真空度真空度：大气压与低于大气压的绝对压力之差：大气压与低于大气压的绝对压力之差2、压力
5、的表示方法、压力的表示方法各种压力间相互关系各种压力间相互关系表压（正压）绝对压力的零线大气压力线绝对压力绝对压力真空度（负压）5.1 5.1 压力检测压力检测3、压力的检测方法及常用检测仪表、系统、压力的检测方法及常用检测仪表、系统A)A)、重力平衡法重力平衡法：通过仪表使液柱高度的重力或砝：通过仪表使液柱高度的重力或砝码的重量与被测压力相平衡的原理测量压力码的重量与被测压力相平衡的原理测量压力P=P1P2 =g(h1+h2)5.1 5.1 压力检测压力检测压力校验设备法码砝码盘活塞被校压力表加压泵油油杯活塞缸手轮5.1 5.1 压力检测压力检测B)B)、弹性力平衡法弹性力平衡法：利用各种形
6、式的弹性元件，在：利用各种形式的弹性元件，在被测介质的表压力或负压力作用下产生的被测介质的表压力或负压力作用下产生的弹性形弹性形变变来反映被测压力的大小来反映被测压力的大小 根据感受压力的弹性元件不同，弹性式压力计根据感受压力的弹性元件不同，弹性式压力计可分为：可分为：弹簧管弹簧管压力计、压力计、膜式膜式压力计和压力计和波纹管波纹管式式压差计等。压差计等。弹性元件变形产生的弹性元件变形产生的位移位移较小，往往需要把它较小，往往需要把它变换为指针的变换为指针的角位移角位移或或电信号电信号，以便显示压力的，以便显示压力的大小。大小。5.1 5.1 压力检测压力检测弹性式压力表结构和特点弹簧管式压力
7、表结构及特点：弹簧管式压力表结构及特点：结构简单，使用方便，结构简单，使用方便，价格便宜，使用范围广泛价格便宜，使用范围广泛，测量范围宽，测量范围宽可以测量负压、微压，可以测量负压、微压，低压、中压和高压低压、中压和高压是目前工业上用得最多是目前工业上用得最多的测压仪表的测压仪表测量精度最高可以达到测量精度最高可以达到0.15级。级。5.1 5.1 压力检测压力检测5.1 5.1 压力检测压力检测 注意：注意：合理选择量程。合理选择量程。不超过不超过35oC使用，否则要校正。使用，否则要校正。压力表指针平稳后，才能读数压力表指针平稳后，才能读数 定期校验。定期校验。C)C)、物性测量式物性测量
8、式：基于：基于在压力作用下测压元件在压力作用下测压元件的的某些物理特性发生变化某些物理特性发生变化的原理，如的原理，如电阻、电电阻、电荷量等的变化荷量等的变化5.1 5.1 压力检测压力检测a、压电式压力传感器、压电式压力传感器b、压阻式压力传感器、压阻式压力传感器c、电容式压力传感器、电容式压力传感器压电效应压电效应：一些电介质材料在一定方向上受到外力作：一些电介质材料在一定方向上受到外力作用时，其表面会出现正电荷和负电荷。当外力去掉后用时，其表面会出现正电荷和负电荷。当外力去掉后，它们又重新回到不带电状态。能产生压电效应的材，它们又重新回到不带电状态。能产生压电效应的材料称为压电材料。料称
9、为压电材料。Q=KF，K为压电系数。为压电系数。FF镀金属面镀金属面压电材料薄片利用压电材料的压电效利用压电材料的压电效应把压力信号转换为电应把压力信号转换为电信号，以达到测量压力信号，以达到测量压力的目的。的目的。a、压电式压力传感器、压电式压力传感器5.1 5.1 压力检测压力检测5.1 5.1 压力检测压力检测压电材料：压电晶体压电材料：压电晶体(石英石英)、压电陶瓷、压电陶瓷(锆钛酸锆钛酸 铅铅)特点：压电晶体的性能稳定，机械强度高，绝缘性特点：压电晶体的性能稳定，机械强度高，绝缘性能好，价格昂贵。压电陶瓷压电系数大，价格便宜能好，价格昂贵。压电陶瓷压电系数大，价格便宜，其它性能不如压
10、电晶体。，其它性能不如压电晶体。优点：频响高、灵敏度大、不需电源；优点：频响高、灵敏度大、不需电源；缺点：温度和湿度效应大、低频性能差，不适于稳缺点：温度和湿度效应大、低频性能差，不适于稳态测量、压电陶瓷的压电系数逐年降低。态测量、压电陶瓷的压电系数逐年降低。5.1 5.1 压力检测压力检测压阻效应压阻效应：硅、锗等半导体材料受外力作用时，：硅、锗等半导体材料受外力作用时，其电阻率发生变化的现象。压阻效应的强弱用压其电阻率发生变化的现象。压阻效应的强弱用压阻系数阻系数 来表示。利用压阻效应来测量压力的传感来表示。利用压阻效应来测量压力的传感器为压阻式传感器。器为压阻式传感器。R4R3R1R2p
11、输入输出RR1RR2RR3RR4b、压阻式压力传感器、压阻式压力传感器5.1 5.1 压力检测压力检测压阻式传感器的特点：压阻式传感器的特点：优点优点：灵敏度高、无迟滞、频响高、输出电平高、精度：灵敏度高、无迟滞、频响高、输出电平高、精度高、耐振及耐冲击性能好、功耗小、寿命长、设计及高、耐振及耐冲击性能好、功耗小、寿命长、设计及使用方便、可以小型化。使用方便、可以小型化。缺点缺点：零位温度漂移和灵：零位温度漂移和灵敏度温度漂移。敏度温度漂移。5.1 5.1 压力检测压力检测将弹性元件的位移转换为电容量的变化将弹性元件的位移转换为电容量的变化。c、电容式压力传感器、电容式压力传感器I0填充液（硅
12、油）固定电极可动电极P1转换放大单元 P2电容式压力传感器隔离膜片电容压力传感器结电容压力传感器结构紧凑、灵敏度高构紧凑、灵敏度高、过载能力大、测、过载能力大、测量精度可达量精度可达0.2级级、可以测量压力和、可以测量压力和差压。差压。5.1 5.1 压力检测压力检测(1)频响要求频响要求(2)精度精度(灵敏度、迟滞、线性度、重复性、灵敏度、迟滞、线性度、重复性、稳定性、温漂稳定性、温漂)(3)量程范围（量程范围（1/32/3）(4)介质种类（腐蚀性用不锈钢）介质种类（腐蚀性用不锈钢）(5)体积大小及接口尺寸体积大小及接口尺寸(6)补偿温度、使用温度补偿温度、使用温度(环境温度要求环境温度要求
13、)(7)性能价格比性能价格比(8)数据是否实时采集或只需观察等数据是否实时采集或只需观察等4、压力表的选用原则、压力表的选用原则5.1 5.1 压力检测压力检测1.压力检测压力检测2.总压测量和总压管总压测量和总压管3.静压测量和静压管静压测量和静压管4.气流速度的测量气流速度的测量5.热线风速仪热线风速仪第五章第五章 压力和速度测量压力和速度测量132132简单测压系统图简单测压系统图1-测压管（感受部分）测压管（感受部分）2-连结管（变送部分）连结管（变送部分）3-显示部分显示部分5.2 5.2 总压测量与总压管总压测量与总压管5.2.1、概述、概述5.2 5.2 总压测量与总压管总压测量
14、与总压管 什么是总压？什么是总压？如何测量如何测量总压总压？h最简单的总压管最简单的总压管总压管总压管要求要求：1.正对来流正对来流2.孔口无毛刺，壁面光滑孔口无毛刺，壁面光滑流体等熵滞止到零所具有的压力流体等熵滞止到零所具有的压力要求要求：由于实际流场的复杂性由于实际流场的复杂性(气流方向变，安装气流方向变，安装精度不高精度不高)总压管对气流方向越不敏感越好总压管对气流方向越不敏感越好不敏感偏流角（不敏感偏流角（p）：压力误差占速度头：压力误差占速度头1%时的时的气流方向变化的角度范围。该值越大越好气流方向变化的角度范围。该值越大越好大小大小：与具体与具体结构结构有关，圆头最小，带导流套最大
15、有关，圆头最小，带导流套最大与气体来流与气体来流速度速度有关有关5.2 5.2 总压测量与总压管总压测量与总压管敏感性用压力误差占速度头百分比表示：敏感性用压力误差占速度头百分比表示：其中，其中，Pa*测量值；测量值；P*实际值实际值a212ppVdd0.30.6d0.6d0.6d0.5ddddd-0.10-0.05-0.15-0.20-0.250010203040501020304050(度）2*21VPPa不同型式总压管对气流偏斜的敏感性不同型式总压管对气流偏斜的敏感性5.2 5.2 总压测量与总压管总压测量与总压管总压管结构对总压管结构对p有影响，圆头时较小，有导流套较大有影响，圆头时较
16、小，有导流套较大0-0.05-0.100102030405060-0.15=0.170.240.330.530.691.0dD（度）孔口直径与总压管型式对气流偏斜的敏感性孔口直径与总压管型式对气流偏斜的敏感性5.2 5.2 总压测量与总压管总压测量与总压管孔口直径越大，孔口直径越大，p越大，有导流套比圆头时更大越大，有导流套比圆头时更大2、总压管结构及其性能、总压管结构及其性能(A)、单点、单点L型总压管型总压管L30102030401234=0.240=0.8140.5350.623a(度)L1L2D3D4D2D1%*PPP 优点优点：结构简单、：结构简单、制造容易、最常见制造容易、最常见缺
17、点缺点：p小，小，(10150)，加扩，加扩张角后可达张角后可达3505.2 5.2 总压测量与总压管总压测量与总压管(B)、带导流套的总压管、带导流套的总压管优点优点：p增大，增大，达达(40450)缺点缺点：尺寸大，尺寸大，对流场产生影响对流场产生影响，不适用于小管，不适用于小管道测量道测量01020304050（度）1234*PPP=0.8140.6230.535 0.245.2 5.2 总压测量与总压管总压测量与总压管(C)、多点梳状总压管、多点梳状总压管优点优点：一次测多个一次测多个总压总压探点探点结构优化结构优化：加扩张角、加套加扩张角、加套筒筒a)b)c)a）凸嘴型）凸嘴型;b）
18、凹窝型）凹窝型;c）带套型）带套型一般可取一般可取a/D2.5s/d=3105.2 5.2 总压测量与总压管总压测量与总压管(D)、耙状总压管、耙状总压管优点优点：一次测多个总压一次测多个总压应用应用：汽轮机栅点总压：汽轮机栅点总压分布测量分布测量通常通常L=(1.21.3)t,t为叶栅栅距，为叶栅栅距，s/d=0.55,a/d=510,a/=245.2 5.2 总压测量与总压管总压测量与总压管1.多点总压管能同时测出多点的总压，但制造较多点总压管能同时测出多点的总压，但制造较复杂，对流场干扰大复杂，对流场干扰大2.梳状凸嘴型总压管和耙状总压管的不敏感偏流梳状凸嘴型总压管和耙状总压管的不敏感偏
19、流角角p较小较小3.梳状凹窝型的梳状凹窝型的p较大，但测量精度受气流扰动较大，但测量精度受气流扰动的影响较大的影响较大4.带套型的带套型的p最大，但结构较复杂最大，但结构较复杂 多点总压管的特点（梳状和耙状）多点总压管的特点（梳状和耙状）5.2 5.2 总压测量与总压管总压测量与总压管(E)、附面层总压管、附面层总压管结构结构：鸭嘴形鸭嘴形h=0.070.1mm,H=0.120.18mm测头距支杆：测头距支杆：2030mm放大特点特点：总压分布不均匀，平均压力大于中心测点压力总压分布不均匀，平均压力大于中心测点压力应用应用：壁面处附面层内总压分布：壁面处附面层内总压分布缺点缺点：存在滞后：存在
20、滞后5.2 5.2 总压测量与总压管总压测量与总压管1.压力检测压力检测2.总压测量和总压管总压测量和总压管3.静压测量和静压管静压测量和静压管4.气流速度的测量气流速度的测量5.热线风速仪热线风速仪第五章第五章 压力和速度测量压力和速度测量A.固体壁面固体壁面B.流场流场静压测量种类静压测量种类A.壁面静压孔壁面静压孔B.静压管静压管对应测量方法对应测量方法气流的静压：运动气流中气体本身的热力学压气流的静压：运动气流中气体本身的热力学压力，当感受器在气流中以气流相同的速度运动时力，当感受器在气流中以气流相同的速度运动时，感受到的就是气流的静压。，感受到的就是气流的静压。偏流角、偏流角、Ma数
21、、感受器的结构参数均对静压数、感受器的结构参数均对静压测量影响很大，比总压测量困难测量影响很大，比总压测量困难5.3 5.3 静压测量与静压管静压测量与静压管5.3.1 壁面静压测量壁面静压测量利用在通道壁面或绕流物体表面开静压孔的方利用在通道壁面或绕流物体表面开静压孔的方法进行测量法进行测量选取流线是直线的地方，即开孔处要有足够的选取流线是直线的地方，即开孔处要有足够的直管段，壁面要光滑平整，孔径不宜过大，直管段，壁面要光滑平整，孔径不宜过大，0.51.0mm孔轴方向及孔的几何形状对测量的影响极大，孔轴方向及孔的几何形状对测量的影响极大，静压孔轴线应垂直于气流方向静压孔轴线应垂直于气流方向5
22、.3 5.3 静压测量与静压管静压测量与静压管+0.2%1/4+0.3%+0.1%+0.9%45+0.4%-0.1%+0.5%0.0%-0.3%-0.1%8230D4530其中百分数表示其中百分数表示221/)(VPP孔口倾斜及倒角对静压测量影响孔口倾斜及倒角对静压测量影响孔口倒圆角产生正孔口倒圆角产生正误差，且随圆角半误差，且随圆角半径增加而加大；径增加而加大；孔口有倒角引起负孔口有倒角引起负误差误差需定期清洗孔口，需定期清洗孔口，避免粘附引起误差避免粘附引起误差5.3 5.3 静压测量与静压管静压测量与静压管5.3.2 静压管静压管测量气流中某一点处的静压测量气流中某一点处的静压要求要求1
23、.对气流的干扰尽可能的小对气流的干扰尽可能的小2.对气流方向的敏感性尽量小对气流方向的敏感性尽量小典型种类典型种类1.圆盘型静压管圆盘型静压管2.直角型直角型(L型型)静压管静压管3.带套管的静压管带套管的静压管5.3 5.3 静压测量与静压管静压测量与静压管（A）圆盘型静压管圆盘型静压管静压管与气流的流动方向静压管与气流的流动方向垂直，圆盘平面平行于气流方向垂直，圆盘平面平行于气流方向，测量值对与圆盘平面平行的气，测量值对与圆盘平面平行的气流方向变化不敏感，但对气流与流方向变化不敏感，但对气流与其轴向的夹角（其轴向的夹角（）变化极敏感）变化极敏感，通常要求，通常要求 0.3以后，须考虑气体的
24、压缩性效应以后，须考虑气体的压缩性效应在可压缩气体中必须测得温度后才能求得速度的绝对在可压缩气体中必须测得温度后才能求得速度的绝对值，如果应用值，如果应用 M数，可以免除这个麻烦数，可以免除这个麻烦)1()(2*PPV)1()(2*kPPPM-压缩性修正系数，与压缩性修正系数，与M数关系如下表数关系如下表M0.10.20.30.40.50.60.70.80.91.00.00250.01000.04000.04000.06200.09000.12800.17300.21900.27505.4 5.4 气流速度的测量气流速度的测量特点特点：结构简单，使用、制造方便，价格便宜，：结构简单，使用、制造
25、方便，价格便宜，坚固可靠，精度高坚固可靠，精度高毕托管测量的是空间某点处的平均速度，它的头毕托管测量的是空间某点处的平均速度，它的头部尺寸决定了它的空间分辨率部尺寸决定了它的空间分辨率根据所测量的流体性质，将动压管（毕托管为根据所测量的流体性质，将动压管（毕托管为L L型，使用最为广泛）设计成不同的形式型，使用最为广泛）设计成不同的形式其它的有其它的有D D形、吸气式、形、吸气式、遮板式和靠背式动压管遮板式和靠背式动压管等等5.4 5.4 气流速度的测量气流速度的测量（1）D型动压管型动压管笛形动压管笛形动压管：测量孔内感受的总压自动取平均值获：测量孔内感受的总压自动取平均值获得被测管道内的总
26、压，静压孔开在被测管道的壁面得被测管道内的总压，静压孔开在被测管道的壁面上，又称积分管上，又称积分管可测量尺寸较大的管道可测量尺寸较大的管道内的平均流速内的平均流速09.004.0/Dd5.4 5.4 气流速度的测量气流速度的测量（2）吸气式动压管）吸气式动压管含尘浓度较大的负压管道含尘浓度较大的负压管道由三层套管焊制而成：中心管由三层套管焊制而成：中心管1通外界大气，但在头部有通外界大气，但在头部有0.5的小孔与管的小孔与管2相通，当该相通，当该管 插 入 负 压 管 道 后，由 于管 插 入 负 压 管 道 后，由 于0.5的小孔距离被测气流很的小孔距离被测气流很近，管近，管2感受的可以认
27、为是被感受的可以认为是被测总压测总压静压孔则开在管静压孔则开在管3的周围，孔的周围，孔径径1，可开二排，可开二排5.4 5.4 气流速度的测量气流速度的测量（3）遮板式和靠背式动压管）遮板式和靠背式动压管应用于含尘浓度较大的场合应用于含尘浓度较大的场合遮板式是依靠遮板来阻止灰遮板式是依靠遮板来阻止灰尘直接进入测压管尘直接进入测压管靠背式则因测管孔径极大而靠背式则因测管孔径极大而不易堵塞。不易堵塞。这些测压管使用前都必须经这些测压管使用前都必须经过标定。过标定。5.4 5.4 气流速度的测量气流速度的测量能同时测出流体的总压及流速的大小和方向的测能同时测出流体的总压及流速的大小和方向的测压管称为
28、压管称为复合测压管复合测压管在平面流场的测量中，常用二元复合测压管测量在平面流场的测量中，常用二元复合测压管测量流体的总压、静压及流速的大小和方向。流体的总压、静压及流速的大小和方向。圆柱形、管束形和楔形圆柱形、管束形和楔形5.4.2 平面平面气流方向气流方向的测量与二元复合测压管的测量与二元复合测压管5.4 5.4 气流速度的测量气流速度的测量测量方法测量方法 方向测量通常有两种方法：对向测量和不对向测量。方向测量通常有两种方法：对向测量和不对向测量。（1）对向测量（转动法）对向测量（转动法）使探针绕其本身的轴转动使探针绕其本身的轴转动，当两测孔所指示的压力相等时，两孔的对称中心就与流动，当
29、两测孔所指示的压力相等时，两孔的对称中心就与流动方向一致。这时相对于一定的参考方向方向一致。这时相对于一定的参考方向(初始位置初始位置)就可以决定就可以决定流动方向角。流动方向角。（2）不对向测量（不转动法）不对向测量（不转动法）将两孔的对称轴固定将两孔的对称轴固定在某一参考方向，测量两孔的压力差，根据校正曲线在某一参考方向，测量两孔的压力差，根据校正曲线(两孔压两孔压差与流动方向的关系差与流动方向的关系)确定流体方向。确定流体方向。5.4 5.4 气流速度的测量气流速度的测量圆柱三孔型复合测压管（平面气流方向测试）圆柱三孔型复合测压管（平面气流方向测试）测量原理：测量原理：基于流体对物体绕流
30、时，物体表面的压力分布与流基于流体对物体绕流时，物体表面的压力分布与流动方向有确定关系动方向有确定关系90180P实验曲线20406080100 120-3-2-1 0 12V21PCp2sin41pC圆柱扰流的压力分布圆柱扰流的压力分布5.4 5.4 气流速度的测量气流速度的测量测量流测量流体总压体总压P2测量流动方测量流动方向向P1、P3圆柱三孔式探针圆柱三孔式探针2221VPP当总压孔正对来流方向时当总压孔正对来流方向时根据气流的速度根据气流的速度V气流的静压气流的静压P气流密度气流密度1222114sin 45 212PPVV 45 l2d d2.5mm21PPV可得5.4 5.4 气
31、流速度的测量气流速度的测量1p2p（1）方向孔）方向孔最佳位置最佳位置的确定：必须满足该点的压力对于气的确定：必须满足该点的压力对于气流方向角的变化率为最大，即对气流方向角改变最敏感流方向角的变化率为最大，即对气流方向角改变最敏感imummaxdPd（2）方向探针的）方向探针的灵敏度灵敏度dcP2dn221PPP 当两方向孔在同一平面内呈当两方向孔在同一平面内呈 90时，即时，即=45 时时，对方向最为敏感，对方向最为敏感5.4 5.4 气流速度的测量气流速度的测量 由于制造上的原因，孔由于制造上的原因，孔 2测得的压力测得的压力P2并不能严格地代表总并不能严格地代表总压，每根测压管在使用前必
32、须经过标定，一般说来，每根测压，每根测压管在使用前必须经过标定，一般说来，每根测压管的校准曲线都是不同的压管的校准曲线都是不同的 校准曲线应有校准曲线应有方向特性方向特性、总压特性总压特性与与速度特性速度特性三条三条1方向特性方向特性)(2131213fPPPPPX仅是方向偏角仅是方向偏角的函数的函数X5.4 5.4 气流速度的测量气流速度的测量2总压特性总压特性其中，其中，P*和和P分别是分别是校准风洞中的总压和静压，校准风洞中的总压和静压，由其它方法测出，而由其它方法测出，而P1、P2、P3分别由测压管分别由测压管1、2、3孔测出孔测出)(223122*fPPPPPX3速度特性速度特性),
33、(23312*MfPPPPPXv5.4 5.4 气流速度的测量气流速度的测量201001020 b)a)=0.482=0.612=0.87605 101520-5-10-15-20X0X0.50.51.01.00.750.500.25P1P2P3Xv=f()4545-1230.50.60.70.80.9P1/P20.6P3/P20.90.80.70.60.50.70.80.9P/P*P/P*0.90.80.70.6+-25201510=05-5-10-15-20-25=-30=30vX 速度特性速度特性 与来流与来流M数关系很大，若数关系很大，若M0.3，则，则0),/(/*23PPfPP0)
34、,/(/*21PPfPP即即M数对测压管的校数对测压管的校准曲线有影响准曲线有影响5.4 5.4 气流速度的测量气流速度的测量1.压力检测压力检测2.总压测量和总压管总压测量和总压管3.静压测量和静压管静压测量和静压管4.气流速度的测量气流速度的测量5.热线风速仪热线风速仪第五章第五章 压力和速度测量压力和速度测量 热线风速热线风速仪仪（Hot Wire Anemometer，简称，简称HWA），发），发明于明于20世纪世纪20年代。其基本原理是将一根细的金属丝放年代。其基本原理是将一根细的金属丝放在流体中，通电流加热金属丝，使其温度高于流体的温在流体中，通电流加热金属丝，使其温度高于流体的温
35、度，因此将金属丝称为度，因此将金属丝称为“热线热线”。当流体沿垂直方向流过金属丝时，将带走金属丝的一部当流体沿垂直方向流过金属丝时，将带走金属丝的一部分热量，使金属丝温度下降，热线根据强迫对流热交换分热量，使金属丝温度下降，热线根据强迫对流热交换理论，可导出单位时间热线的发热量应与热线对流体的理论，可导出单位时间热线的发热量应与热线对流体的放热量平衡。放热量平衡。根据不同的用途，热线探头还根据不同的用途，热线探头还做成双丝、三丝、热膜等做成双丝、三丝、热膜等5.5 5.5 热线风速仪热线风速仪a)b)c)a）一元热线探头）一元热线探头b）热膜探头）热膜探头c）三元热线探头）三元热线探头 测速仪
36、的测速仪的惯性小惯性小，最小的直径只有，最小的直径只有1微米，焊在两根支杆上微米，焊在两根支杆上，通过绝缘座引出接线。，通过绝缘座引出接线。热线材料多采用钨丝和铂丝，热线的细长比约为热线材料多采用钨丝和铂丝，热线的细长比约为300。热线两端涂覆以热线两端涂覆以12微米厚的铜金合金，使敏感部分只有中间微米厚的铜金合金，使敏感部分只有中间的那一段。的那一段。热线风速仪与微机联用，实现动态数据的处理。热线风速仪与微机联用，实现动态数据的处理。由于热线的由于热线的机械强度低机械强度低，承受的电流较小，不适合在液体或，承受的电流较小，不适合在液体或带有颗粒的气体中工作。在这种情况下可选用带有颗粒的气体中
37、工作。在这种情况下可选用热膜热膜，热膜是，热膜是由铂或铬制成金属薄膜。由铂或铬制成金属薄膜。5.5 5.5 热线风速仪热线风速仪热膜风速仪热膜风速仪5.5 5.5 热线风速仪热线风速仪5.5 5.5 热线风速仪热线风速仪热线风速仪热线风速仪)(2fwTTFRI其中：其中：流经热线的电流；流经热线的电流；热线的电阻，其数值与热线的材料几何尺热线的电阻，其数值与热线的材料几何尺寸有关。在热寸有关。在热 线材料和几何尺寸已定的条件下，它是线材料和几何尺寸已定的条件下，它是热线温度的函数；热线温度的函数；对流放热系数；对流放热系数；热线表面积；热线表面积；分别是热线和流体的温度，且分别是热线和流体的温
38、度，且 。IIRFfwTT、fwTT 5.5 5.5 热线风速仪热线风速仪根据根据能量平衡能量平衡可知：可知：由传热学中知道，无限长的圆柱体在流场中的由传热学中知道，无限长的圆柱体在流场中的对流换热系对流换热系数数和流体的导热系数和流体的导热系数、努谢尔数、努谢尔数Nu、热线直径、热线直径d有关有关而努谢尔数与雷诺数关系而努谢尔数与雷诺数关系nbaNuRe5.5 5.5 热线风速仪热线风速仪dNu211()()()wfwfnwwfwfnnRRTTI R Rab uRRa Fadb Fdbv流体速度流体速度是流过热线的是流过热线的电流电流和和热线热线电阻电阻（热线温度）的函数（热线温度）的函数5
39、.5 5.5 热线风速仪热线风速仪nfwfwffwTTbTTTTTTRIu/1002)()()()(1),(wTIfu 其中第三项可以看成流体温度其中第三项可以看成流体温度Tf和热线标定电阻的温度和热线标定电阻的温度T0不同时的修正值，当不同时的修正值，当Tf T0时修正值时修正值0。这时流体的速度只是电流和热线温度的函数这时流体的速度只是电流和热线温度的函数因此，只要固定因此，只要固定I和和Tw两个参数的任何一个，就可以获得两个参数的任何一个，就可以获得流体速度与另一参数的流体速度与另一参数的单值函数单值函数关系。关系。5.5 5.5 热线风速仪热线风速仪 热线在气流中的散热量与流速有关，而
40、散热量导致热线温度热线在气流中的散热量与流速有关，而散热量导致热线温度变化而引起电阻变化，流速信号即转变成电信号。主要有两变化而引起电阻变化，流速信号即转变成电信号。主要有两种工作模式：种工作模式：恒流式恒流式 如果在热线工作过程中，人为地用一恒值电流对热如果在热线工作过程中，人为地用一恒值电流对热线加热，由于流体对热线对流冷却，且冷却能力随着流速的线加热，由于流体对热线对流冷却，且冷却能力随着流速的增大而加强。当流速呈稳态时，则可根据热线电阻值的大小增大而加强。当流速呈稳态时，则可根据热线电阻值的大小确定流体的速度。确定流体的速度。恒温式恒温式 如果在热线工作过程中，始终保持热线的温度不变如
41、果在热线工作过程中，始终保持热线的温度不变，如保持，如保持150150，则可通过测得流经热线的电流值来确定流，则可通过测得流经热线的电流值来确定流体的速度。在体的速度。在实际测量电路中，测量的不是流经电路的电流实际测量电路中，测量的不是流经电路的电流，而是惠斯顿电桥的桥顶电压。，而是惠斯顿电桥的桥顶电压。5.5 5.5 热线风速仪热线风速仪 恒温式比恒流式应用更广泛恒温式比恒流式应用更广泛。热线长度。热线长度一般在一般在0.52毫毫米范围，直径在米范围，直径在110微米范围，材料为铂、钨或铂铑微米范围，材料为铂、钨或铂铑合金等。合金等。若以一片很薄若以一片很薄(厚度小于厚度小于0.1微米微米)
42、的金属膜代替金属丝，的金属膜代替金属丝，即为即为热膜风速仪热膜风速仪，功能与热丝相似，但多用于，功能与热丝相似，但多用于测量液体测量液体流速流速。热线除普通的单线式外，还可以是组合的热线除普通的单线式外，还可以是组合的双线双线式或式或三线三线式，用以测量各个方向的速度分量。式，用以测量各个方向的速度分量。热线风速仪与皮托管相比，具有探头体积小，对流场干热线风速仪与皮托管相比，具有探头体积小，对流场干扰小；响应快，能测量非定常流速；能测量很低速（如扰小；响应快，能测量非定常流速；能测量很低速（如低达低达0.3米秒米秒)等优点。等优点。5.5 5.5 热线风速仪热线风速仪 热线探头在使用前必须进行
43、热线探头在使用前必须进行校准校准。静态校准是在专门的标准风洞里进行的，测量流速与输出静态校准是在专门的标准风洞里进行的，测量流速与输出电压之间的关系并画成标准曲线；电压之间的关系并画成标准曲线；动态校准是在已知的脉动流场中进行的，或在测速仪加热动态校准是在已知的脉动流场中进行的，或在测速仪加热电路中加上一脉动电信号，校验热线测速仪的频率响应，电路中加上一脉动电信号，校验热线测速仪的频率响应，若频率响应不佳可用相应的补偿线路加以改善。若频率响应不佳可用相应的补偿线路加以改善。5.5 5.5 热线风速仪热线风速仪 热线测速仪的热线测速仪的优点优点是是（1）体积小，对流场）体积小，对流场干扰小干扰小
44、；（2）适用范围广适用范围广。不仅可用于气体也可用于液体，在气体。不仅可用于气体也可用于液体，在气体的亚声速、跨声速和超声速流动中均可使用；除了测量平的亚声速、跨声速和超声速流动中均可使用；除了测量平均速度外，还可测量脉动值和湍流量；除了测量单方向运均速度外，还可测量脉动值和湍流量；除了测量单方向运动外还可同时测量多个方向的速度分量。动外还可同时测量多个方向的速度分量。（3）频率响应高频率响应高，可高达，可高达1 MH z。（4）测量精度高，重复性好测量精度高，重复性好。热线测速仪的缺点是探头对。热线测速仪的缺点是探头对流场有一定干扰，热线容易断裂。流场有一定干扰，热线容易断裂。5.5 5.5
45、 热线风速仪热线风速仪 热线测速仪的热线测速仪的主要用途主要用途是是（1）测量）测量平均流动的速度和方向平均流动的速度和方向。（2）测量来流的）测量来流的脉动速度脉动速度及其频谱。及其频谱。（3）测量湍流中的雷诺应力及两点的速度相关性、时间相）测量湍流中的雷诺应力及两点的速度相关性、时间相关性。关性。（4）测量壁面）测量壁面切应力切应力（通常是采用与壁面平齐放置的热膜（通常是采用与壁面平齐放置的热膜探头来进行的，原理与热线测速相似探头来进行的，原理与热线测速相似（5）测量）测量流体温度流体温度（事先测出探头电阻随流体温度的变化（事先测出探头电阻随流体温度的变化曲线，然后根据测得的探头电阻就可确定温度。除此以外曲线，然后根据测得的探头电阻就可确定温度。除此以外还开发出许多专业用途。还开发出许多专业用途。5.5 5.5 热线风速仪热线风速仪
