熱線熱膜修正

1、2熱線風速儀2.1概述熱線風速儀是利用放置在流場中具有加熱電流的細金屬線（或金屬膜）來測量風速的儀器。它廣泛應(yīng)用于測量氣體和液體的流動速度，也可用于流體的溫度、密度和濃度的測量。熱線風速儀的原理性實驗是1902年由希開沛爾(shakepear)完成的。1914年，克英(king)提出了無限長熱線和流體之間的熱對流理論，推導出了著名的克英公式，從而奠定了熱線風速儀的理論基礎(chǔ)。在1929年德累頓(dryden)等人將熱線風速儀用在測量低速風洞氣流的湍流度之后，它已被認定是測量風洞氣流脈動的標準設(shè)備。50年代初，客伐斯茲奈(kovasznay)將熱線技術(shù)用于超聲速氣流，而熱線在跨聲速流的應(yīng)用卻是70

2、年代的事情。目前，熱線（膜）技術(shù)已應(yīng)用到液態(tài)金屬流、兩相流以及非牛頓流等特殊流動中。由于數(shù)字處理技術(shù)的發(fā)展，大大地擴展了熱線風速儀的功能，通過信號分析，信號的自相關(guān)、互相關(guān)以及振幅概率密度分布等都可以比較容易地獲得。熱線風速儀的原理性實驗是1902年中?？推鄱?shakepear)在伯明翰開始的，限于技術(shù)條件，被迫中途停頓。到了1909年肯尼耳里(kennelny)和累包欽斯基(riabouchtnsky)等人先后都提出了電子風速儀的概念。隨后就有不少學者對這一概念不斷完善，發(fā)表了一系列重要的文章，其中以1914年克英(king)關(guān)于無限長圓柱體和流體之間的熱對流理論最有代表性。它為熱線風速

3、儀奠定了理論基礎(chǔ)，并為后來熱線風速儀的設(shè)計提供了依據(jù)。熱線熱膜風速計（簡稱hwfa）的理論基礎(chǔ)誕生于1914年，這一年，克英（king）推導了無限長線在無限大流場中的熱對流方程，并且給出了解。這就奠定了hwfa的理論基礎(chǔ)。之后，人們致力于實現(xiàn)對平均速度的測量，其中包括對v型和x型探針型式的研究，以及對“恒溫”和“恒流”兩種工作模式的探討。1929年德雷頓（drydew）和潑來涅爾（planiol）把平均速度的測量推進到脈動速度和湍流度的測量，他們首先確定了恒流工作情況下的熱滯后效應(yīng)，并且發(fā)展了熱滯后的電子補償原理，從實踐上實現(xiàn)了電子補償線路。但是由于恒流流速計的熱滯后效應(yīng)大，電子補償困難多，難

4、以適應(yīng)熱膜技術(shù)的使用需要。特別是補償本身還必須隨流速而變，致使實際使用上存在著諸多不便，因而恒流流速計的發(fā)展在實際上困難重重，發(fā)展速度減慢。1934年茲格勒（ziegler）第一個制成了恒溫流速計，恒溫流速計熱滯后效應(yīng)小，反應(yīng)迅速，頻率響應(yīng)也較寬，這使得hwfa發(fā)展進入了一個新的發(fā)展時期，但是恒溫流速計的真正發(fā)展是在50年代電子技術(shù)獲得發(fā)展以后。目前已經(jīng)出現(xiàn)了頻率響應(yīng)超過1mhz的恒溫流速計，完全能夠滿足流體流動中各種頻率成分的測量需要。進入20世紀60年代以后，許多學者對恒溫流速計的動態(tài)響應(yīng)問題做了一系列的研究，并且提出了頻率響應(yīng)實現(xiàn)最佳化的理論和實際的方波試驗調(diào)節(jié)方法，這其中freymut

5、h和fingerson的工作達到了較為完整的地步，形成了一套理論和調(diào)節(jié)方法。與此同時，熱線技術(shù)的另一個發(fā)展就是對各種專門量的測量應(yīng)用。首先是對溫度、密度、濃度的測量，因為熱線的“制冷”效應(yīng)并非僅僅與速度有關(guān)，二十質(zhì)量流量的函數(shù)。其次是對極低速度的測量，因為極低速度下自然對流會干擾熱線的正常工作。再次就是在可壓縮流、超音速流、金屬流、兩相流、渦流中的應(yīng)用研究。但在這些特殊流動中遇到的問題遠比常規(guī)流場中多，許多問題還有待人們?nèi)パ芯拷鉀Q。進入20世紀80年代中后期，數(shù)字處理技術(shù)、計算機技術(shù)的迅速發(fā)展，極大地擴展了hwfa的信號分析能力。關(guān)聯(lián)、頻譜、振幅概率密度分布、高階矩等量都能很容易地得到，hwf

6、a具有連續(xù)測量信號的特點得到了充分應(yīng)用。但是freymuth理論基礎(chǔ)上hwfa仍然調(diào)節(jié)麻煩，使用不便，難于推廣應(yīng)用。1991年以北京大學盛森芝教授為首的研制小組研制成功的預(yù)移相型hwfa問世，1994年美國tsi公司購買了這一原理，并且利用這一原理制成了新的ifa300型研究用恒溫流速計，使hwfa技術(shù)達到了新的高峰。1990年六敏感元件渦量探針在德國問世，1999年新的修改型六敏感元件探針的制成并投入使用，給hwfa技術(shù)在復雜流場中的應(yīng)用又增添了新的景色?？v觀hwfa技術(shù)多年的發(fā)展史，可以看到：hwfa技術(shù)是湍流研究最為成功的儀器，它曾為流動研究做出了巨大貢獻，在ldv技術(shù)、piv技術(shù)迅速發(fā)

7、展的今天hwfa仍然是不可或缺的流動測試技術(shù)1 盛森芝，徐月亭，袁輝靖熱線熱膜流速計中國科學技術(shù)出版社，2003,7 1?？傊瑹峋€技術(shù)為流體平均速度和脈動速度的測量作出巨大貢獻，并且?guī)缀鯄艛嗔宋闪鳒y量領(lǐng)域。即使在激光流速計迅速發(fā)展的今天，也仍然不失其重要地位。這是因為和其他測速儀器相比，它具有慣性小，頻率響應(yīng)寬，靈敏度高，對流場干擾小的優(yōu)點；和激光流速計相比又具有訊號連續(xù)，不用在流場中加粒子，不受流場透明性的限制，而且成本較低，便于制造的優(yōu)點。熱線風速儀的主要優(yōu)點是：（）探頭尺寸非常小（熱絲直徑為0.001mm0.01mm），因而對流場干擾小；（）響應(yīng)頻率高（可高達1000khz），可響應(yīng)很

8、快的氣流脈動；（）靈敏度高，可以測出非常低的速度及其脈動速度；（）可以同時感受速度脈動、密度脈動和溫度脈動；（）熱線風速儀為連續(xù)測量，其信號容易進行統(tǒng)計處理，既可用模擬方式也可用數(shù)字方式處理。熱線風速儀的主要缺點是：（）屬于接觸測量，對流場仍有干擾；（）熱線探頭容易損壞；（）把熱線所感受的速度、密度和溫度脈動分開，需要對氣流特性作假設(shè)或者進行獨立測量。（）除非局限于高雷諾數(shù)和高的熱線溫度，否則分析可壓縮流（亞、跨聲速）的信號特別困難。由于熱線風速儀有上述特點，所以在實驗空氣動力學中得到廣泛的應(yīng)用，即使在激光測速儀迅速發(fā)展的今天，它仍是測量湍流參數(shù)最理想的儀器之一，有著廣泛的發(fā)展前途。2.2 熱

9、線（膜）探頭及熱線風速儀熱線風速儀的傳感器是用很細的金屬絲作成的熱線和熱膜探頭。金屬絲的直徑為0.5m10m，長度為0.1mm2mm。金屬絲的材料一般選用電阻溫度系數(shù)高、機械強度好的鎢絲或鉑絲，在測量高溫流場時，也有用鉑銥或鉑銠合金絲作熱線的。金屬絲的長短受兩種矛盾的要求所制約。一方面要求絲的長細比要大一些，以減小兩端支桿的影響；另一方面要求絲短一些，以提高空間分辨率。一般熱線的長細比選為100200之間，對于直徑為2.5m5m的金屬來說，其空間分辨率為0.5mm1mm。將金屬絲的兩端焊接到兩根叉桿上，叉桿的另一端接上引出線，再加上保護罩并在保護罩和叉桿之間裝以絕熱填料，就構(gòu)成了熱線探頭（又叫

10、探針）。為了減少叉桿的熱傳導可以在金屬絲的兩端鍍以銅或金，而僅僅保留中間線段作為傳感器元件。支桿通常用不銹鋼做成，直徑為0.2mm0.5mm，頂部被削成直徑為0.05mm0.1mm的半球形。叉桿被嵌在陶瓷管和尼龍管中并和不銹鋼組合在一起。整個探頭尺寸要做得很小，以免它對熱線部分所測參數(shù)產(chǎn)生干擾。熱線探頭可由一根、二根或三根金屬絲組成用以測量一元、二元和三元流動。幾種典型的熱線探頭見圖21。 (a) 平直絲 (b)彎頭絲 (c)單斜絲 (d)x絲 (e) 三絲圖2-1 幾種常見的熱線探頭結(jié)構(gòu) (a) 平直式 (b)圓錐式 (c)楔式 (d)圓柱底 (e) 分裂熱膜圖2-2 幾種常見的熱膜探頭結(jié)構(gòu)

11、熱膜探頭是將一層很薄的金屬膜(膜厚0.1m1m)噴濺在襯底上。襯底通常為石英或硼硅玻璃做成的圓柱體或錐形頭圓柱體。熱膜探頭與熱線探頭相比較，其主要優(yōu)點是：機械強度高，受振動影響小以及熱傳導損失小；主要缺點是：頻率響應(yīng)低，通常高頻上限僅為200khz(熱線可達1000khz)，工藝復雜，制造困難、價格高。熱膜探頭一般用于測量惡劣流場（導電流場、污染流場）、超聲速流場以及液體流場。幾種典型的熱膜探頭見圖2-2hwa在工作過程中是遵循熱平衡原理的。即任何時候金屬絲中由流速上升所耗散掉的熱量應(yīng)等于金屬絲電阻溫度升高所產(chǎn)生的熱量；反之，任何時候由流速降低所積累的熱量應(yīng)等于金屬絲電阻溫度降低所損失的熱量。

12、在這個熱平衡過程中必然要涉及流速、加熱電流、金屬絲電阻(或金屬絲溫度)三個基本量，它們之間存在著一定的固有聯(lián)系。當加熱電流保持恒定時，金屬絲電阻和流速之間建立了確定的關(guān)系，利用這個關(guān)系形成hwa時，我們稱之為恒流式流速計；當金屬絲溫度(或電阻)保持恒定時，金屬絲電流和流速之間建立了確定的關(guān)系，利用這個關(guān)系形成hwa時，我們稱之為恒溫式流速計。如下圖所示。圖2-3 恒流式流速計圖2-4 恒溫式流速計熱線風速儀按其工作方式有兩種基本類型：恒流式和恒流式。恒流式的工作特點是用一個較大電阻與熱線相串連，使流過熱線的電流基本上保持常數(shù)。恒溫式的特點是保持熱線的溫度為常值。恒流式的主要缺點是熱線的頻響不僅

13、取決于熱線的特性而且與流動特性有關(guān)。因此，放大器的頻率補償必須隨著平均流速的變化而作重新調(diào)整，故它不能用于流速變化比較快的場合，只適用于速度波動相對于平均速度是很小的場合。而恒溫式則具有熱滯后效應(yīng)很小、頻響寬的優(yōu)點，它可以用于測量快速變化的流場。故目前恒溫式熱線風速儀遠比恒流式用得普遍。本書所給出的熱線風速儀的校準和應(yīng)用公式都是在恒溫條件下得到的。2.3 熱線風速儀的基本原理熱線基本原理是加熱電流在金屬絲中所產(chǎn)生的焦耳熱與熱線在周圍流體中的熱耗散保持動平衡(圖25)。我們先研究金屬絲的熱耗散規(guī)律。金屬絲的熱耗散是一個非常復雜的現(xiàn)象。它在同一時刻發(fā)生了幾個物理過程，其中包括了熱傳導、熱輻射、自由

14、對流及強迫對流過程。圖2-5 熱線風速儀工作原理圖只是由于在大多數(shù)應(yīng)用場合下，流體和熱線之間的溫差不大于300，熱輻射量極?。划斄魉俅笥?.5m/s時，自由對流的影響可忽略；熱線探頭設(shè)計、制造時，盡量使沿線的熱傳導保持為一個小量。在這些條件下，熱線的熱耗散主要取決于強迫對流。通常的熱線探針就是在這種情況下工作的。金屬絲的熱耗散取決于以下的因素：介質(zhì)的速度、熱線和介質(zhì)之間的溫度差、介質(zhì)的物理特性、熱線的物理特性、熱線的尺寸、介質(zhì)的可壓縮性以及熱線和氣流方向的夾角等。采用無因次熱傳導系數(shù)來表示這些影響為 (21)式中nu努塞爾數(shù)，；h流體的對流傳熱系數(shù)；q耗散熱量；k流體的熱傳導系數(shù)；tw熱線溫度

15、；tf流體溫度；d熱線直徑；l熱線長度；pr普朗特數(shù)，；cp定壓比熱；運動粘性系數(shù)；gr格拉曉夫(grashof)數(shù)，；g重力加速度；熱膨脹系數(shù)；流體的粘度，=/，為氣流密度； a氣流方向與熱線法線的夾角。在實際使用中，一般都是一些特殊情況，式(21)可以簡化。譬如說，用熱線測量流速，當熱線已選定，則l/d，a是不變的，tw/tf是可以事先確定的，對于氣體和液體測量，當u0.5m/s，自由對流可以忽略，則可不計格拉曉夫數(shù)的影響，這樣式(21)可以簡化為 (22)下面討論幾種實用情況。(1)低速氣流不可壓縮i)克英公式這是最早最經(jīng)典的熱轉(zhuǎn)換方程，它可用于液體和氣體，有以下幾種形式 (23)式中a

16、和b為一定條件下的常數(shù)。或 (24) (25)式中iw熱線加熱電流；ew熱線加熱電壓；rw熱線工作電阻；u流體速度。ii）克雷默斯(kramers)公式 (26)此公式特別適用于液體，對于多數(shù)氣體也適用。公式適用范圍是0.71pr1000；0.01re1000iii)柯列斯(collis)和威洛斯(willuows)公式 (27)當0.02re44時，n0.45，a0.24，b0.5644re140時，n0.51，a0，b0.48當re44時，由于熱線后面產(chǎn)生旋渦，造成不連續(xù)點。此公式適用于氣體。典型的圓柱形熱線的熱耗散曲線見圖26。圖2-6 圓柱形熱線的熱耗散曲線(2)超聲速在超聲速流動中，

17、熱線的熱耗散特性與ma數(shù)關(guān)系不大。這是因為當來流ma數(shù)變化時，熱線所產(chǎn)生的正激波后面的ma數(shù)卻沒有很大的變化，激波很靠近熱線，它的位置與熱線的過熱比aw(aw(twtf)/tf)有關(guān)。客伐斯茲奈(kovasznay)提出的超聲速熱轉(zhuǎn)換公式為 (28)式中a0.58，b0.795，c0.18。此式適用于1.2ma5的范圍。實驗數(shù)據(jù)已證實了此式的正確性（圖2-7），盡管數(shù)據(jù)約有10的分散性。圖2-7 超聲速流中熱線的熱耗散曲線圖2-8 可壓縮流中熱線的熱耗散曲線(3)亞、跨聲速當0.3ma1.2，必須考慮氣體壓縮性的影響。洛威爾(lowell)引入了函數(shù)f(m)來計及可壓縮性效應(yīng)，其公式為 (29

18、)上式在中等溫度變化(圍繞熱線校正溫度50)范圍內(nèi)與實驗數(shù)據(jù)較一致(圖28)。從公式(29)知，努塞爾數(shù)是氣流方向的函數(shù)，用此特性即可測得氣流的方向。對于無限長線，熱絲感受到的有效冷卻速度僅與垂直分速度ucos a有關(guān)，即ueff= ucos a。 （2-10）對于一般有限長線，實際上存在沿線方向的熱對流換熱，于是須引入偏轉(zhuǎn)角系數(shù)k。 u2eff (a) = u2(cos2a + k2sin2a ) （2-11）在三維流動中，圖2-9探針坐標系有限長(l/d200)熱絲響應(yīng)應(yīng)包括偏轉(zhuǎn)角和俯仰角的影響，速度矢量u可以分解成法向ux、切向uy和副法向uz分量，一般地:u2eff = ux2 + k

19、2uy2 + h2uz2 （2-12） 其中 ux = ucosa cosq，uy= u sina，uz = ucosa sinq a為偏轉(zhuǎn)角，q為俯仰角，k為偏轉(zhuǎn)角系數(shù)，h為俯仰角系數(shù)。如果q = 0，u2eff (a) = u2 (cos2a + k2sin2 a ) 如果a = 0，u2eff(q ) = u2 (cos2q + h2sin2q )熱絲感受到的有效冷卻速度ueff、偏轉(zhuǎn)角系數(shù)k，俯仰角系數(shù)h可以從校準數(shù)據(jù)計算得到。 測量幾個未知量，至少需要幾個方程。一般地，測量二維速度場用雙斜絲探針，測量三維速度場用三斜絲探針。2.4 熱線風速儀的校準上一節(jié)給出了熱線在不同速度范圍的熱耗

20、散公式以及公式中的常數(shù)值。但實際測量中，為了得到準確的實驗數(shù)據(jù)，一般情況下都不直接使用這些公式和常數(shù)值，而對所用的每個熱線探頭進行校準，得到熱線的校準公式，在實際測量中，都使用熱線的校準公式。這樣作法的原因是：熱線探頭的性能隨制造工藝、探頭尺寸和金屬材料的不同而異，即使同一種熱線探頭，采用同樣的材料和尺寸，但由于熱線焊接有差異其性能也不可能完全相同；探頭的性能與流體的溫度、密度等物理性質(zhì)有關(guān)，與流體受污染的情況有關(guān)；熱線探頭是和電子儀器結(jié)合在一起使用的，因此熱線的真正響應(yīng)關(guān)系是建立在電子儀器的輸出電壓e和流動速度u之間的。熱線的校準對于測量的精確度起很重要的作用。低速一般在標準的校準風洞中進行

21、校準；高速一般在標準的噴管中進行校準；最好是能在所測風洞流場中直接進行校準。2.5影響熱線風速儀測量精度的因素影響熱線風速儀測量精度的因素熱線風速儀利用熱絲與周圍流體的換熱進行測量，影響此換熱的任何因素(除被測量)都會影響測量精度，包括非系統(tǒng)影響因素 (污染、水中氣泡、探針振動等)和系統(tǒng)影響因素(環(huán)境溫度變化、近壁效應(yīng)、熱絲上的旋渦脫落等)。1 污染的影響所謂探針污染是指流體中的污染物質(zhì)和細小顆粒沉淀吸附在熱線上，改變了熱線的傳熱特性，從而引起探針的特性偏離標定值。熱線對流體中懸浮的灰塵顆粒、污垢、油氣、化學物質(zhì)是極為敏感的。污染在液體中比氣體中更嚴重，在液體還有氣泡、礦物質(zhì)等的污染，溶解在液

22、體中的氣體在熱絲上會形成氣泡，導致?lián)Q熱減少，它們是改變探針速度和方向特性的最普通的原因。低速 高速圖2-10 液體中的氣泡一般情況下，熱線特性的這種變化是和熱線暴露在流體中的時間成比例的?？梢栽跍y量前后對熱線做校準，在測量使用時間的基礎(chǔ)上進行修正。當然，當對熱線的污染達到平衡時，熱絲的靜態(tài)特性不會再因污染而改變，但熱線的頻響將變壞。根據(jù)北京大學盛森芝等在氣體中測量的使用經(jīng)驗，一般正常工作的熱線，在工作40小時以后，即使溫度壓力和標定時的完全相同，標定曲線的讀數(shù)誤差仍可達到20%以上，這其中主要的因速就是雜志的污染，一般來說，污染源包括灰塵，污垢，油類物質(zhì)和化學物質(zhì)等。解決的辦法是過濾流體，檢查

23、標定結(jié)果，定時清洗探針，并且隨時保護在流體中的探針不受污染和損壞。經(jīng)驗表明，只要認真清洗探針，污染引起的標定曲線的漂移是很少的。清洗熱絲的一個成功方法是把熱絲放在有機溶劑（如酒精中加入甲醇）中浸泡熱絲，并用揚聲器以1560赫茲聲波振蕩液體，用這個方法可以除去90的灰塵。冷卻速度（m/s）圖2-11 溫度對熱線輸出電壓的影響2 溫度變化的影響 熱線測量受到溫度的影響。從減小測量誤差的角度來講，最好標定時的溫度與實際測量溫度相同，這樣就可以避免溫度對測量結(jié)果造成影響，但做到這一點是比較困難的。原因在與被測流體介質(zhì)隨設(shè)備系統(tǒng)，環(huán)境因素等而改變，因而要達到與校準溫度完全相同不太現(xiàn)實。除此之外，熱線本身

24、的加熱溫度催測量也有一定的影響，對于一般的測量而言，熱線的工作溫度越高，則輸出信號對速度變化越敏感，測量的誤差越小。但熱線溫度過高時，不僅會使探針表明出現(xiàn)氣泡，加劇化學反應(yīng)等，從而加速探針的污染，降低測量精度，而且容易燒壞金屬絲或縮短熱線的使用壽命。熱線風速儀的輸出電壓取決于速度和溫度。環(huán)境溫度增加，如果不修正，測得的速度會較低。圖 2-11 顯示了溫度對某熱線輸出電壓的影響。如忽視溫度的影響，將會帶來較大的測量誤差。減小溫度誤差的措施：（1）保持熱絲溫度恒定, 沿程測量溫度，修正輸出電壓；（2）在預(yù)期的溫度范圍內(nèi)校準，觀察速度和溫度的變化；（3）保持熱絲溫度恒定，測量環(huán)境溫度，修正輸出電壓。

25、當熱線校準時的溫度與使用時的環(huán)境溫度有差別時，應(yīng)作溫度修正。修正的方法有多種，下面給出一種簡單的溫度修正公式 （2-13） （2-14）式中em和ec測量和修正后的直流電壓值；tm熱線測量時的氣流溫度；tb熱線校準時的氣流溫度；aw熱線過熱比。2.5.3近壁影響當熱線接近壁面，距離小于2550倍熱線直徑時，壁面效應(yīng)就不能忽略。通常這種效應(yīng)將隨雷諾數(shù)的增加而下降，隨熱絲長徑比的減小而減小。此外，近壁效應(yīng)還和熱絲的過熱比、壁面材料、粗糙度和探頭的幾何形狀有關(guān)。熱線接近壁面時，其周圍的溫度場和速度場將受壁面的影響，當壁面溫度小于熱線溫度時，近壁效應(yīng)會使熱線的熱損耗增加，所以測量得到的速度將大于真實速

26、度。在測量壁面附面層速度時，要考慮近壁效應(yīng)的影響，采取適當?shù)男拚胧p小測量誤差。在邊界層研究中，探頭常常非常接近固體壁面，就會影響熱線周圍的溫度場和速度場，從而影響熱耗散。1970年雷霹克（repik）提出了以下的修正公式 （2-15）其中，為測量點的實際速度值；為其測量值；為無限遠外來的速度值。 （2-16） b為熱線到壁面的距離。 （2-17） 式中校正因子在1到0.5之間線性改變（）從2-12圖中可以看出，修正很接近于理論結(jié)果的，未修正的值可能大到實際速度的20%30%，所以邊界層測量中，壁面修正是必須的圖2-12 近壁修正3 探頭對流場的干擾 探頭體和支撐熱線的叉桿，它們對熱線的氣動

27、效應(yīng)是：使熱線的繞流速度場不同于運動的均勻速度場；當流動相對探頭體有偏角時，流動相對熱線的角度也就不同于遠場的流向角。經(jīng)研究表明：探頭體和叉桿的氣動干擾引起的最小誤差為1。（為減小氣動干擾，需將熱線的叉桿和探頭體順流動方向放置） 圖2-13 圓柱繞流特性 探頭體尾跡或支桿的尾跡，會引起分離點值位置的變化，從而改變分離點上游的速度分布。tritton指出：兩個探頭做相關(guān)測量時，它們之間會發(fā)生嚴重的干擾，即使一個探頭不直接在另一個探頭的尾跡中探頭體和支撐熱線的支桿會使熱線的繞流速度場不同于原有的實際速度場；當流動相對探頭有偏角時，流動相對熱線的角度也就不同原來的流向角度。這種干擾可以用大、小兩個熱

28、線探頭做對比實驗來校核。若兩個探頭測量結(jié)果相同，說明無干擾。為了減少或避免這種氣動干擾，在選用探頭型式和布置測量時要仔細考慮。探頭尾跡或支桿尾跡都會產(chǎn)生旋渦脫落，引起分離點位置的變化，從而改變分離點上游的速度分布。用兩個相近的探頭著相關(guān)測量時，它們之間會發(fā)生嚴重的干擾，即使一個探頭不直接在另一個探頭的尾跡中。和測量平均流的探頭相比，測量湍流的探頭，探針支桿需要更強的支撐，因為此時必須排除探頭的振動。這種振動可能來源于旋渦脫落，也可能來源于周圍環(huán)境。要選擇小的熱絲直徑，采用剛度和強度好的探針安裝，并采用適當?shù)臑V波消除旋渦脫落及振動對測量的影響。 4湍流度的影響流場湍流度的大小直接影響到熱絲探頭的

29、換熱。一般情況下，校準風洞的流場湍流度較低，被測流場的湍流度較高。用低湍流度下獲得的校準特性用于高湍流度下流場的測量，自然會帶來測量誤差。5 線傾角的影響 一般情況下都認為熱線線軸與來流方向垂直。但實際測量時，熱線往往與來流成一定的角度。當然，熱線的冷卻率主要決定于與熱線垂直的速度分量，但當熱線長度有限時，叉桿對平行與熱線的速度分量的擾動作用會導致端部損耗的增加。特別是有限長的熱線，終端損耗對來流方向非常敏感，所以必須對線傾角的影響進行修正。在無限長線當中(l/d1000)，如果沿線方向均勻加熱，并假定過熱比不大，那么由傳熱方向就可看出每單位長度的熱損失僅僅與垂直速度分量有關(guān)，其中為來流與x軸

30、之間的夾角，見圖所示。因此有圖 2-14 在xyz坐標系中的熱線探針 （2-18）式中為有效速度。實驗證明，只要l/d足夠大（l/d300），并且，那么實驗結(jié)果與按上式計算的結(jié)果基本一致。對于有限長的熱線漢茲(hinze)建議引進偏航因子，因而式(2-18)變?yōu)?（2-19） 這說明了傾斜熱線的熱耗散確實要比正常熱線在同樣法向速度分量值情況下更大些。這就證明了沿熱線軸線方向的速度分量也對熱耗散發(fā)生了影響。欽沛諾(champagne)的精確實驗表明，對于，是l/d的一個函數(shù)，當l/d200時，0.2，當l/d增加到600時，值減少到零。這個實驗也指出 與來流速度無關(guān)。 圖2-15為熱線的方向特性

31、，其中e (0)為傾角等于零的風速計輸出電壓。圖2-15 熱線的方向特性拂里嘿(eriehe)和斯克瓦茲(schwarz)指出，一般情況下有效速度可以寫作 （2-20）式中 是來流傾角的函數(shù)。例如，按照余弦定律可以給出。由漢茲公式可見 （2-21）拂里嘿指出 和是線性關(guān)系，即 （2-22）系數(shù)a和b至少決定于 l/d。由（2-20）可知 ，那么a+b=1。由式（2-22）我們可以寫出 （2-23）式（2-23）帶入式（2-20）得： （2-24）當傾斜角在范圍內(nèi)，可按照式（2-24）進行修正。b值可由下圖提供的曲線查找。 圖 2-16 6 密度的影響在一般氣動混合實驗中,為了評價氣體的混合速率

32、和流場的均勻性,通常需要測量流場的密度或是濃度，特別是對于低密度湍流混合問題要求測試儀器不僅具有較高的頻率響應(yīng)和空間分辨率,而且對弱小信號的響應(yīng)要比較敏感。我們知道傳統(tǒng)的熱線風速儀,一般都具有靈敏度高、響應(yīng)時間快的特點,而且也能做到較高的空間分辨率，但由于不同密度的氣流，尤其是低密度的氣流會對熱線測速儀的測試結(jié)果造成一定的影響，因此需要對測量結(jié)果進行一定的補償。一般給熱線風速儀加裝氣流密度(濃度)探頭，從實驗分析可以得出這樣的結(jié)論對于雙組分混合流場,其密度與輸出電壓的變化可以是線性函數(shù)關(guān)系，即： ( 2-25）其斜率a僅僅是真空度p的函數(shù),而采用不同結(jié)構(gòu)的探頭只影響其直線的截距。在密度測試中必

33、須準備數(shù)個探頭因為熱線探頭的強度一般是很低的,隨時可能被損壞所以熱線密度探頭的更換不影響其密度場測量的數(shù)據(jù) 這樣在測試過程中,只要標定出某一壓力時對應(yīng)的-e線性斜率并在更換探頭時按此斜率平移,便可與未更換時的探頭重合 使所有的測試數(shù)據(jù)具有連貫性綜上所述,配備有熱線濃度探頭的熱線風速儀作為測試混合流場的濃度分布是完全適用的對于低密度湍流混合流場,可以視其精度要求選擇相應(yīng)的測試儀器，又由于熱線風速儀給出的是連續(xù)信號，可以通過數(shù)字技術(shù)提高其測量精度。 -2.6 熱線風速儀的應(yīng)用熱線風速儀應(yīng)用范圍很廣，最常用于測量平均氣流速度和氣流方向，氣流湍流度、溫度以及雷諾應(yīng)力等，熱線還可用于測量空間速度和自相關(guān)

34、和相互相關(guān)，湍流的微分尺度和積分尺度，湍流的三階矩（偏斜因子）和四階矩（平坦因子）等。本節(jié)將簡單介紹單斜熱線在壓氣機轉(zhuǎn)子出口三維時均流場測量的應(yīng)用。2.6.1單斜熱絲測量三維流場的原理三絲熱線技術(shù)理論上是獲得總平均和紊流流場的最精確的技術(shù)。由于三絲探頭有六根支桿，所占體積比較大，很難分辨小尺度空間的強剪切流，而且探頭對流場的干擾較大，校準復雜，而且成本高、維修費用高。利用單斜熱絲對氣流的方向敏感性，把熱絲支桿繞自身軸線旋轉(zhuǎn)幾個角度位置，代替三絲探頭空間分布的三個敏感元件，可以用來測量三維流場。單斜熱絲的有效空間體積小得多，最小可達到左右，空間分辨率高，對流場干擾小，使用方便。正是因為這些原因，單斜熱絲技術(shù)受到許多研究人員的重視，并得到了很好的應(yīng)用。實際測量中要得到三維速度值，單斜熱絲至少應(yīng)放置三個角度位置。當熱絲繞自身軸線旋轉(zhuǎn)時，僅氣流對探針的偏轉(zhuǎn)角改變，俯仰角不變。探針旋轉(zhuǎn)個角度，就提供了個非線性關(guān)系式。如果只旋轉(zhuǎn)探針三個