流速測(cè)量PPT學(xué)習(xí)教案

1、會(huì)計(jì)學(xué)1 流速測(cè)量流速測(cè)量 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。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1頁(yè)/共26頁(yè) 2 0 1 2 ppconst 總壓力 靜壓力(靜壓)動(dòng)壓力(動(dòng)壓) 第2頁(yè)/共26頁(yè) 0 2 2 1 pp ppp 2)(2 0 )( T T p p b b b p 2 第3頁(yè)/共26頁(yè) 用馬赫數(shù)用馬赫數(shù)Ma表示可壓縮氣體流速表示可壓縮氣體流速： )1 ( 2 )1 ( 2 pk p a v Ma p v pk a 馬赫數(shù)： 流速： 當(dāng)?shù)芈曀伲?當(dāng)氣流馬赫數(shù)當(dāng)氣流馬赫數(shù)Ma大于大于0.3時(shí)，須進(jìn)行壓縮性修正。時(shí)，須進(jìn)行壓縮性修正。為壓縮性修正系數(shù)。為壓

2、縮性修正系數(shù)。 )1( 2 p Ma0.10.20.30.40.60.81.0 0.00250.01000.02250.04000.090000.17300.2750 第4頁(yè)/共26頁(yè) 2. 結(jié)構(gòu)型式結(jié)構(gòu)型式 直角型（直角型（L形）皮托管形）皮托管 帶半圓形頭部的標(biāo)準(zhǔn)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 P P0 0總壓力總壓力 P P靜壓力靜壓力( (靜壓靜壓) ) 第5頁(yè)/共26頁(yè) 2 0 2 ppK 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 P P0 0總壓力

3、總壓力 P P靜壓力靜壓力( (靜壓靜壓) ) 第6頁(yè)/共26頁(yè) n吸氣式（負(fù)壓管道）吸氣式（負(fù)壓管道） n遮板式（高塵氣流）遮板式（高塵氣流） n靠背式（高塵氣流靠背式（高塵氣流） 第7頁(yè)/共26頁(yè) 第8頁(yè)/共26頁(yè) 探頭形狀：探頭形狀： 球形球形 尖劈形尖劈形 圓柱形：普通圓柱形：普通 發(fā)散發(fā)散 聚合聚合 第9頁(yè)/共26頁(yè) 0 2 31 2 31 22 3 22 1 45 02cos 0 02sin2cos4 0 )( 2sin2sin2 )(sin1 2 1 )(sin1 2 1 得： 令： pp pp pp pp 圓柱三孔測(cè)速管探頭總壓孔與方向孔的夾角為圓柱三孔測(cè)速管探頭總壓孔與方向孔

4、的夾角為450時(shí)，方向靈敏度最高。這時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)干管，使：時(shí)，方向靈敏度最高。這時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)干管，使： 12 2 12 13 2022 1 2 2 2 1 )45sin41 ( 2 1 2 1 0 pp pp pppp pp 則： 第10頁(yè)/共26頁(yè) 三三.皮托管的標(biāo)定皮托管的標(biāo)定 1. 校準(zhǔn)風(fēng)洞校準(zhǔn)風(fēng)洞 射流式校準(zhǔn)風(fēng)洞組成：射流式校準(zhǔn)風(fēng)洞組成： 穩(wěn)流段，穩(wěn)流段， 收斂器。收斂器。 A、B兩點(diǎn)處總壓相等兩點(diǎn)處總壓相等。 pp pp pppp v BA BA 0 0 00 )(2)(2 第11頁(yè)/共26頁(yè) 第二節(jié)第二節(jié) 熱線流速儀測(cè)速熱線流速儀測(cè)速 v主要用途主要用途 用于測(cè)量氣體的平均流速、脈動(dòng)速度和流用

5、于測(cè)量氣體的平均流速、脈動(dòng)速度和流 動(dòng)方向。動(dòng)方向。 v主要優(yōu)點(diǎn)主要優(yōu)點(diǎn) 幾何尺寸較小，對(duì)氣體流動(dòng)干擾小，可幾何尺寸較小，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；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。后的氣流尾跡）測(cè)量。 第12頁(yè)/共26頁(yè) 1. 構(gòu)造構(gòu)造 探頭探頭：熱線、熱膜熱線、熱膜 一元、二元、三元一元、二元、三元 鉑、鎢、鉑鐒、鉑銥鉑、鎢、鉑鐒、鉑銥 信號(hào)和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)信號(hào)和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng) 2. 對(duì)探頭材料的要求對(duì)探頭材料的要求 電阻溫度系數(shù)大電阻溫度系數(shù)大 機(jī)械強(qiáng)度高機(jī)械強(qiáng)度高 電阻率高電阻率高

6、 熱傳導(dǎo)率小熱傳導(dǎo)率小 最高可用溫度高最高可用溫度高 材料材料單位單位鎢鎢鉑鉑鉑鐒鉑鐒鉑銥鉑銥 成分成分%10010090-1080-20 電阻溫度系電阻溫度系 數(shù)數(shù) / /0 0C C0.00350.00360.00160.0008 最大可用溫最大可用溫 度度 0 0C C 300800850750 抗拉強(qiáng)度抗拉強(qiáng)度MPa42002461000 典型可用直典型可用直 徑徑 m m50.5-11010 電阻率電阻率10-6cmcm5.51018.432 熱傳導(dǎo)率熱傳導(dǎo)率W/mK1786950.125.5 一一. 基本構(gòu)造基本構(gòu)造 第13頁(yè)/共26頁(yè) 1.1. 主要原理主要原理 通電探頭在流體中

7、的換熱規(guī)律。忽略軸向?qū)帷⑤椛鋼Q熱，只考慮熱絲（膜）與流體的對(duì)流換熱，有關(guān)系：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）電功率熱絲（膜）電功率 = 對(duì)流換熱量對(duì)流換熱量 恒定電流恒定電流通過(guò)電阻絲（熱線）時(shí)，熱線通過(guò)電阻絲（熱線）時(shí)，熱線發(fā)熱發(fā)熱 熱線溫度熱線溫度高低變化，高低變化，電阻值電阻值隨之發(fā)生變化隨之發(fā)生變化 氣體流過(guò)發(fā)熱體時(shí)，會(huì)帶走部分熱量，氣體流過(guò)發(fā)熱體時(shí)，會(huì)帶走部分熱量，發(fā)熱體降溫發(fā)熱體降溫 ；氣流帶走熱量多少與風(fēng)速大小有關(guān)系氣流帶走熱量多少與風(fēng)速大小有關(guān)系 可根據(jù)可根據(jù)熱線的電阻大小熱線的電阻大小來(lái)確定來(lái)確定氣流

8、速度值氣流速度值 2. 2. 實(shí)際測(cè)量實(shí)際測(cè)量 熱線阻值變化，電橋輸出電壓變化，氣體流速熱線阻值變化，電橋輸出電壓變化，氣體流速 可確定；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。標(biāo)定。 二二. 熱線風(fēng)速儀工作原理熱線風(fēng)速儀工作原理 ( ,) w vf I R 第14頁(yè)/共26頁(yè) 三. 熱線風(fēng)速儀的種類(lèi) 1.1.恒溫恒溫( (恒電阻恒電阻) )式式熱線風(fēng)速儀 氣體速度變 化 熱線溫度變熱線溫度變 化化 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

9、線溫度恢熱線溫度恢 復(fù)復(fù) 第15頁(yè)/共26頁(yè) 2.恒流式恒流式型熱線風(fēng)速儀 氣體速度變 化 熱線溫度變 化 熱線阻值變 化 橋臂電流變橋臂電流變 化化 電橋電路失 衡 控制電阻值Ra變化 橋臂電阻恢 復(fù) 橋臂電流恢橋臂電流恢 復(fù)復(fù) Ra電阻變化量確定流速電橋恢復(fù)平 衡 第16頁(yè)/共26頁(yè) 1. 方向特性 對(duì)流放熱系數(shù)K是流向角的函數(shù).隨著K減小 ,熱線風(fēng)速儀的電橋輸出電壓降低.電橋輸出電橋輸出 電壓與氣體流速、流向角的關(guān)系稱(chēng)為其電壓與氣體流速、流向角的關(guān)系稱(chēng)為其方向方向 特性特性 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,

10、應(yīng)選45的 熱線風(fēng)速儀. 比較：比較： 恒流式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。敏度越低，且存在相位滯后的缺點(diǎn)，故用得不多。 恒溫式恒溫式的頻率特性比恒流式好，用的比較多。的頻率特性比恒流式好，用的比較多。 第17頁(yè)/共26頁(yè) Doppler效應(yīng)效應(yīng)：任何形式的波在傳播時(shí)，波 源、接收器、傳播介質(zhì)、中間反射器或散射散射 體的運(yùn)動(dòng)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)速儀的工作原理一、激光多普勒測(cè)速儀的工作原理 激光測(cè)速儀是依據(jù)多普勒效應(yīng)設(shè)計(jì)而成的。激光激光測(cè)速儀是依據(jù)多普勒

11、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)生照射到具有一定速度的運(yùn)動(dòng)粒子上，產(chǎn)生多普勒多普勒 頻移頻移，頻率的頻移量與粒子的運(yùn)動(dòng)速度成比例關(guān)，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)第三節(jié) 激光多普勒流速儀測(cè)速激光多普勒流速儀測(cè)速 LDV: Laser Doppler VelocimeterLDV: Laser Doppler Velocimeter 第18頁(yè)/共26頁(yè) 一一. 工作原理工作原理 cos 1 )( 1 )( ) )( 1 ()1)(1 ( )1 ( )1 ( is i D

12、 is i is i isD is i si is s ps i ip KKVf KKVKKV c f fff c KKV f c KV c KV ff c KV ff c KV ff D i nn i D nis fvvf vVKK 2 sin2 2 sin 2 cos 2 sin2 第19頁(yè)/共26頁(yè) 二二. 測(cè)量多普勒頻移的基本測(cè)量多普勒頻移的基本 光路系統(tǒng)光路系統(tǒng) 直接測(cè)量法直接測(cè)量法 外差檢測(cè)法外差檢測(cè)法 1.1.參考光束系統(tǒng)（基準(zhǔn)光束系統(tǒng)）參考光束系統(tǒng)（基準(zhǔn)光束系統(tǒng)） 進(jìn)入光電檢測(cè)器進(jìn)入光電檢測(cè)器PDPD的兩束光：的兩束光： 參考光參考光 f fi i 散射光散射光 f fs s

13、D i n n i ir i isD ir is fv vKKVfff c KKV ff 2 sin2 2 sin 2 )( 1 ) )( 1 ( 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)得到它們的差頻，即光電檢測(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。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20頁(yè)

14、/共26頁(yè) 2.2.單光束系統(tǒng)單光束系統(tǒng) 光路布置光路布置 進(jìn)入光電檢測(cè)器進(jìn)入光電檢測(cè)器PDPD的兩束散射光的兩束散射光 f fs1 s1 fs2 D i n n i ss i ssD is is is is fv vKKVfff c KKV ff c KKV ff 2 sin2 2 sin 2 )( 1 ) )( 1 ( ) )( 1 ( 2121 2 2 1 1 特點(diǎn)：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；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； 光能利用率低光能利用率低 測(cè)量環(huán)境要求避光測(cè)量環(huán)境要求避光 因此單光束系統(tǒng)用得很少。因此單光束系統(tǒng)用得

15、很少。 第21頁(yè)/共26頁(yè) 3.3.雙光束系統(tǒng)雙光束系統(tǒng) 光路布置，光電檢測(cè)器光路布置，光電檢測(cè)器PDPD方向任意，方向任意， 進(jìn)入光電檢測(cè)器進(jìn)入光電檢測(cè)器PDPD的兩束散射光：的兩束散射光： f fs1 s1 fs2 D i n n i ii i ssD is is is is fv vKKVfff c KKV ff c KKV ff 2 sin2 2 sin 2 )( 1 ) )( 1 ( ) )( 1 ( 2112 2 2 1 1 特點(diǎn)：特點(diǎn)： fD與與KS無(wú)關(guān)；因此雙光束系統(tǒng)使用廣泛。無(wú)關(guān)；因此雙光束系統(tǒng)使用廣泛。 系統(tǒng)布置方案：系統(tǒng)布置方案： 前向散射型前向散射型：入射和接受光路布置

16、于試驗(yàn)段兩側(cè)，要開(kāi)：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。個(gè)窗口，信號(hào)強(qiáng)信噪比高。 后向散射型后向散射型：入射和接受光路布置于試驗(yàn)段一側(cè)，只開(kāi)：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，個(gè)窗口， 信噪比小。信噪比小。 第22頁(yè)/共26頁(yè) 三三. 判別流速和方向的移頻裝判別流速和方向的移頻裝 置置 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。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：帶頻移裝置的雙光束系統(tǒng)，經(jīng)移頻，入射光頻率為： 22 11 fff

17、 fff ii ii s i s ii ii s i ii ii F iis ffv D fffff 2 sin2 2 sin)( 2 sin2 2 sin)( 21 21 21 21 2121 干涉條紋移動(dòng)速度： 干涉條紋間距： 記： 因?yàn)橐驗(yàn)?f f1 1, ,f f2 2 fi , fi ,所以?xún)墒庀嘟粚a(chǎn)生干涉條紋。所以?xún)墒庀嘟粚a(chǎn)生干涉條紋。 第23頁(yè)/共26頁(yè) 四四. 激光器和散射微粒激光器和散射微粒 1. LDV1. LDV的組成：的組成： 激光器激光器 氦氖激光器，氦氖激光器，i i=6238=62381010-10 -10 m, m, 價(jià)格低功率小，常用。價(jià)格低功率小，常

18、用。 氬離子氬離子激光器，激光器，i=488010-10 m, 或或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)和高速氣流測(cè)量及后向型光路系統(tǒng) 分光束器（分光鏡）分光束器（分光鏡） 光聚焦發(fā)射系統(tǒng)（透鏡）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）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)頻率信號(hào)處理系統(tǒng) 2. 2. 散射微粒散射微粒 作用作用：示蹤，增強(qiáng)散射：示蹤，增強(qiáng)散射 要求要求： 良好的跟隨性良好的跟隨性 高的散射效率高的散射效率 良好的理化性能良好的理化性能 第24頁(yè)/共26頁(yè) 常用散射微粒：常用散射微粒： 被測(cè)流體被測(cè)流體可用散射微粒可用散射微粒 水水滑石粉，聚苯乙烯，脫脂牛奶滑石粉，聚苯乙烯，脫脂牛奶 油油氧化鐵氧化鐵 空氣空氣硅油，水蒸氣，煙