實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)5

1、第第5 5章章 熱線風(fēng)速儀與湍流測量熱線風(fēng)速儀與湍流測量 5.1 湍流測量儀器的基本要求湍流測量儀器的基本要求 5.2 熱線風(fēng)速儀的工作原理熱線風(fēng)速儀的工作原理 5.3 熱線風(fēng)速儀的校準(zhǔn)熱線風(fēng)速儀的校準(zhǔn) 5.4 熱線風(fēng)速儀測量方法熱線風(fēng)速儀測量方法 5.5 熱線技術(shù)在湍流測量中的應(yīng)用熱線技術(shù)在湍流測量中的應(yīng)用實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)一一.層流與湍流：層流與湍流：5.1 5.1 湍流測量儀器的基本要求湍流測量儀器的基本要求1.1.兩種流態(tài)兩種流態(tài)層流和湍流：層流和湍流：2320ReVdc雷諾試驗(yàn)（雷諾試驗(yàn)（18831883）臨界雷諾數(shù)臨界雷諾數(shù)圓管流動的兩種流態(tài)：圓管流動的兩種流態(tài)：雷諾實(shí)驗(yàn)雷諾實(shí)驗(yàn) 層流管

2、流層流管流 湍流管流湍流管流2.2.湍流的特征：湍流的特征： 湍流的流動參數(shù)在時間、空間上的分布具有一湍流的流動參數(shù)在時間、空間上的分布具有一定的隨機(jī)性，但又不完全是隨機(jī)運(yùn)動，湍流中還存定的隨機(jī)性，但又不完全是隨機(jī)運(yùn)動，湍流中還存在相干結(jié)構(gòu)在相干結(jié)構(gòu)。隨機(jī)性：隨機(jī)性：混合性：混合性：渦旋性：渦旋性：TudtTu01uuu時均速度：時均速度：湍流速度湍流速度= =脈動速度脈動速度時均速度時均速度+ +湍流的脈動現(xiàn)象與時均速度湍流的脈動現(xiàn)象與時均速度 統(tǒng)計特性與分析方法：統(tǒng)計特性與分析方法：熱線儀輸出信號熱線儀輸出信號3.3.層流轉(zhuǎn)捩為湍流：層流轉(zhuǎn)捩為湍流：伯勒德渦伯勒德渦 湍流不是純粹的隨機(jī)現(xiàn)象

3、。湍流中，在隨機(jī)湍流不是純粹的隨機(jī)現(xiàn)象。湍流中，在隨機(jī)的地點(diǎn)、隨機(jī)的時間不斷發(fā)生有顯著特征的流動的地點(diǎn)、隨機(jī)的時間不斷發(fā)生有顯著特征的流動結(jié)構(gòu)。這些結(jié)構(gòu)被稱為相干結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)。這些結(jié)構(gòu)被稱為相干結(jié)構(gòu)。 如圖為近壁區(qū)俯視圖。黑色低速條帶區(qū)如圖為近壁區(qū)俯視圖。黑色低速條帶區(qū)u u 00，灰色陰影是流向渦。典型的條帶間距為灰色陰影是流向渦。典型的條帶間距為 + +=100=100。4.4.湍流的相干結(jié)構(gòu)：湍流的相干結(jié)構(gòu)：流向渦與低速條帶：流向渦與低速條帶：馬蹄形渦（馬蹄形渦（HairpinHairpin渦）：渦）： 壁湍流：無控制（左）和吹吸控制（右）對流相渦的影響鯊魚皮與游泳衣鯊魚皮與游泳衣肋條減阻

4、：肋條減阻：改變壁面湍流相干結(jié)構(gòu)，從改變壁面湍流相干結(jié)構(gòu)，從而達(dá)到改變湍流的目的。而達(dá)到改變湍流的目的。湍流控制的概念：湍流控制的概念：二二. .湍流測量基本要求：湍流測量基本要求：測量系統(tǒng)應(yīng)滿足以下要求測量系統(tǒng)應(yīng)滿足以下要求: :檢測元件尺寸應(yīng)滿足以下要求檢測元件尺寸應(yīng)滿足以下要求: :1.1.僅引起可允許的最小干擾。僅引起可允許的最小干擾。1.1.儀器的慣性必須小，能及時響應(yīng)最快的脈動（一儀器的慣性必須小，能及時響應(yīng)最快的脈動（一般般5kHz5kHz）。）。2.2.小于湍流的最小渦的尺度（一般小于湍流的最小渦的尺度（一般1mm1mm）。）。2.2.儀器必須穩(wěn)定，至少在一次實(shí)驗(yàn)中校準(zhǔn)系數(shù)不儀

5、器必須穩(wěn)定，至少在一次實(shí)驗(yàn)中校準(zhǔn)系數(shù)不顯著變化。顯著變化。3.3.儀器必須足夠靈敏，能分辨脈動的微小差別儀器必須足夠靈敏，能分辨脈動的微小差別（一般脈動值平均值（一般脈動值平均值2%2%）。）。4.4.儀器必須有足夠的強(qiáng)度和剛度，不能因湍流儀器必須有足夠的強(qiáng)度和剛度，不能因湍流運(yùn)動引起振動或移動。運(yùn)動引起振動或移動。5.2 5.2 熱線風(fēng)速儀的工作原理熱線風(fēng)速儀的工作原理一一. .熱線風(fēng)速儀結(jié)構(gòu)：熱線風(fēng)速儀結(jié)構(gòu)： 熱線風(fēng)速儀通過感受暴露于流體中的電加熱絲（熱線風(fēng)速儀通過感受暴露于流體中的電加熱絲（膜）的熱傳輸?shù)淖兓瘉頊y量流體的速度。它的探頭尺膜）的熱傳輸?shù)淖兓瘉頊y量流體的速度。它的探頭尺寸小、

6、頻率響應(yīng)高，適用于湍流測量。寸小、頻率響應(yīng)高，適用于湍流測量。熱線儀輸出的橋電壓信號熱線儀輸出的橋電壓信號E EB B 模擬流速模擬流速 U U的變化：的變化：二二. .熱線熱線/ /熱膜探頭：熱膜探頭：直徑直徑150 m鎢絲鎢絲/鉑膜鉑膜 二維邊界層探頭二維邊界層探頭1243-201243-20氣體探針的白金膜直徑氣體探針的白金膜直徑5050 m m、敏感元件長、敏感元件長1mm1mm、叉桿間距、叉桿間距1.65mm1.65mm，溫度系數(shù)，溫度系數(shù)0.00240.0024 / / C C。熱膜探針的過熱比設(shè)在。熱膜探針的過熱比設(shè)在1.41.4左右即可。左右即可。1243-201243-20探

7、針正常工作時，探針的環(huán)境溫度應(yīng)在探針正常工作時，探針的環(huán)境溫度應(yīng)在150150 C C以下，敏感元件的最大工作溫度不超過約以下，敏感元件的最大工作溫度不超過約400400 C C，否則，否則可能損壞。一般在常溫空氣中，敏感元件的工作溫度可能損壞。一般在常溫空氣中，敏感元件的工作溫度為為250250 C C。 熱絲探頭熱絲探頭熱膜探頭熱膜探頭金屬敏感元件的材料性能：金屬敏感元件的材料性能：型號覆鉑鎢絲（氣體）覆鉑鎢絲（氣體）-T1.5鉑熱膜（氣體）鉑熱膜（氣體）鉑熱膜（液體）鉑熱膜（液體）-10-20-10W-20W電阻溫度系數(shù)電阻溫度系數(shù) 10.00420.0024最大環(huán)境溫度最大環(huán)境溫度15

8、0150/30030最大探頭工作溫最大探頭工作溫度度 30042567敏感區(qū)長度敏感區(qū)長度mm1.270.511.270.511.27叉尖距離叉尖距離mm1.021.651.021.65敏感區(qū)直徑敏感區(qū)直徑 m3.825.450.825.450.8三三.熱線測速儀的工作原理：熱線測速儀的工作原理： 有兩種類型的熱線測速儀：有兩種類型的熱線測速儀： 即恒溫式測速儀即恒溫式測速儀和恒流式測速儀。和恒流式測速儀。 常用的是恒溫式熱線測速儀：常用的是恒溫式熱線測速儀：1.1.電阻溫度關(guān)系：電阻溫度關(guān)系：1()samaRRTTRS 熱線工作電阻Ra 參考溫度下的熱線電阻 電阻溫度系數(shù)（ 1）Tm 熱線工

9、作溫度（沿柱長平均）Ta 流體(參考)溫度E 熱線儀輸出電壓U 流速A、B、n 校準(zhǔn)常數(shù)一般條件下： n 0.2(水)， n 0.5(空氣)2.2.熱線的靜態(tài)熱傳輸：熱線的靜態(tài)熱傳輸：King公式（無限長圓柱強(qiáng)迫對流傳熱解 ）電阻溫度關(guān)系：電阻溫度關(guān)系：1()samaRRTT恒溫式熱線儀恒溫式熱線儀反饋電路反饋電路E=EB3.3.恒溫式熱線儀的動態(tài)熱傳輸：恒溫式熱線儀的動態(tài)熱傳輸：)(12nasasBUARRRRII 通過熱絲的電流強(qiáng)度準(zhǔn)靜態(tài)近似準(zhǔn)靜態(tài)近似（Corrsin, 1963Corrsin, 1963）：）： 當(dāng)熱絲繞流的時間尺度遠(yuǎn)小于湍流當(dāng)熱絲繞流的時間尺度遠(yuǎn)小于湍流Kolmogor

10、ovKolmogorov尺尺度時，用熱絲的靜態(tài)熱交換規(guī)律近似描述熱絲動態(tài)特度時，用熱絲的靜態(tài)熱交換規(guī)律近似描述熱絲動態(tài)特性是完全可行的。性是完全可行的。即，用熱絲的靜態(tài)熱交換規(guī)律近似描述熱絲動態(tài)特性。即，用熱絲的靜態(tài)熱交換規(guī)律近似描述熱絲動態(tài)特性。 由平衡條件，單位時間內(nèi)熱絲的熱耗散等于同一由平衡條件，單位時間內(nèi)熱絲的熱耗散等于同一時間內(nèi)電流通過熱絲時產(chǎn)生的熱量。有：時間內(nèi)電流通過熱絲時產(chǎn)生的熱量。有：)(12nasasBUARRRRIdtdQ不平衡狀態(tài)下的能量守恒為：不平衡狀態(tài)下的能量守恒為： 在非定常流場中，熱絲與周圍流體間的熱交換處在非定常流場中，熱絲與周圍流體間的熱交換處于不平衡狀態(tài)，

11、熱絲產(chǎn)生的熱量將不等于流體帶走的于不平衡狀態(tài)，熱絲產(chǎn)生的熱量將不等于流體帶走的熱量。這時，有：熱量。這時，有：熱線的動態(tài)響應(yīng)方程為：熱線的動態(tài)響應(yīng)方程為： HhRIiRRrRrdtdHRmCsssss) 1() 1(2)(asRRR/熱慣性：熱線測速儀輸出的電信號出現(xiàn)的振幅衰減熱慣性：熱線測速儀輸出的電信號出現(xiàn)的振幅衰減和相位滯后的現(xiàn)象。和相位滯后的現(xiàn)象。, , nsssRRrIIiHABUHh上式中：上式中：為電阻的過熱比。為電阻的過熱比。 可用補(bǔ)償放大器將振幅衰減和相位滯后補(bǔ)償?shù)娇捎醚a(bǔ)償放大器將振幅衰減和相位滯后補(bǔ)償?shù)皆瓉淼乃?，以消除熱慣性的影響。并可適當(dāng)放大原來的水平，以消除熱慣性的影

12、響。并可適當(dāng)放大熱線信號，輸出足夠電平。熱線信號，輸出足夠電平。（a a）熱絲響應(yīng)）熱絲響應(yīng)恒溫式熱線風(fēng)速儀的頻率響應(yīng)調(diào)整：恒溫式熱線風(fēng)速儀的頻率響應(yīng)調(diào)整：方波試驗(yàn)橋電壓輸出的最佳信號波形方波試驗(yàn)橋電壓輸出的最佳信號波形 (b)(b)圓柱形熱膜響應(yīng)圓柱形熱膜響應(yīng) 空氣速度校準(zhǔn)儀空氣速度校準(zhǔn)儀1128B 1128B 壓縮空氣壓強(qiáng)傳感器空氣噴嘴探桿夾具5.3 5.3 熱線風(fēng)速儀的校準(zhǔn)熱線風(fēng)速儀的校準(zhǔn)一一.速度校準(zhǔn)儀：速度校準(zhǔn)儀：空氣速度校準(zhǔn)儀1128B 例：單熱絲探頭校準(zhǔn)曲線例：單熱絲探頭校準(zhǔn)曲線二二. .速度校準(zhǔn)：速度校準(zhǔn)：例：單熱絲探頭校準(zhǔn)曲線例：單熱絲探頭校準(zhǔn)曲線例：雙熱膜探頭校準(zhǔn)曲線例：雙

13、熱膜探頭校準(zhǔn)曲線44332210EAEAEAEAAU或者采用四次多項式擬合的校準(zhǔn)曲線：或者采用四次多項式擬合的校準(zhǔn)曲線： 校準(zhǔn)曲線（校準(zhǔn)曲線（KingKing公式）：公式）： 2()nEABU* *校準(zhǔn)時記錄氣壓、氣溫和給定風(fēng)速下的橋電壓；校準(zhǔn)時記錄氣壓、氣溫和給定風(fēng)速下的橋電壓； * *測量時由橋電壓計算風(fēng)速，并根據(jù)氣壓、氣溫對測量時由橋電壓計算風(fēng)速，并根據(jù)氣壓、氣溫對校準(zhǔn)結(jié)果進(jìn)行修正。校準(zhǔn)結(jié)果進(jìn)行修正。無限長熱線有效冷卻速度：無限長熱線有效冷卻速度：cosUUc2/1222)sin(cosTcKUU有限長熱線 敏感元件的方向性敏感元件的方向性三三. .方向校準(zhǔn)：方向校準(zhǔn)：X X探針的校準(zhǔn)：

14、探針的校準(zhǔn)： 雙絲校準(zhǔn)時，應(yīng)注意熱線的方位，不同方位雙絲校準(zhǔn)時，應(yīng)注意熱線的方位，不同方位下對流的影響不一樣。下對流的影響不一樣。 X X探針用于同時測量平面上兩個流速分量探針用于同時測量平面上兩個流速分量U U1 1和和U U2 2，以及湍流應(yīng)力的時間平均值。，以及湍流應(yīng)力的時間平均值。1.1.實(shí)驗(yàn)設(shè)備和模型：實(shí)驗(yàn)設(shè)備和模型： 變頻調(diào)速小風(fēng)洞。變頻調(diào)速小風(fēng)洞。5.4 5.4 熱線風(fēng)速儀測量方法熱線風(fēng)速儀測量方法2.IFA3002.IFA300采集數(shù)據(jù)：采集數(shù)據(jù)：打開校準(zhǔn)文件打開校準(zhǔn)文件命名數(shù)據(jù)文件命名數(shù)據(jù)文件輸入采樣點(diǎn)坐標(biāo)輸入采樣點(diǎn)坐標(biāo) 設(shè)置采樣率、數(shù)據(jù)量。設(shè)置采樣率、數(shù)據(jù)量。實(shí)驗(yàn)段：平板邊

15、界層實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)段：平板邊界層實(shí)驗(yàn)采樣信號波形圖界面（兩通道采樣信號波形圖界面（兩通道） 注意：測量與校準(zhǔn)時注意：測量與校準(zhǔn)時的熱線方位要一致。的熱線方位要一致。5.5 5.5 熱線技術(shù)在湍流測量中的應(yīng)用熱線技術(shù)在湍流測量中的應(yīng)用（1 1）時均速度：）時均速度：（2 2）湍流強(qiáng)度：）湍流強(qiáng)度：（3 3）相關(guān)系數(shù)：）相關(guān)系數(shù)：（4 4）雷諾剪應(yīng)力：）雷諾剪應(yīng)力：（5 5）耗散尺度：）耗散尺度：（6 6）泰勒微尺度：）泰勒微尺度：（7 7）積分尺度：）積分尺度：（8 8）偏斜因子：）偏斜因子：（9 9）平坦因子：）平坦因子：湍流量測量：湍流量測量： 習(xí)題習(xí)題1 1：簡述恒溫式熱線風(fēng)速儀的工作原理（繪原：簡述恒溫式熱線風(fēng)速