流體測量課件

1、第一部分 流體力學(xué)7 流體測量流體力學(xué) 泵與風(fēng)機1【知識點】靜壓測量，流速測量，流量測量?！灸芰δ繕?biāo)】掌握：流體中的靜壓測量方法。流體中的靜壓用測壓管測量時，注意探頭與流線一致，最好用有兩個或多個測孔的環(huán)狀測壓管。熟練掌握：皮托管、文丘里管、噴嘴流量計和孔板流量計的測量原理和方法。理解：測量速度和測量流量的其它方法和儀器。7 流體測量2流體測量和實驗研究是密切聯(lián)系的。實驗研究從古至今都是流體力學(xué)研究與發(fā)展的重要手段和方法之一，由于實際流動非常復(fù)雜，實驗研究和流體測量仍然是檢驗理論分析和數(shù)值計算結(jié)果最終的具有說服力的方法。如前面章節(jié)中介紹的管道內(nèi)層流與紊流兩種不同的流動狀態(tài)、管道內(nèi)紊流流動阻力系

2、數(shù)及速度分布等等都是實驗研究獲得的成果。工程中流體測量通常是各種流體的物理特性，如密度、粘度和表面張力等的測量，以及各種流動參數(shù)，如壓力、速度和流量等的測量。本章主要介紹流動參數(shù)測量的基本原理及方法。7 流體測量3 在第2章對流動流體中的靜壓作了定義，流體中靜壓不會因測量儀器而變化，為了精確測量流動流體中的靜壓，測量探頭及測點必須與流線一致，保證探頭不會產(chǎn)生對流動的擾動。在直管道內(nèi)，靜壓一般用測壓管和壓力表或U型管測壓計測量。測壓管在管道內(nèi)的開口應(yīng)該是垂直于管道軸線并保證表面光滑如圖7.1中a管所示。任何象圖7.1中c管那樣的突出都將產(chǎn)生測量誤差。據(jù)測算，如果突出達到2.5mm將會造成16的局

3、部流速水頭的變化，此時，測得的壓力低于未受擾動的液體壓力。因為流線擾動將使速度增加，并根據(jù)伯努利方程可知壓力降低。在測量管道內(nèi)靜壓時，最好在測量斷面上管道周圍開兩個或多個測孔以避免壁面不完善的影響，此時將使用一個環(huán)狀測壓管，如圖7.2所示。 7.1 靜壓測量5圖7.2 環(huán)狀靜壓測管圖7.1 測壓管圖7.3 流場中靜壓測管7.1 靜壓測量6 用靜壓管測量流場靜壓，如圖7.3所示，這種儀器通過在管道周圍對稱布置的靜壓管測孔將壓力傳輸?shù)綁毫τ嫽驕y壓表中。如果與流動完全一致則可以得到比較好的結(jié)果。事實上，通過測壓管孔的平均速度比未受擾動流場的速度略高，因此，測孔處的壓力一般比未受擾動的流體壓力低一些。

4、采用直徑盡可能小的靜壓管可以使誤差減小到最小。為了獲得流體壓力讀數(shù)，可以將測壓管與壓力表或壓力變送器相連，壓力變送器可以將壓力以數(shù)字形式顯示在屏幕上。 7.1 靜壓測量7畢托(Henri Pitot)在1733年首次用一根彎成直角的玻璃管測量了塞納河的流速。彎成直角的開口細管就是簡單的畢托管，是利用駐點壓力原理制成的一種常用的測速儀器。它具有可靠度高、成本低、耐用性好、使用簡便等優(yōu)點。畢托管原理是應(yīng)用伯努利方程，通過測量點壓強的方法來間接地測出點速度的大小。最簡單的畢托管就是一根彎成90的開口細管，如圖7.4所示。流動流體中，靜止物體最前緣點速度為0，稱為駐點或前駐點，駐點處的動能全部轉(zhuǎn)換為壓

5、力能，駐點處壓強稱為總壓P0，由伯努利能量方程可得：式中p、u -物體前未受擾動的來流的靜壓和速度。 7.2 畢托管測量流速8實際上，由于流體具有粘性，能量轉(zhuǎn)換時會有損失，還有畢托管放入流體后對流場的干擾等，所以上式中右端應(yīng)乘以一修正系數(shù)c，即： （式7.2）式中c修正系數(shù)，可由實驗確定，一般在1.01.04，標(biāo)準(zhǔn)畢托管通常為1.0。常用的畢托管是由一根測壓 管和一根測速管組成，它們 被制成一端裝有一半圓球探 頭的雙層套管，在兩管的另 一末端連接上壓差計，如 圖7.5所示。 圖7.5 常用畢托管的構(gòu)造7.2 畢托管測量流速10【例題7.1】 如圖7.6所示，在畢托管上連接酒精比壓計，測定風(fēng)管中

6、的某點風(fēng)速，已知微壓計測壓斜管的傾角 30，讀數(shù)l50mm ，酒精的容重 7.85kN/m 3，空氣的容重 12.68N/m 3 , 流速系數(shù)c1.0 ，試求管內(nèi)該點的風(fēng)速。 【例題7.2】 如圖7.5所示，為測量管內(nèi)某點A速度常用的畢托管。已知壓差計左右水銀柱液面高差h=0.02m，畢托管校正系數(shù)c=1.0，試求水中A點的速度。圖7.6 畢托管量測風(fēng)速 7.2 畢托管測量流速12激光多普勒測速儀是測量通過激光探頭的示蹤粒子的多普勒信號，再根據(jù)速度與多普勒頻率的關(guān)系得到速度。其基本原理是將激光投射到流動流體中一個固定的非常小的區(qū)域，實際上是一個點處。當(dāng)流體中小顆粒(約納米大小)或氣泡隨流體流過

7、測試區(qū)域時，LDV測得了光發(fā)散的多普勒偏移,可以精確地確定流速，或三個速度分量，并且不會擾動流場。如果有足夠多的顆粒，就可以測得連續(xù)的流動過程。由于是激光測量，對流場沒有干擾，測速范圍寬，而且由于多普勒頻率與速度是線性關(guān)系，和該點的溫度、壓力沒有關(guān)系，是目前世界上速度測量精度最高的儀器。7.3.2 激光多普勒測速儀（LDV)7.3 測量速度的其他方法14PIV是粒子圖像測速儀的簡稱，它是九十年代后期成熟起來的流動顯示技術(shù)的發(fā)展。它能夠同時測量一個面上幾萬個點的速度，是激光技術(shù)、數(shù)字信號處理技術(shù)、芯片技術(shù)、計算機技術(shù)、圖像處理技術(shù)等高新技術(shù)發(fā)展的綜合結(jié)果。其原理是利用激光發(fā)射出的快速脈沖照亮二個

8、面或一定體積內(nèi)的流體，流體中伴有中等密度、納米大小的顆粒或氣泡。對顆粒或氣泡的連續(xù)成像能夠非常好地可視化流場，并計算出流場中的速度矢量。PIV已經(jīng)應(yīng)用于單相和兩相流體測量。這種技術(shù)不僅精確而且不擾動流場。不過，實際的三維流動非常復(fù)雜，這種技術(shù)還處于發(fā)展的初級階段，PIV與LDV相比，最主要的優(yōu)點是可以測量更大區(qū)域內(nèi)的流體流動。7.3.3 粒子圖像測速儀（PIV）7.3 測量速度的其他方法15這兩種儀器都基于相同的原理，認為流速是與流動平行或垂直的水杯或葉片的旋轉(zhuǎn)速度的函數(shù)。用于水流速度的測量稱為水流計，用于空氣流速的測量則稱為風(fēng)速儀。因為產(chǎn)生的力取決于流體的密度和速度，所以風(fēng)速儀必須在比水流計

9、小的摩擦阻力下使用。這是最原始的方法，用于估計水流的平均流速，漂浮物隨水流漂動，一般水流是直線和均勻流動，水面擾動小，水流平均流速為漂浮速度的(0.85士0.05)倍。 7.3.4 水流計和風(fēng)速儀7.3.5 漂浮測量7.3 測量速度的其他方法16照相是流體力學(xué)研究中一種非常有效的方法之一，例如，在研究水流運動時，可以通過適當(dāng)?shù)膰娮煲胍恍┡c水具有相同容重的苯與四氯化碳混合物的微小顆粒，照相時，這些小顆粒將記憶在圖片中。如果將連續(xù)拍的照片表示在同一張圖中，就可以確定顆粒的運動速度和加速度。相類似的方法是利用作為直流電路負極的細絲上產(chǎn)生的氫氣泡，如果在細絲上加脈沖電壓，水將被電解而釋放出氫氣泡，氣

10、泡在細絲的固定點處產(chǎn)生，可以進行流動的可視化研究。7.3.6 照相和光學(xué)測量7.3 測量速度的其他方法17其他測量速度的儀器包括磁流速儀和聲流速儀。磁流速儀用于測量液體流速，液體作為導(dǎo)體，在通過磁場流動時將產(chǎn)生電壓，經(jīng)過適當(dāng)?shù)男Ｕ?，可以測量管內(nèi)平均流速。小的磁流速儀能夠測量流動流體中的局部流速，但是在邊界附近精度有所降低。聲流速儀取決于流動流體對聲波的效應(yīng)，如超聲波流量計，測得流速并計算出流量。以上這些儀器都非常貴，主要用于研究中，它們的優(yōu)點是不擾動流場。7.3.7 其他測速儀器與方法7.3 測量速度的其他方法18表7.1 各類流量計的主要性能和特點7.4 流量測量20續(xù)表7.17.4 流量測

11、量21如果用U型管測得兩個 斷面處的測壓管高度差 h，則上式為：因為，1和2兩斷面間會 有摩擦損失，實際流速小于理想流速，引入流量系數(shù) ，則流量為圖7.7 Venturi流量計7.4 流量測量23文丘里管能夠精確測量管道內(nèi)流體流量，除了安裝費用外，文丘里管唯一的不足是在管路中增加一個摩擦損失。事實上，所有損失都發(fā)生在漸擴管中，即圖中2和3斷面間，一般為靜壓差的10%到20%。d2/d1通常在1/4到3/4之間變化，常用比率是1/2。小比率可以提高壓力表讀數(shù)精度，但也伴隨更大的摩擦損失并可能在喉部產(chǎn)生不希望的低壓，在某些情況下會導(dǎo)致液體內(nèi)空氣釋放甚至液體汽化，影響測量精度。最佳的收縮角和擴散角表

12、示在圖7.7中，若角度稍微增加，可以縮短長度和降低成本。 7.4 流量測量24【例題7.3】 如圖7.8所示，求20水流過Venturi管時的流量，d1=800mm，d2=400mm，測壓管高度差h=150mmHg。圖7.8 例7.3圖7.4 流量測量26如果文丘里管中去掉漸擴管，則成為噴嘴流動，如圖7.9所示，這種結(jié)構(gòu)比文丘里管更適宜安裝在管道的法蘭之間。文丘里管的計算式同樣可以應(yīng)用于噴嘴流動，習(xí)慣上用流動系數(shù)對來流速度作修正，所以 (式7.4) K流動系數(shù)； A2噴嘴喉部面積，m2。 即 （式7.5）圖7.9 噴嘴流量計 7.4.2 噴嘴流量計7.4 流量測量27國際標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(ISA)推薦

13、的流動噴嘴如圖7.10所示，噴嘴直徑是喉部直徑d2。隨雷諾數(shù)變化不同直徑比率的流動系數(shù)K也要發(fā)生變化，像文丘里管流量計一樣，為了測量精確，噴嘴前直管段至少為10倍管徑。兩種不同布置的測壓孔結(jié)構(gòu)如圖7.9所示。圖7.10 標(biāo)準(zhǔn)噴嘴結(jié)構(gòu)圖7.4 流量測量28式中，A0是孔口面積，標(biāo)準(zhǔn)的 孔板流量計的流動系數(shù)K表示 在圖7.12中。K隨雷諾數(shù)的變 化，與文丘管管和噴嘴不同， 高雷諾數(shù)下，流動處于完全粗 糙區(qū)，K基本上是常數(shù)，但雷 諾數(shù)變小時，孔板流動系數(shù)K 是增加的，不同的d0/d1時，在 雷諾數(shù)為200600時，K達到最大值。低雷諾數(shù)下，粘性作用增加，使流速系數(shù)降低和收縮系數(shù)增大，并且后者比前者變

14、化更顯著，直到收縮系數(shù)接近l.0的最大值，隨雷諾數(shù)進一步降低，K因收縮系數(shù)降低而變小。圖7.12 孔板流量計的流動系數(shù)K變化圖7.4 流量測量30孔板流量計與文丘管管流量計和噴嘴流量計的差別是后兩者沒有收縮斷面，A2就是喉部面積并且固定不變，而孔口的A2是出流收縮斷面，是變化的，比孔口面積A0小。對于文丘里管和噴嘴，其流量系數(shù)實際上就等于流速系數(shù)，而對于孔口，其流量系數(shù)受到收縮系數(shù)變化的影響比流速系數(shù)變化影響還要大。壓差測量可以在孔口上游1倍管徑處和孔口下游約0.5倍管徑處的收縮斷面處，如圖7.10所示。收縮斷面處的距離不是恒定的，隨d0/d1的增加而減小。壓差還可以在孔板兩側(cè)的角落處測量，這

15、時法蘭蓋可以作為孔板流量計的一部分，而不需要測壓管與管道相連?？装辶髁坑嫷耐怀鰞?yōu)點是在管道上安裝便利，費用最低，其主要缺點是產(chǎn)生的阻力損失比文丘里管和噴嘴更大。7.4 流量測量31【例7.4】 孔板流量計，測得測壓管高度差h=600 mmH2O，管道直徑為d1=200mm，孔板直徑為d0=l00mm，求管內(nèi)20水的流量，若其它條件不變，求管內(nèi)20空氣的流量。7.4 流量測量32這是最普通的測量技術(shù)，包括孔板、文丘里管和音速噴嘴。DP流量計可用于測量大多數(shù)液體、氣體和蒸汽的流速。DP流量計沒有移動部分，應(yīng)用廣泛，易于使用。但堵塞后，它會產(chǎn)生壓力損失，影響測量精確度。流量測量的精確度取決于壓力表的

16、精確度。7.5.1 差壓流量計（DP）7.5 測量流量的其他方法33PD流量計用于測量液體或氣體的體積流速，它將流體引入計量空間內(nèi)，并計算轉(zhuǎn)動次數(shù)。葉輪、齒輪、活塞或孔板等用以分流流體。PD流量計的精確度較高，是測量粘性液體的幾種方法之一。但是它也會產(chǎn)生壓力誤差，以及需裝有移動部件。7.5.2 容積流量計（PD）7.5 測量流量的其他方法34它的主要形式是轉(zhuǎn)（?。┳恿髁坑嬋鐖D7.13所示，由錐形玻璃管和浮子組成。浮子能在垂直安裝的錐形玻璃管內(nèi)上下移動。被測流體自下向上流過管壁與浮子之間環(huán)隙時，托起浮子向上，這時管與浮子之間的環(huán)隙面積增大，直到浮子兩邊壓差所形成的力與浮子重力相等時，浮子便處在一

17、個平衡位置。流量變化時浮子兩邊壓差所形成的力也隨之變化，使浮子又在一個新的位置上重新平衡。浮子浮起的高度即為流量計的讀數(shù)。7.5.3 變面積流量計圖7.13轉(zhuǎn)（?。┳恿髁坑?.5 測量流量的其他方法35由傳感器和顯示儀表組成。傳感器主要由磁電感應(yīng)轉(zhuǎn)換器和渦輪組成如圖7.14所示。流體流過傳感器時，先經(jīng)過前導(dǎo)流件，再推動鐵磁材料制成的渦輪旋轉(zhuǎn)。旋轉(zhuǎn)的渦輪切割固殼體上的磁電感應(yīng)轉(zhuǎn)換器的磁力線，磁路中的磁阻便發(fā)生周期性的變化，從而感應(yīng)出交流電信號。信號的頻率與被測流體的體積流量成正比。傳感器的輸出信號經(jīng)前置放大器放大后輸至顯示儀表，進行流量指示和計算。渦輪轉(zhuǎn)速信號還可用光電效應(yīng)、霍耳效應(yīng)等轉(zhuǎn)換器檢出

18、。渦輪流量計可精確地測量潔凈的液體和氣體。和PD流量計一樣，渦輪流量計也會產(chǎn)生壓力誤差，也需要轉(zhuǎn)動部件。 7.5.4 渦輪流量計7.5 測量流量的其他方法36圖7.15 電磁流量計圖7.14渦輪流量計7.5 測量流量的其他方法37具有傳導(dǎo)性的流體在流經(jīng)電磁場時，通過測量電壓可得到流體的速度。電磁流量計有傳感器、轉(zhuǎn)換器和顯示儀表組成，根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律工作。傳感器主要由勵磁線圈和一對電極組成如圖7.15所示 。在用非磁性材料制成的、直徑為D的管道內(nèi)，導(dǎo)電液體若以速度v流動，切割由勵磁線圈感應(yīng)出的均勻磁通密度為B的磁場，則在流體方向和磁場方向都垂直的一對電極上感應(yīng)出電動勢ES，則ES=CBDV

19、，經(jīng)換算可得到體積流量。電磁流量計沒有轉(zhuǎn)動部件，不受流體的影響。在滿管時測量導(dǎo)電性液體精確度很高。電磁流量計可用于測量漿狀流體的流速。 7.5.5 電磁流量計7.5 測量流量的其他方法38超聲（波）流量計是一種利用超聲波脈沖來測量流體流量的速度式流量儀表，它從80年代開始進入我國工業(yè)生產(chǎn)和計量領(lǐng)域，并在90年代得到迅速發(fā)展。在管道上的縱向距離為 兩處 安裝兩組超聲波發(fā)生器和 接收器如圖7.16所示中的 （T1、R 1和T2、R 2）。 當(dāng)流體靜止時，聲速為c。 當(dāng)流體速度為v時，順流 的聲速為c+ v ，傳播時間 T1 ；逆流的聲速為 c- v ，傳播時間為T2。 7.5.6 超聲（波）流量計

20、圖7.16 超聲(波)流量計原理圖 7.5 測量流量的其他方法39通過測量時間差 來測量流速的方法稱為時間 法。由于時間差非常小，欲測 需要較復(fù)雜的電子線路，為簡化測量線路，用測量順逆兩個連續(xù)波之間的相位差（為連續(xù)波的角頻率）來求得流速的方法稱為相位差法。這兩種方法都需要準(zhǔn)確知道聲速，但液體中的聲速隨溫度變化。為消除因溫度差異而產(chǎn)生的誤差,可通過測量頻率差而求得流速。這種方法稱為頻率差法。像其他速度測量計一樣，超聲（波）流量計是測量體積流量的儀表。它是無阻礙流量計，如果超聲變送器安裝在管道外側(cè)，就無須插入。它幾乎適用于所有的液體，包括漿體等，測量精確度高，但管道的污濁會影響精確度。 7.5 測

21、量流量的其他方法40在流體中放置一個非流線型柱狀物（圓柱或三角柱形等），在某一雷諾數(shù)范圍內(nèi)便會在柱狀物后面的兩側(cè)交替地產(chǎn)生一種有規(guī)律的旋渦如圖7.17所示。當(dāng)兩側(cè)旋渦之間的距離與同側(cè)旋渦之間距之比滿足h/l=0.281時,渦窩是穩(wěn)定的，且有規(guī)則。 7.5.7 渦街流量計圖7.17 卡門渦街流量計原理圖7.5 測量流量的其他方法41根據(jù)斯特芬哈爾實驗得知旋渦產(chǎn)生的頻率與流體流速成正比，因此測出旋渦頻率即可得出體積流量。旋渦頻率信號可通過熱敏元件、熱絲、壓電晶體和應(yīng)變等元件檢測出來。渦街流量計主要用于工業(yè)管道介質(zhì)流體的流量測量,如氣體、液體、蒸汽等多種介質(zhì)。其特點是壓力損失小,量程范圍大,精度高,

22、在測量工況體積流量時幾乎不受流體密度、壓力、溫度、粘度等參數(shù)的影響。無可動機械零件，維護量小，儀表參數(shù)能長期穩(wěn)定，因此可靠性高,可在-20+250的工作溫度范圍內(nèi)工作。有模擬標(biāo)準(zhǔn)信號,也有數(shù)字脈沖信號輸出。但渦街流量計會產(chǎn)生噪音，而且要求流體具有較高的流速，以產(chǎn)生旋渦。 7.5 測量流量的其他方法42質(zhì)量流量計是測量質(zhì)量流量的流量計。一般質(zhì)量流量計測量的是體積流量，而流體密度是隨著溫度、壓力的變化而變化的。因此，在密度變化的情況下，求出的體積流量對某一規(guī)定的工況來說是不準(zhǔn)確的，而質(zhì)量流量與溫度、壓力變化無關(guān)。因此在一些情況下，就需要使用質(zhì)量流量計。質(zhì)量流量計可分為直接式和推導(dǎo)式兩類，如圖7.18所示是動量矩式質(zhì)量流量計，它是直接式質(zhì)量流量計的一種。儀表殼體內(nèi)的兩個葉輪分別裝在兩短軸上，中間有一隔離盤，在兩葉輪的輪緣上有若干直葉片作為流體的通道。電動機以恒定角速度驅(qū)動主動葉輪，使流體具有與主動葉輪相同的角速，并產(chǎn)生與質(zhì)量流量成比例的動量矩，作用在從動葉輪上。 7.5.8 質(zhì)量流量計7.5 測量流量的其他方法43從動葉輪因被彈簧限制不能旋轉(zhuǎn)而吸收動量矩。因此測出彈簧的制動力矩，就可知道動量矩的變化，也即測得質(zhì)量流量。推導(dǎo)式質(zhì)量