傳熱發(fā)生變化課件

湍流的幾種測量方法高南2007年12月20日湍流的幾種測量方法高南內(nèi)容可視化Flowvisualization數(shù)據(jù)采集DAQ速度熱線，PIV，LDV壓強(qiáng)平均壓強(qiáng)，脈動壓強(qiáng)部分內(nèi)容下載自Dantec,NationalinstrumentValidyne,Omega,Panasonic網(wǎng)站內(nèi)容可視化Flowvisualization部分內(nèi)容下載流場可視化

Flowvisualization“Seeingisbelieving”“沒有照片，沒有真相”流場可視化

Flowvisualization“Seein流場可視化

Flowvisualization空氣實(shí)驗(yàn)發(fā)煙線smokewire干冰dryice人造霧(油滴，液滴，舞臺霧發(fā)生器)水動力實(shí)驗(yàn)染料dyeinjection氫氣泡Hydrogenbubble激光引發(fā)熒光Laserinducedfluorescent流場可視化

Flowvisualization空氣實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集各種信號通過計算機(jī)記錄下來的系統(tǒng)把模擬信號(-5V到+5V或者其他范圍)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號,Analog-Digital(AD)，反過來稱DANationalInstrument數(shù)據(jù)采集各種信號通過計算機(jī)記錄下來的系統(tǒng)采集過程

傳感器-信號處理-模擬數(shù)字AD轉(zhuǎn)換-記錄傳感器輸出的信號量級應(yīng)力應(yīng)變片:微伏熱電偶:毫伏熱線風(fēng)速儀:伏信號到DAQ前預(yù)處理放大gain，移動offset模數(shù)轉(zhuǎn)換AD使用轉(zhuǎn)換卡DataAcquisitionCard(DAQ)又稱digitizer通過軟件記錄數(shù)據(jù)一般通過軟件Labview編程采集過程

傳感器-信號處理-模擬數(shù)字AD轉(zhuǎn)換-記錄傳感器輸出數(shù)據(jù)采集卡DAQCard采集卡適用方法,PCI,PCMCIA,USB等通道數(shù),16AD,2DA位數(shù):12,14,16bits,決定精度,10V/212采樣速度:10MHz-1GHz輸入范圍，+-5V等價格，1500-15000RMB數(shù)據(jù)采集卡DAQCard采集卡與DAQ卡通信方法:與DAQ卡通信方法:熱線風(fēng)速儀

Hot-WireAnemometry測量流場的平均和脈動速度修改過的電路可以測量平均和脈動溫度熱線風(fēng)速儀

Hot-WireAnemometry測量流場的細(xì)小的金屬絲(一般為鎢絲或者白金絲)處于來流速度U的流場中.當(dāng)電流通過金屬絲,會生成熱(I2Rw).當(dāng)進(jìn)入平衡狀態(tài)，這些熱被對流換熱帶走熱線工作原理

Principlesofoperation細(xì)小的金屬絲(一般為鎢絲或者白金絲)處于來流速度U的流場中.恒溫測量系統(tǒng)

ConstantTemperatureAnemometerCTA原理:

傳感器的電阻被放大器維持恒定優(yōu)點(diǎn)(對比恒流測量系統(tǒng)): - 簡單易用 - 高頻率響應(yīng) - 低噪 - 被廣泛接收缺點(diǎn): - 價格高于恒流系統(tǒng)恒溫測量系統(tǒng)

ConstantTemperatureAn控制方程GoverningequationIGoverningEquation:

E=金屬絲熱能thermalenergystoredinwire

E=CwmT

Cw

=金屬絲比熱heatcapacityofwirem=金屬絲質(zhì)量massofwire

W=發(fā)熱量powergeneratedbyJouleheating

W=I2Rw

而Rw=Rw(Tw)

H=換熱量heattransferredtosurroundings控制方程GoverningequationIGover

Heat

transferredtosurroundings (對流convectiontofluid +傳到conductiontosupports +輻射radiationtosurroundings)對流Convection Qc=Nu·A·(Tw-Ta)

Nu=h·d/kf=f(Re,Pr,M,Gr), Re=U/傳導(dǎo)Conduction f(Tw,lw,kw,Tsupports)輻射Radiation f(Tw4-Tf4)控制方程GoverningequationIIHeattransferredtosurround簡化分析Simplifiedanalysis穩(wěn)態(tài)傳熱:

W = HI2Rw=hA(Tw–Ta)I2Rw=Nukf/dA(Tw–Ta)

h = 對流換熱系數(shù)filmcoefficientofheattransfer A = 對流換熱面積heattransferarea

d = 金屬絲直徑wirediameter

kf = 流體的導(dǎo)熱系數(shù)heatconductivityoffluid

Nu = 紐希爾特數(shù)dimensionlessheattransfercoefficient強(qiáng)制對流的條件下Forcedconvectionregime,

Nu=A1+B1·Ren=A2+B2·Un

I2Rw2=E2=(Tw-Ta)(A+B·Un) “King’slaw”電壓的變化是流場速度的函數(shù)簡化分析Simplifiedanalysis穩(wěn)態(tài)傳熱: 電壓的變化是流場速度的函數(shù)例子，當(dāng)King’slawcoeff.A=1.51,B=0.811,n=0.43)

Outputvoltageasfct.ofvelocity流速電壓輸出電壓的變化是流場速度的函數(shù)例子，當(dāng)King’slawc探頭分類熱線探頭盡可能先選用熱線價廉，響應(yīng)快，可以維修熱膜探頭當(dāng)測量水流速或者測量環(huán)境較臟的時候，選用熱膜代替熱線響應(yīng)速度較慢，不能修復(fù)絕緣，不受化學(xué)、機(jī)械干擾熱線熱膜探頭分類熱線探頭熱線熱膜對探頭的要求為了達(dá)到較高的頻率響應(yīng)，總體來說，金屬絲的熱容量(heatcapacity)應(yīng)該越小越好.其他要點(diǎn):

越小越好(測量的空間解析力<探頭大小)

長徑比(l/d)應(yīng)該大約100，兩端的影響才可以忽略不計

金屬絲應(yīng)該耐高溫，這樣可以在高溫度下運(yùn)行實(shí)驗(yàn)，降低噪音影響

同樣溫度變化，金屬絲電阻變化越大越好，這樣也可以減低噪音對探頭的要求為了達(dá)到較高的頻率響應(yīng)，總體來說，金屬絲的熱容量熱線的標(biāo)定標(biāo)定-找到流場速度和傳感器輸出的一個函數(shù)關(guān)系

U=f(E)空氣熱線的標(biāo)定標(biāo)定-找到流場速度和傳感器輸出的一個函數(shù)關(guān)系熱膜標(biāo)定 熱膜在水中的標(biāo)定

- 如圖所示，用一個容器形成射流，估算流速 - 把探頭放到滑車上在水里拖動水熱膜標(biāo)定 熱膜在水中的標(biāo)定 水 典型的標(biāo)定曲線熱線標(biāo)定曲線

回歸曲線Curvefit(velocityUasfunctionofoutputvoltageE): U=C0+C1E+C2E2+C3E3+C4E4

速度輸出電壓 典型的標(biāo)定曲線熱線標(biāo)定曲線速度輸出電壓應(yīng)對方法:探頭被污染熱線容易被以下物質(zhì)污染灰塵dustparticles油滴oilvapours 化學(xué)物質(zhì)chemicals導(dǎo)致敏感度下降，標(biāo)定曲線便宜熱線響應(yīng)速度下降解決辦法Cure清理熱線 Cleanthesensor重新標(biāo)定 Recalibrate

應(yīng)對方法:探頭被污染熱線容易被以下物質(zhì)污染應(yīng)對方法:環(huán)境溫度發(fā)生變化環(huán)境溫度變化的影響

傳熱大小正比于探頭和環(huán)境的溫差E2=(Tw-Ta)(A+B·Un)

如果Ta

發(fā)生變化: - 傳熱發(fā)生變化 - 流體性質(zhì)發(fā)生變化

在空氣中測量: - 探頭溫度較高 - 空氣性質(zhì)變化較小

水的性質(zhì)變化相對較大，探頭溫度較低，所以溫度變化在液體中測量影響更大:

應(yīng)對方法:環(huán)境溫度發(fā)生變化環(huán)境溫度變化的影響X型探頭測量二維流場X型探頭(兩線和探頭的軸成±45o):利用角度變化，熱線的輸出會發(fā)生變化的現(xiàn)象這樣速度被分解成(U,V)whereU1andU2inwirecoordinatesystemarefoundbysolving:

X型探頭測量二維流場X型探頭(兩線和探頭的軸成±45o利用照相的方法測量流場速度連續(xù)拍攝兩張照片間隔時間已知距離通過圖片求得可得物體移動速度這就是PIV基本原理利用照相的方法測量流場速度連續(xù)拍攝兩張照片ParticleImageVelocimetry(PIV)PIV利用電子拍照，數(shù)據(jù)處理等現(xiàn)代方法是一個全流場測量技術(shù),它在一個平面內(nèi)給出一個瞬時的流場速度一般測量兩個速度分量如果使用stereoscopic方法可以測量這個平面的三維速度ParticleImageVelocimetry(PIPIV測量過程PIV測量過程PIV數(shù)據(jù)處理PIV數(shù)據(jù)處理FundamentalsofstereovisionTrue3Ddisplacement(X,Y,Z)isestimatedfromapairof2Ddis-placements(x,y)asseenfromleftandrightcamerarespectivelyFundamentalsofstereovisionTLeft/Right2DvectormapsLeft&Rightcameraimagesarerecordedsimultaneously.ConventionalPIVprocessingproduce2Dvectormapsrepresentingtheflowfieldasseenfromleft&right.Thevectormapsarere-sampledinpointscorrespondingtotheinterrogationgrid.Combiningleft/rightresults,3Dvelocitiesareestimated.Left/Right2DvectormapsLef3DreconstructionResulting3DvectormapOverlapareawith

interrogationgridLeft2DvectormapRight2Dvectormap3DreconstructionResulting3D平均壓強(qiáng)-U型管我們測量的“壓強(qiáng)”一般來說是相對的壓強(qiáng)差U型管壓力計液體振蕩怎么辦？用眼睛來平均U型管壓力計manometer平均壓強(qiáng)-U型管我們測量的“壓強(qiáng)”一般來說是相對的U型管壓平均壓強(qiáng)-壓力傳感器

Pressuretransducer電容式Capacitancetypediaphragm壓力傳感器電容式壓電材料式通過導(dǎo)管和被測點(diǎn)連接需要通過其它壓力計，比如U形管來標(biāo)定壓電式Piezoelectric平均壓強(qiáng)-壓力傳感器

PressuretransducValidyneDP15壓力傳感器ValidyneDP15壓力傳感器脈動壓強(qiáng)當(dāng)壓強(qiáng)發(fā)生快速變化的時候壓力傳感器中存在質(zhì)量較大的金屬片除金屬片外空腔和導(dǎo)管還有大量空氣/液體所以，當(dāng)被測點(diǎn)壓強(qiáng)變化時，金屬片不會快速隨之發(fā)生形變頻率響應(yīng)低對策使用小金屬片減小空腔體積，不使用導(dǎo)管頻率響應(yīng)高Dynamicpressuretransducer脈動壓強(qiáng)當(dāng)壓強(qiáng)發(fā)生快速變化的時候Dynamicpressuretransducer因?yàn)槊绹鳮ulite公司的產(chǎn)品最為市場認(rèn)同，Dynamicpressuretransducer有時被稱作Kulitetransducer選購此種傳感器注意事項(xiàng)/v41/Advisor.asp?User=transducers&Rnd=559頻率響應(yīng)，大小，介質(zhì)，溫度要求，平均壓強(qiáng)范圍Dynamicpressuretransducer因?yàn)槊繭megaDPX101傳感器OmegaDPX101傳感器測量脈動壓強(qiáng)的廉價選擇:麥克風(fēng)測量脈動壓強(qiáng)的廉價選擇:麥克風(fēng)湍流的幾種測量方法高南2007年12月20日湍流的幾種測量方法高南內(nèi)容可視化Flowvisualization數(shù)據(jù)采集DAQ速度熱線，PIV，LDV壓強(qiáng)平均壓強(qiáng)，脈動壓強(qiáng)部分內(nèi)容下載自Dantec,NationalinstrumentValidyne,Omega,Panasonic網(wǎng)站內(nèi)容可視化Flowvisualization部分內(nèi)容下載流場可視化

Flowvisualization“Seeingisbelieving”“沒有照片，沒有真相”流場可視化

Flowvisualization“Seein流場可視化

Flowvisualization空氣實(shí)驗(yàn)發(fā)煙線smokewire干冰dryice人造霧(油滴，液滴，舞臺霧發(fā)生器)水動力實(shí)驗(yàn)染料dyeinjection氫氣泡Hydrogenbubble激光引發(fā)熒光Laserinducedfluorescent流場可視化

Flowvisualization空氣實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集各種信號通過計算機(jī)記錄下來的系統(tǒng)把模擬信號(-5V到+5V或者其他范圍)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號,Analog-Digital(AD)，反過來稱DANationalInstrument數(shù)據(jù)采集各種信號通過計算機(jī)記錄下來的系統(tǒng)采集過程

傳感器-信號處理-模擬數(shù)字AD轉(zhuǎn)換-記錄傳感器輸出的信號量級應(yīng)力應(yīng)變片:微伏熱電偶:毫伏熱線風(fēng)速儀:伏信號到DAQ前預(yù)處理放大gain，移動offset模數(shù)轉(zhuǎn)換AD使用轉(zhuǎn)換卡DataAcquisitionCard(DAQ)又稱digitizer通過軟件記錄數(shù)據(jù)一般通過軟件Labview編程采集過程

傳感器-信號處理-模擬數(shù)字AD轉(zhuǎn)換-記錄傳感器輸出數(shù)據(jù)采集卡DAQCard采集卡適用方法,PCI,PCMCIA,USB等通道數(shù),16AD,2DA位數(shù):12,14,16bits,決定精度,10V/212采樣速度:10MHz-1GHz輸入范圍，+-5V等價格，1500-15000RMB數(shù)據(jù)采集卡DAQCard采集卡與DAQ卡通信方法:與DAQ卡通信方法:熱線風(fēng)速儀

Hot-WireAnemometry測量流場的平均和脈動速度修改過的電路可以測量平均和脈動溫度熱線風(fēng)速儀

Hot-WireAnemometry測量流場的細(xì)小的金屬絲(一般為鎢絲或者白金絲)處于來流速度U的流場中.當(dāng)電流通過金屬絲,會生成熱(I2Rw).當(dāng)進(jìn)入平衡狀態(tài)，這些熱被對流換熱帶走熱線工作原理

Principlesofoperation細(xì)小的金屬絲(一般為鎢絲或者白金絲)處于來流速度U的流場中.恒溫測量系統(tǒng)

ConstantTemperatureAnemometerCTA原理:

傳感器的電阻被放大器維持恒定優(yōu)點(diǎn)(對比恒流測量系統(tǒng)): - 簡單易用 - 高頻率響應(yīng) - 低噪 - 被廣泛接收缺點(diǎn): - 價格高于恒流系統(tǒng)恒溫測量系統(tǒng)

ConstantTemperatureAn控制方程GoverningequationIGoverningEquation:

E=金屬絲熱能thermalenergystoredinwire

E=CwmT

Cw

=金屬絲比熱heatcapacityofwirem=金屬絲質(zhì)量massofwire

W=發(fā)熱量powergeneratedbyJouleheating

W=I2Rw

而Rw=Rw(Tw)

H=換熱量heattransferredtosurroundings控制方程GoverningequationIGover

Heat

transferredtosurroundings (對流convectiontofluid +傳到conductiontosupports +輻射radiationtosurroundings)對流Convection Qc=Nu·A·(Tw-Ta)

Nu=h·d/kf=f(Re,Pr,M,Gr), Re=U/傳導(dǎo)Conduction f(Tw,lw,kw,Tsupports)輻射Radiation f(Tw4-Tf4)控制方程GoverningequationIIHeattransferredtosurround簡化分析Simplifiedanalysis穩(wěn)態(tài)傳熱:

W = HI2Rw=hA(Tw–Ta)I2Rw=Nukf/dA(Tw–Ta)

h = 對流換熱系數(shù)filmcoefficientofheattransfer A = 對流換熱面積heattransferarea

d = 金屬絲直徑wirediameter

kf = 流體的導(dǎo)熱系數(shù)heatconductivityoffluid

Nu = 紐希爾特數(shù)dimensionlessheattransfercoefficient強(qiáng)制對流的條件下Forcedconvectionregime,

Nu=A1+B1·Ren=A2+B2·Un

I2Rw2=E2=(Tw-Ta)(A+B·Un) “King’slaw”電壓的變化是流場速度的函數(shù)簡化分析Simplifiedanalysis穩(wěn)態(tài)傳熱: 電壓的變化是流場速度的函數(shù)例子，當(dāng)King’slawcoeff.A=1.51,B=0.811,n=0.43)

Outputvoltageasfct.ofvelocity流速電壓輸出電壓的變化是流場速度的函數(shù)例子，當(dāng)King’slawc探頭分類熱線探頭盡可能先選用熱線價廉，響應(yīng)快，可以維修熱膜探頭當(dāng)測量水流速或者測量環(huán)境較臟的時候，選用熱膜代替熱線響應(yīng)速度較慢，不能修復(fù)絕緣，不受化學(xué)、機(jī)械干擾熱線熱膜探頭分類熱線探頭熱線熱膜對探頭的要求為了達(dá)到較高的頻率響應(yīng)，總體來說，金屬絲的熱容量(heatcapacity)應(yīng)該越小越好.其他要點(diǎn):

越小越好(測量的空間解析力<探頭大小)

長徑比(l/d)應(yīng)該大約100，兩端的影響才可以忽略不計

金屬絲應(yīng)該耐高溫，這樣可以在高溫度下運(yùn)行實(shí)驗(yàn)，降低噪音影響

同樣溫度變化，金屬絲電阻變化越大越好，這樣也可以減低噪音對探頭的要求為了達(dá)到較高的頻率響應(yīng)，總體來說，金屬絲的熱容量熱線的標(biāo)定標(biāo)定-找到流場速度和傳感器輸出的一個函數(shù)關(guān)系

U=f(E)空氣熱線的標(biāo)定標(biāo)定-找到流場速度和傳感器輸出的一個函數(shù)關(guān)系熱膜標(biāo)定 熱膜在水中的標(biāo)定

- 如圖所示，用一個容器形成射流，估算流速 - 把探頭放到滑車上在水里拖動水熱膜標(biāo)定 熱膜在水中的標(biāo)定 水 典型的標(biāo)定曲線熱線標(biāo)定曲線

回歸曲線Curvefit(velocityUasfunctionofoutputvoltageE): U=C0+C1E+C2E2+C3E3+C4E4

速度輸出電壓 典型的標(biāo)定曲線熱線標(biāo)定曲線速度輸出電壓應(yīng)對方法:探頭被污染熱線容易被以下物質(zhì)污染灰塵dustparticles油滴oilvapours 化學(xué)物質(zhì)chemicals導(dǎo)致敏感度下降，標(biāo)定曲線便宜熱線響應(yīng)速度下降解決辦法Cure清理熱線 Cleanthesensor重新標(biāo)定 Recalibrate

應(yīng)對方法:探頭被污染熱線容易被以下物質(zhì)污染應(yīng)對方法:環(huán)境溫度發(fā)生變化環(huán)境溫度變化的影響

傳熱大小正比于探頭和環(huán)境的溫差E2=(Tw-Ta)(A+B·Un)

如果Ta

發(fā)生變化: - 傳熱發(fā)生變化 - 流體性質(zhì)發(fā)生變化

在空氣中測量: - 探頭溫度較高 - 空氣性質(zhì)變化較小

水的性質(zhì)變化相對較大，探頭溫度較低，所以溫度變化在液體中測量影響更大:

應(yīng)對方法:環(huán)境溫度發(fā)生變化環(huán)境溫度變化的影響X型探頭測量二維流場X型探頭(兩線和探頭的軸成±45o):利用角度變化，熱線的輸出會發(fā)生變化的現(xiàn)象這樣速度被分解成(U,V)whereU1andU2inwirecoordinatesystemarefoundbysolving:

X型探頭測量二維流場X型探頭(兩線和探頭的軸成±45o利用照相的方法測量流場速度連續(xù)拍攝兩張照片間隔時間已知距離通過圖片求得可得物體移動速度這就是PIV基本原理利用照相的方法測量流場速度連續(xù)拍攝兩張照片ParticleImageVelocimetry(PIV)PIV利用電子拍照，數(shù)據(jù)處理等現(xiàn)代方法是一個全流場測量技術(shù),它在一個平面內(nèi)給出一個瞬時的流場速度一般測量兩個速度分量如果使用stereoscopic方法可以測量這個平面的三維速度ParticleImageVelocimetry(PIPIV測量過程PIV測量過程PIV數(shù)據(jù)處理PIV數(shù)據(jù)處理FundamentalsofstereovisionTrue3Ddisplacement(X,Y,Z)isestimatedfromapairof2Ddis-placements(x,y)asseenfromleftandrightcamerarespectivelyFundamentalsofstereovisionTLeft/Right2DvectormapsLeft&Rightcameraimagesarerecordedsimultaneously.Conv