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1、热能与动力工程中常常需要测量工作介质在某些特定区域的流速，以研究其流动状态对工作过程和性能的影响。如研究进、排气管道的流动特性和燃烧室内的气流运动对燃烧速度和燃烧质量的影响等。因此，流速测量具有重要的意义。,第七章 流速测量流速的测量方法机械方法动力测压法散热率法激光测速法,第一节 机械方法测量流速,机械方法测量流速是根据置于流体中的叶轮的旋转角速度与流体的流速成正比的原理来进行流速测量的。机械式风速仪是利用叶轮测量流速的实例翼型和杯型翼型灵敏度高，可测0.2530m/s的气流速度，可测脉动气流。杯式风速仪机械强度较大，测量上限大。,机械式风速仪可用来测定仪表所在位置的气流速度，也可用于大型管
2、道中气流的速度场，尤其适用于相对湿度较大的气流速度的测定。,第二节 动力测压法测量流速,一、测速原理与基本结构在静止气体中，由于不存在切向力，故这个力与所取面积的方向无关，称为静压力。对于运动流体而言，静压可用垂直于流体运动方向单位面积上的作用力来衡量。总压力是指流体在某点速度等熵滞止到零时所达到的压力。,滞止压力是指在没有外力的作用下，流体速度绝热地减速到零时所产生的压力，此时，流体的全部动能全部绝热地转变成压力能。总压与静压之差称为动压,应用动力测压法测量流速的压力感受元件为测压管伯努利方程式,不可压缩流体,考虑到总压和静压的测量误差，利用它们的测量读数进行流速计算时引入皮托管的校准系数作
3、适当的修正。测压管的使用上限不超过相当于马赫数为0.25时的流速测压管的使用下限为被测量的流速在全压孔直径上的雷诺数需超过200,气体流动的马赫数0.3时，还应考虑气体的压缩性效应,测压差的方法（1）利用总压管、静压管，分别测量流体的总压和静压，以确定流体速度。（2）利用专门设计的复合测压管，同时测量流体的总压和静压（或两者之差），以确定流体速度。,1.流体总压、静压的测量,(1)流体总压测量与测压管测量流体总压的总压管在使用时，其感压孔轴线应对准来流方向。希望总压管对流动方向越不敏感越好,L形总压管,制造容易，使用安装方便。它对流动偏斜角的灵敏性取决于压力孔直径与管子外径之比以及总压管头部的
4、形状,圆柱形总压管,可以制作得很小，惯性不大，工艺性好，制造容易，使用方便。,套管式总压管,在马赫数变化较大范围内，它对流动偏斜角的不灵敏度达到(4050),（2）流体的静压测量与测压管,测量被绕流体表面上某点的压力或流道壁面上流体的压力这时可利用在通道壁面或绕流物体表面开静压孔的方法进行测量。,确定流场中某点的压力，也就是运动流体的压力。这时可以利用尺寸较小具有一定形状的测压管插入流体中，进行流体压力测量。L形静压管、盘形静压管、套管形静压管需要测量平直流道内的流体静压时可采用在流道壁面开静压孔的方法来测量。,2.毕托管,分别采用总压管和静压管测得流体的总压和静压，然后利用公式计算得到流体速
5、度。缺点：不能同时测得某一点的流体的总压和静压。可同时测得流体总压和静压之差的复合测压管称为毕托管（动压管、速度探针）,特点：结构简单，使用、制造方便，价格便宜，坚固可靠，精度高。毕托管测量的是空间某点处的平均速度，它的头部尺寸决定了它的空间分辨率（越小越好）。目前最小的毕托管头部直径约为0.0.mm。根据所测量的流体性质，将毕托管设计成不同的形状，常用的有L形和T形。,（1）L形毕托管,（2）T形毕托管,对于高马赫数下的流动，为避免皮托管的头部附近发生脱体激波，可采用细长的锥形探头，这类管子适用于高达0.80.85范围的流速测量。,为了测量尺寸较大的管道内的平均流速，常常采用笛形皮托管,对于
6、锅炉等设备管道中含尘浓度较高的气流，可以采用吸气式、遮板式和靠背式皮托管，但这些皮托管使用前都必须经过标定。,二、二维气流速度的测量对于作平面流动的气流，可以采用三孔测速管测量其流速的大小和方向。三孔测速管主要由三孔感压探头、干管、传压管和分度盘等组成。,探头可以做成各种形状，如圆柱形、球形、尖劈形和楔形等等。,在探头的三个感压孔中，居中的一个为总压孔，两侧的孔用于探测气流方向，故也称方向孔。当两侧的方向孔感受到的压力相等时，则认为气流方向与总压孔的轴线重合。显然，两侧方向孔所在的位置应该对气体的流动方向十分敏感，即当气流方向与该两孔的角平分线出现微小偏差时，两方向孔所感受的压力就会出现显著的
7、差异。,当两方向孔在同一平面内呈直角分布时，对气流的方向最为敏感。因此，三孔测速管探头上的感压孔都布置为两方向孔在同一平面内呈90，总压孔开设在两方向孔的角平分线上。,实际测量时，将上述测速管探头插入气流之中，慢慢转动干管，直到两方向孔所感受的压力相等。这时，气流方向与总压孔的轴线平行，总压孔和两方向孔感受的压力差即可得流速，即为三孔测速管测量流速大小和方向的工作原理。即流速的方向是根据两方向孔感受的压力平衡情况来判断的，而流速的大小可以根据总压孔与方向孔之间的压力差进行计算。,实际上，由于制造方面的误差，如感压孔的位置和尺寸误差等，使得各感压孔感受到的真实压力并不能严格满足前述理论。每根测压
8、管在使用前都必须经过标定；同时，必须注意到每根测速管的标定结果一般都不会相同。类似平面气流流速的测量方法，三维空间气流速度的大小和方向可用五孔测速管测量；当气流方向变化较大时，还可以采用七孔测速管。,三、皮托管的标定如前所述，各种皮托管由于结构上的不同和制造上的差异，在制造后或使用前都必须经过标定。皮托管的标定是在校准风洞中进行的，校准风洞有吸入式、射流式、吸入-射流复合式以及正压式等多种类型，其中最常用的是射流式风洞。射流式校准风洞的工作段是开式的，它由稳流段1和收敛器3构成，稳流段内装有整流网和整流栅格。压缩空气先通过稳流段，再通过收敛器后形成一自由射流。,标定时，被标定的皮托管感压探头置
9、于风洞出口处，得到其动压读数；相应的标准动压由安装在稳流段A处的总压管和开在射流段B处的静压孔组合测取，即为B出得动压。之所以在A处测量总压，是因为该处截面大，容易布置总压管。由于风洞收敛器内壁面光顺平滑，加上该段距离短，流速小，故可以认为该段内的流动损失接近零，即可以认为A、B两处的总压相等。,另外，之所以要在B处测量标准动压，是因为A处截面大，风速低，总、静压很接近，动压很小，而B处截面缩小，流速增大，动压也大，B处的动压通常是A处的162倍左右，因此，采用B处的动压可以提高标定精度。,标定步骤概括如下：1)按图位置安装好被标定的皮托管，使总压孔轴线对准风洞轴线，然后连接好测量管路。2)合
10、理选择标定流速的范围，记录各稳定气流流速下校准风洞的标准动压值和被标定皮托管的动压值。3)整理记录数据，或拟合成标定方程，或绘制成标定曲线，以备查用。当两者之间呈线性关系时，可以直接求出皮托管的校准系数。在没有校准风洞的情况下，对用于一般场合测速的皮托管，可以采用自制的平直风管进行标定。这种风管的长径比要求大于20。为使风压更稳定，可以在风机出口处加一稳压箱。标定时，将标准皮托管和被标定皮托管分别置于风管的出口处，以标准皮托管感受的动压作为标准动压，标定步骤同上所述。,第三节 散热率法测量流速,散热率法测量流速的原理，是将发热的测速传感器置于被测流体中，利用发热的测速传感器的散热率与流体流速成
11、比例的特点，流速越大，散热量越多。通过测定传感器的散热率来获得流体的流速。热球风速仪、热线风速仪,一、基本结构热线流速仪由探头、信号和数据处理系统构成。探头按结构分为热线和热膜两种，均由电阻值随温度变化的热敏材料构成。另外，对分别适用于一维、平面和空间流场流速测量的探头，又分别称为一元探头、二元探头和三元探头。,热线风速计-利用放置在流场中具有加热电流的细金属丝(直径1m-10m，长度1-2mm)来测量风速的仪器。将金属丝的两端焊接到两根叉杆上,叉杆的另一端引出线,再加上保护罩并且在保护罩和叉杆之间装以绝缘填料,就构成了热线探针。起敏感元件作用的只有中间部分。对热线材料的要求（镀铂钨丝）电阻温
12、度系数要高机械强度要好电阻率要大热传导率要小最大可用温度要高利用极细的金属丝做成具有较大长度直径比的探针，既减少热传导的影响，又具有相当好的空间分辨率。频率响应高。,热膜探针-由热膜、衬底、绝缘层和导线几部分构成。所谓热膜就是喷溅在衬底上的一层很薄的铂金膜，用熔焊方法将它固定在楔形或圆柱形石英骨架上，其上加有加热电流。热膜探针的特点：频率响应范围比热线窄。上限仅为100kHz工艺复杂，制造困难受振动的影响小，不存在内应力的问题阻值可由控制热膜厚度来调节热传导损失较小机械强度比热线高，不易被打断或碰伤，可承受电流较大，能用于液体或带颗粒的气流的测量。,二、工作原理利用通电的探头在气流中得热量散失
13、程度与气流速度之间的关系来测量流速的。,热传导过程-在设计中使之最小热辐射过程-温差小自由对流过程强迫对流过程,工作时，若通过热线(热膜)的电流为I，热线的电阻为Rw，相应的热线温度为Tw，则热线产生的焦耳热为I*I*Rw。假定热线在流体中的热量散失主要靠其与流体间的强迫对流换热，而不考虑热线的导热和辐射损失，则在热平衡条件下有,流体速度是流过热线的电流和热线电阻（热线温度）的函数,恒流型 如果在热线工作过程中，人为地用一恒值电流对热线加热，由于流体对热线对流冷却，且冷却能力随着流速的增大而加强。当流速呈稳态时，则可根据热线电阻值的大小确定流体的速度。,假定热线尚未置入流场时，测量电桥处于平衡
14、状态，即检流计指向零点，电流表A的读数为Io；当热线被放置到流场之中后，由于热线与流体之间的热交换，热线的温度下降，相应的阻值R w也随之减小，致使电桥失去平衡，检流计偏离零点。,当检流计达到稳定状态后，调节与热线串联于同一桥臂上的可变电阻Ro，直至其增大量抵消Rw的减小量，此时，电桥重新恢复平衡，检流计回到零点，电流表回到原来的读数Io(即电流保持不变)。通过测量Ro的改变量可以得到Rw的数值，进而根据测速公式计算出被测流速v。,2.恒温(恒电阻)式通过调节热线两端的电压以保持热线的电阻不变，这样就可以根据电压值的变化，测出热线电流的变化，进而计算流速。,恒温式测量电路与恒流式的不同之处在于
15、：当热线因感受流动而出现温度下降、电阻减小，致使电桥失去平衡时，调节可变电阻R、使R减小以增加电桥的供电电压，增大电桥的工作电流，即加大热线的加热功率，促使热线温度回升，阻值回增，直至电桥重新恢复平衡。,在上述两种热线流速仪中，恒流式受热线热惯性的影响，存在灵敏度随流动变化频率减小而降低，并且产生相位滞后等缺点。因此，现在的热线流速仪大多采用频率特性较好的恒温式。在实际应用中，由于测速公式的函数关系不易确定，通常都采用试验标定曲线的方法，或把标定数据通过回归分析整理成经验公式。,上面介绍的皮托管测速和热线流速仪测速等都属于接触式测速方法，它们的测量探头不仅对流场产生干扰，而且还限制了测量的频率
16、响应速度和空间分辨率。因此，其应用范围是有限的。,第四节 激光多普勒测速技术,激光多普勒流速仪(LaserDoppler Velocimeter，简称LDV)一、工作原理激光多普勒流速仪是利用激光多普勒效应进行流速测量的。当激光照射到跟随流体一起运动的微粒上时，微粒散射的散射光频率将偏离入射光频率，这种现象就叫激光多普勒效应，其中散射光与入射光之间的频率偏离量称作多普勒频移。多普勒频移与微粒的运动速度，即流体的流速成正比。因此，测量出多普勒频移就可以测得流体的速度。,Ls为固定的激光光源，其发射的单色平面光波频率为fi，波长为i，传播方向用单位矢量Ki表示。P代表跟随流体一起运动的微粒，其运动
17、速度为v(矢量)，v可以代表流体的流速。PD为固定的光波接收器(光电检测器)，接收运动微粒P的散射光波，方向用单位矢量Ks表示。,根据多普勒效应，对于固定光源Ls发射的入射光，运动微粒P(相当于入射光的接受器)所接受到的光波频率fp为,对于运动微粒的散射光波(频率为fp)，固定接收器PD接收到的光波频率fs为,多普勒频移fD,vC，fi=c/i,假设速度矢量v与合成矢量Ks-Ki之间的夹角为，则,假设入射光波的方向矢量Ki与散射光波的接受方向及Ks之间的夹角为,就是激光多普勒流速仪工作原理的基本表达式。可见，只要激光器发射的入射光波的波长以及入射光波方向，与散射光波接收方向的夹角一定，则微粒运
18、动速度在某方向上的分量大小即与多普勒频移呈简单的线性关系，因此测量出多普勒频移、就可以得到运动微粒在相应方向上的分量大小。这也就意味着通过改变光源与检测器的相对位置，就可以测量出微粒速度在任意方向上的分量大小。,二、测量多普勒频移的基本光路系统检测多普勒频移有两种基本方法，即直接检测和外差检测。前者是通过直接测量散射光频率来求取多普勒频移，因受测量仪器频响特性的限制，只能用于有限的场合，因此目前常用的是外差检测方法。这种方法是通过检测两束光波之间的频率差，经转换后得到多普勒频移。外差检测法的基本光路系统大致有三种，即参考光束系统、单光束系统和双光束系统。,由于光电检测器接收到的参考光频率就是光
19、源发射的光波频率。因此，根据多普勒效应，不难推导出光电检测器接收到的散射光与参考光的差拍频率(两束光的频率差)正是所描述的多普勒频移，即系统可以利用式(722)求出微粒运动速度p在垂直于角平分线上的分量大小v n。这里需要说明的是，光束经微粒散射后，其强度将大大削弱。因此，系统采用1：9的比例将光源发射的光束分割成参考光与信号光，以使光电检测器接收到的参考光强度与被散射的信号光强度具有相同的量级，因为只有这样才能得到高信噪比和高效率的多普勒信号。,单光束系统要求两散射光接收孔的孔径适当，孔径过大或过小都会降低测量精度，如孔径过大会使光电检测器接收到的频率信号加宽，而过小又将使检测器接收到的散射
20、光强太弱。另外，这种系统对光能的利用率很低，且要求避光环境，因此目前已较少应用。,双光束系统中速度分量和差拍频率之间的关系表达式在形式上与参考光束系统和单光束系统的完全相同。但从上述表达式的推导过程可以看到；双光束系统有一突出的优点，即多普勒频移与光电检测器的接收方向无关，这也正是在以上介绍的三种检测方式中双光束系统得到最广泛应用的原因。,上述三种测量系统部可以有前向散射型和后向散射型两种布置方案。前者的入射光路和接收光路布置在试验段的两侧，需要在两侧都开设信号窗口；而后者的入射光路和接收光路布置在试验段的同侧，只需要在单侧开设信号窗口。目前较常用的是前向散射型布置方案，因为微粒的前向散射光强
21、度较大，光电检测器容易获得信噪比较高的信号。但在某些场合，由于受结构限制，试验段只能开单一信号窗口时，只能采用后向散射型布置方案。,三、判断流速方向的频移装置 以上介绍的是多普勒流速仪的基本光学系统，检测量是两光束差拍信号的频率，没有正负之分。因此，对于大小相同、方向相反的流体速度，它们的测量结果是相同的，即这样的测量系统只能测量流体速度分量的大小，而不能同时判断其流动方向，这就是所谓的普通多普勒流速仪的方向模糊性。对实际流场进行测量时，对于流动方向已知的一维流场而言，无须考虑上述测量系统的方向模糊问题。但对于许多场合，流场中的流动方向不得先知，有时还存在回流现象，速度方向会发生变化，这时就必
22、须解决测量系统的方向模糊问题。为此，往往采用带频移装置的多普勒测量系统，它利用两束频率略有不同的单色光相交时产生的混合干涉条纹的移动特性来判断流速方向。,当上述两束频差很小且恒定的光束在流体测量区相交时，产生光混合而形成一组移动的干涉条纹。,通过测量散射光的闪烁频率和频差，不仅可以求出检测流速的大小，而且还可以方便地判断出它的方向。即当闪烁频率=频差时，vn=0；当闪烁频率频差时，vn的方向与条纹移动方向相反；当闪烁频率频差时，vn的方向与条纹移动方向相同。这就是用频移装置识别流动方向的原理。,无论采用哪一种类型的光路，激光多普勒流速仪都出以下基本部分组成：激光器、光分束器(分光镜)、光聚焦发
23、射系统(透镜)、光信号收集与检测系统(光栏和光电检测器)、频率信号处理系统以及散射微粒等。有关频率信号的处理，目前主要使用的有三类仪器：频谱分析仪、频率计数器和频率跟踪器。激光器参考专门的资料以下只对散射微粒作简要说明,四、多普勒测速系统的散射微粒 多普勒测速系统以流体中的微粒为媒介来测量流体流速的。对于水或一般的流体，其中自然存在的杂质足以作为散射微粒。但在很多情况下，由于被测流体中自然存在的微粒大小或其浓度不能满足测量的需要，或者测量光路的布置型式受到限制而需要增加被测流体的散射强度时，就有必要人为地添加散射微粒。,在流动测量中，合格的散射微粒应该具备以下基本特性：1、能够很好地跟随流体的
24、运动：保证微粒的运动速度和方向能够真正代表流体的速度和方向。微粒对流体的跟随性，主要取决于微粒的直径、质量和流体的粘度、密度等参数。2、具有高的散射效率：高散射效率有利于得到高信噪比的散射光，方便信号处理，提高测量精度。光路系统确定后，散射效率与其直径相关，同时还受微粒颜色、形状等物性的影响。3、具有良好的物理化学性质：人为添加的散射微粒应该无毒、无刺激性，对管道无腐蚀或磨蚀，化学性质稳定等。具体要求与被测对象有关。,由上述要求可见，散射微粒直径的选择十分重要。通常，微粒的直径最好为干涉条纹宽度12或条纹间距的14左右，这样可以获得最佳质量的多普勒信号。当被测流体为空气等气体，而微粒与流体的质
25、量比达到103104左右时，则必须充分考虑微粒尺寸对其流动跟随性的影响。据资料介绍，微粒直径为0.40.8um时，能够响应10kHz的湍流运动；而当微粒直径增加到13微米时，仅能测量脉动频率在1kHz以下的湍流运动。,因此，测量涡流和高速气流时，希望尽可能采用小尺寸微粒，但必须加大激光器的功率，以改善散射光的强度。但微粒过小时会产生布朗运动，从而降低测速精度。当被测流体为液体时，由于微粒与被测流体之间的密度差较小，故没有必要用过小的微粒。,散射微粒的添加浓度也应该合适。浓度过低时，会因为散射光强度微弱而减少多普勒信号的数据量；而浓度过高时，会有大量微粒同时通过干涉条纹，即使微粒的运动速度相等，
26、也难免会产生相位差，从而造成多个光信号重叠，导致速度信号失真。此外，微粒浓度过高时，附着在信号窗口上的微粒也会很快增多，容易造成污染窗口、产生噪声。,正确的微粒浓度与被测流体的性质、光路的布置方式以及信号处理系统等因素有关。例如：测量水流时，对散射微粒的添加量要求不高，有时甚至不必添加微粒；双光束光路对散射微粒浓度的要求较低，而参考光束光路则要求较高的散射微粒浓度；用频率跟踪器处理多普勒信号时，需要一定的微粒浓度，以保证得到更接近连续的多普勒信号，而用频谱分析仪和计数型处理器处理多普勒信号时，需要的微粒浓度相对较低。,非接触式测速方法的主要优点有：对流场无干扰；输出特性的直线性相当好，不必进行
27、标定；测量精度不受流体折射率以外的其他物理性能及温度、压力等参数的影响；空间分辨率高、无惯性，因而频响特性好；测速范围广、可以从1微米s级的低速到超音速；,可以测量逆流现象中循环流的湍流速度成分。测量方向特性稳定；但是从另一方面看，激光多普勒流速仪：系统庞大、价格昂贵、操作复杂，同时还必须在流动管壁上设置激光观测窗口，在被测流体中加载能够充分响应流体速度的散射微粒等。,第五节 粒子图像测速技术,Particle Image Velocimetry随着计算机技术与图像处理技术的快速发展，产生了PIV粒子成像测速技术。PIV技术的最大贡献是突破了激光多普勒测速仪等空间单点测量技术的局限性，既具备了
28、单点测量技术的精度和分辨率，又能获得平面流场显示的整体结构和瞬态图像，可在同一时刻记录下整个流场的有关信息，并且可分别给出平均速度、脉动速度及应变率等，同时它还是一种非接触式的测量方法，是流动测量飞跃式发展的最新技术。,PIV技术(粒子图像测速法)是一种基于流场图像互相关分析的非接触式二维流场测量技术,能够无扰动、精确有效地测量二维流速分布。作为 PIV技术核心的流场图像分析法目前主要采用二维快速 Fourier 变换实现互相关函数的计算,并利用速度的基本定义,通过测量质点在已知时间间隔内的位移实现对质点速度测量；对测量平面上的多个水质点进行跟踪、测量,就可实现流速分布的二维测量。,利用 PIV技术测量流场时,需在流场中散播比重适当且跟随性好的示踪粒子,由示踪粒子的运动来反映流体的运动;并用自然光或激光对所测平面进行照射,形成光照平面,使用 CCD 等摄像设备获得示踪粒子的图像。对示踪粒子的运动图像进行分析，就能够获得二维流场的流速分布。流场中某一示踪粒子在二维平面上运动,其在x、y 两个方向上的位移随时间的变化为x(t)、y(t),是时间t 的函数。,
