1、2012-01-25 16:19 風(fēng)速儀_熱線風(fēng)速儀測量原理簡介 0引言 到目前為止，人們根據(jù)光學(xué)、力學(xué)以及熱力學(xué)等領(lǐng)域的研究成果開發(fā)了很多測量 流體流場的測量儀器，比如有早期的比托管和風(fēng)速儀，后來的熱線熱膜風(fēng)速儀 (HWA)，以及近期出現(xiàn)的激光流速計(jì)(LDV)等等。比托管的結(jié)構(gòu)簡單，使用方便， 堅(jiān)實(shí)可靠，價(jià)格低廉，但是其測速的范圍比較窄，一般用來測量旺盛湍流的平均 流速，所以測量的速度一般比較高，而且其僅能測量二維流場，不能敏感反向流 動(dòng)，不能測量湍流流動(dòng)的流場分布。熱線風(fēng)速儀能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)測量，信噪比好， 而且能夠分離和測量三維流場，測量的范圍比較大，而且能夠非常準(zhǔn)確地測量微 風(fēng)速，其靈敏度

2、非常高。鑒于熱線風(fēng)速儀的這些優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)在被廣泛地應(yīng)用與各種 領(lǐng)域，比如測量模擬風(fēng)洞的速度場，換熱管肋片周圍的速度場，內(nèi)燃機(jī)的流動(dòng)特 性等。1熱線風(fēng)速儀的基本工作原理 1.1基本原理 熱線測速技術(shù)是一種非常重要的測量流體速度與方向的技術(shù)，己經(jīng)有近一百年的 歷史，它為流體速度的測量作出了巨大的貢獻(xiàn)，并且在20世紀(jì)60年代以后幾乎 壟斷了湍流脈動(dòng)測速領(lǐng)域。按照熱線熱平衡原理可以將熱線分為恒流風(fēng)速儀和恒 溫風(fēng)速儀。由于恒溫風(fēng)速儀熱滯后效應(yīng)很小，頻率響應(yīng)很寬，反應(yīng)快速，而恒流 風(fēng)速儀則不具備上述特點(diǎn)，因此，恒溫風(fēng)速儀的出現(xiàn)成為熱線技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展的 重要標(biāo)志。熱線風(fēng)速儀器測量速度的基本原理是熱平衡原理，利用

3、放置在流場中 的具有加熱電流的細(xì)金屬絲來測量流場中的流速，風(fēng)速的變化會(huì)使金屬絲的溫度 產(chǎn)生變化，從而產(chǎn)生電信號(hào)而獲得風(fēng)速。根據(jù)熱平衡原理，當(dāng)風(fēng)速儀中的熱線置于介質(zhì)(流場)中并通以電流時(shí)，熱線中產(chǎn) 生的熱量應(yīng)與之耗散的熱量相等。換言之，在風(fēng)速儀熱線沒有其他形式的熱交換 條件下，加熱電流在熱線中產(chǎn)生的熱量應(yīng)等于熱線與周圍介質(zhì)的熱交換。根據(jù) King公式，我們可以近似的得到換熱表面的努謝爾數(shù)與雷諾數(shù)之間的關(guān)系，也 就是說，只要知道換熱系數(shù)，就可以得到通過風(fēng)速儀熱線處流速的大小和方向。King公式可以表示為:Nu=A+BRe0.5（1）努謝爾數(shù)T -雷諾數(shù)對流換熱系數(shù)，W/(K. m2)L 一一定性尺

4、寸，mA, B一為常數(shù)，根據(jù)不同的熱線而定 由熱平衡原理，在不考慮熱輻射的前提下，風(fēng)速儀熱線的熱耗散應(yīng)該等于電流流 過風(fēng)速儀熱線所產(chǎn)生的熱量。熱耗散可用下式得出:其中，a 一熱線的對流換熱系數(shù)，W/(K.m2)F一熱線表面換熱面積，m2T 一熱線表面溫度，C wTf 一主流溫度，。C 電流流過熱線產(chǎn)生的熱量為:其中，Iw，一電流，ARw電阻，。于是可以得出:1.2熱線風(fēng)速儀靜態(tài)響應(yīng)只要測量出風(fēng)速儀熱線的對流換熱系數(shù)，那么就可以根據(jù)其基本原理來計(jì)算測量 點(diǎn)的風(fēng)速。如果流場是穩(wěn)定的，那么利用熱線風(fēng)速儀測得就是靜態(tài)數(shù)據(jù)，即成為 熱線風(fēng)速儀靜態(tài)響應(yīng)。對于靜態(tài)響應(yīng)，其流場不隨時(shí)間的變化而變化，同樣溫度

5、場也不隨時(shí)間變化而變化，這樣就可以根據(jù)King公式得到：冗=球-Q; 1 + & r 插 k V % J (5)式中，入f一流體的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m.C)p 一流體的密度，kg/m3C 一定壓比熱，kJ/(kg. C) Pd一熱線直徑，mv一流速，m/sl一風(fēng)速儀熱線的長度，m 。班當(dāng)！時(shí)式(5)可表示為：黨3或L 二式中，R 一為對流換熱熱阻，m2.K/w f如果保持風(fēng)速儀熱線的溫度不變，那么通過風(fēng)速儀熱線的電流就隨通過熱線處的 速度場的變化而變化，通過分析電流的變化就可以準(zhǔn)確地分析速度場的變化。1.3熱線風(fēng)速儀動(dòng)態(tài)響應(yīng)在很多的生產(chǎn)過程中要求我們風(fēng)速儀對某流場要進(jìn)行連續(xù)的測量，要反映出流場

6、的瞬時(shí)值，以便對換熱過程有更深的認(rèn)識(shí)。這就要求我們能夠進(jìn)行動(dòng)態(tài)測量，實(shí) 時(shí)地反映出流場隨時(shí)間的變化過程。換熱面附近流體的速度場、溫度場以及通過風(fēng)速儀熱線的電流發(fā)生變化都會(huì)導(dǎo)致 熱線熱平衡的失衡，于是必定會(huì)有某個(gè)常數(shù)發(fā)生變化減緩這種熱的不平衡，比如 速度場隨電流的變化而變化。根據(jù)動(dòng)態(tài)響應(yīng)的工程，我們可以得到學(xué)=7怎-伉-鞏誑羅同式中:E一熱線內(nèi)能的增量而熱線內(nèi)能的增量由可表示為.gl i式中，m熱線的質(zhì)量，kgc熱線的比熱容，J/(kg. 0C )t一時(shí)間，s于是可得：E2熱線風(fēng)速儀的應(yīng)用2.1紊流參數(shù)測量在實(shí)際生產(chǎn)中遇到最多的就是紊流情況，而現(xiàn)在人們對紊流的研究還是停留在實(shí) 驗(yàn)的基礎(chǔ)之上，在理

7、論上的研究還不夠深入，特別是對紊流流場的分析和計(jì)算以 及紊流狀態(tài)下對流換熱系數(shù)的確定都還不能從理論上得到完全滿意的答案，風(fēng)速 儀或多或少存在誤差，而且很多的計(jì)算流場的公式都是在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)之上進(jìn)行一 定的假設(shè)和簡化，使之在數(shù)學(xué)上可解。也就是說，目前人們對紊流的研究還不夠 深入，這其中主要的原因是因?yàn)闆]有辦法準(zhǔn)確地描述紊流的流場和準(zhǔn)確地求解紊 流的流場，而且很多關(guān)于紊流流場的假設(shè)都不能夠得到很好的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，因此就 要求能夠?qū)ξ闪鞒?shù)進(jìn)行一定的測量，以便為理論研究提供可靠的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。對 于恒流式熱線風(fēng)速儀有：式中，；-、一分別為三維坐標(biāo)中三個(gè)方向的紊流強(qiáng)度；,一分別為三個(gè)方向流速脈動(dòng)值的平均值，m/

8、s*-”一分別為三個(gè)方向流速的瞬時(shí)值，m/s根據(jù)熱平衡原理一歐）-一二E（11）因此就有其中，U一任何一個(gè)方向上的流速平均指，m/sn一常數(shù)我們可以看到，只要風(fēng)速儀能測得流場中的某點(diǎn)的瞬時(shí)流速就可以得到該流場的 紊流參數(shù)。2.2雷諾數(shù)的測量很多情況下要求風(fēng)速儀得出流體的雷諾數(shù)，因?yàn)橐话愕膶α鲹Q熱都直接與雷諾數(shù) 有關(guān)，對于紊流的雷諾一般可以表示為，式中，u, v紊流中某點(diǎn)兩個(gè)不同方向的流速，m/s如果利用X型探頭來測量流場的參數(shù)時(shí)，可以分析得到因此，利用熱線風(fēng)速儀可以比較準(zhǔn)確地測量紊流的雷諾數(shù)。3熱線風(fēng)速儀的自校準(zhǔn)與修正 3.1熱線風(fēng)速儀的自校準(zhǔn) 利用熱線風(fēng)速儀可以非常準(zhǔn)確地測量流速，特別是對于

9、微風(fēng)速的情況，可以很準(zhǔn) 確地測量出其流速，這些都是比托管等其它的測量流速的儀器所不能達(dá)到的。這 就要求熱線風(fēng)速儀的靈敏度要高，空間分辨率要大，同時(shí)要能夠承受一定的沖擊 負(fù)荷，只有這樣，熱線風(fēng)速儀才可以很靈敏地測量出微風(fēng)速，而且不會(huì)對流場有 很大的影響。由于熱線風(fēng)速儀一般都比較昂貴，要求的精度也比較高，所以應(yīng)用 起來受到一定的限止，為了保證其靈敏度和準(zhǔn)確度，有必要在使用前對熱線風(fēng)速 儀進(jìn)行自校準(zhǔn)(標(biāo)定)。測非純凈氣體時(shí)，一般剛焊接好的熱線探頭較清潔，而在排氣管流場測量中的熱 線探頭將受到混在排氣中潤滑油和水蒸氣的污染。為了使標(biāo)定前熱線探頭的工作 特性盡量和實(shí)測狀態(tài)的工作特性一致，將焊接好的熱線探頭置于實(shí)測的排氣流場 中，經(jīng)試驗(yàn)約4小時(shí)之后，熱線探頭的特性可基本穩(wěn)定，經(jīng)以上預(yù)處理之后再進(jìn) 行標(biāo)定可提高熱線風(fēng)速儀的準(zhǔn)確度。熱線風(fēng)速儀的自校準(zhǔn)也是根據(jù)king公式的原理:E2 *(16)利用標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)洞，標(biāo)準(zhǔn)測速裝置等測速設(shè)備求出3種穩(wěn)態(tài)流動(dòng)時(shí)的E (Eo, E, , EZ)和 u, u2，然后根據(jù)式(17)求出n值。I心(17)3.2熱線風(fēng)速儀使用注意事項(xiàng) 在標(biāo)定完后使用時(shí)，要注意以下問題:a）線傾角的修正；b）固體壁面影響及其修正；c）流體溫度變化影響