工程流體力學(xué)課件第11章：流體測(cè)量

1、11.1 11.1 壓壓強(qiáng)的強(qiáng)的測(cè)測(cè)量量11.2 11.2 流速的流速的測(cè)測(cè)量量11.3 11.3 流量的流量的測(cè)測(cè)量量工程工程實(shí)實(shí)例例第第1111章章 流體的流體的測(cè)測(cè)量量第第11章章 流體的測(cè)量流體的測(cè)量教學(xué)提示教學(xué)提示：本章討論流體及流動(dòng)參數(shù)的測(cè)量原理、方法和常用儀器。同時(shí)本章也可作為流體靜力學(xué)基本方程和能量方程的實(shí)際應(yīng)用。教學(xué)要求教學(xué)要求：掌握流速、流量、壓強(qiáng)的測(cè)量原理和常用儀器。11.1壓強(qiáng)的測(cè)量壓強(qiáng)的測(cè)量在進(jìn)行流體力學(xué)研究和涉及流體力學(xué)的工程實(shí)際應(yīng)用中，壓強(qiáng)的測(cè)量技術(shù)是流體要素測(cè)量的基礎(chǔ)，用皮托管測(cè)速和用某些阻尼器測(cè)量流量參數(shù)，通常都通過壓強(qiáng)測(cè)量的轉(zhuǎn)換來實(shí)現(xiàn)。壓強(qiáng)通常不能直接顯示，

2、必須將它變換為位移、角位移、力或各種電量參數(shù)進(jìn)行測(cè)量。壓強(qiáng)的測(cè)量裝置由壓強(qiáng)感受、傳輸和指示三部分組成。在常規(guī)測(cè)量中，壓強(qiáng)感受常用測(cè)壓孔和各種形狀的壓強(qiáng)探針，感受到的壓強(qiáng)大小通過各種液體測(cè)壓管或金屬壓力表來指示。在測(cè) 量 動(dòng) 態(tài) 壓 強(qiáng) 時(shí) 常 采 用 壓 力 傳 感 器壓 力 傳 感 器 ( P re s s u re transducer)，將所感受到的動(dòng)態(tài)壓強(qiáng)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸入相應(yīng)的儀表指示或輸入計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)打印輸出。顯然，測(cè)量的精度主要取決于壓強(qiáng)感受和壓強(qiáng)指示兩個(gè)環(huán)節(jié)的誤差大小。11.1.1靜壓的測(cè)量靜壓的測(cè)量無論流體處于靜止?fàn)顟B(tài)，或?qū)τ诹鲃?dòng)的流體，當(dāng)用固定壁面開孔感受壓強(qiáng)或用對(duì)流場(chǎng)干擾很小

3、的探針通過周壁小孔感受到的流體壓強(qiáng)都可稱為流場(chǎng)中某點(diǎn)的靜壓靜壓。通常認(rèn)為，只要壁面上開設(shè)的靜壓孔足夠小，孔的軸線垂直壁面，孔的邊緣沒有毛刺或凹凸不平，靜壓孔中感受到的就是測(cè)點(diǎn)上流體壓強(qiáng)的真實(shí)值。而當(dāng)孔的邊緣處有毛刺或凹凸不平時(shí)，將會(huì)產(chǎn)生局部旋渦，使測(cè)量值不準(zhǔn)確。靜壓孔內(nèi)外流體的相互影響引起了測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生誤差。壁面沒有開設(shè)測(cè)壓孔，近壁處是很薄的邊界層，壁面處流速為零。這時(shí)沿壁面法線方向上沒有壓強(qiáng)梯度，各點(diǎn)的壓強(qiáng)等于邊界層外邊界上的壓強(qiáng)，這時(shí)，因?yàn)榱黧w的粘性，在法線方向上存在速度梯度而使流體對(duì)壁面作用有切應(yīng)力，壁面處流速為零。當(dāng)壁面開設(shè)靜壓孔后，在粘性切應(yīng)力作用下，靜壓孔內(nèi)流體產(chǎn)生流動(dòng)，近孔處的流

4、線向孔內(nèi)稍許彎曲，影響到邊界層內(nèi)法線方向的靜壓不再保持不變，并導(dǎo)致靜壓孔內(nèi)感受出的壓強(qiáng)偏離流體中靜壓的真實(shí)值。其偏差的程度主要決定于靜壓孔的幾何參數(shù)和加工情況。圖11-1給出了孔徑和流速對(duì)靜壓測(cè)量的影響。靜壓孔的幾何形狀和孔軸方向所能引起的靜壓測(cè)量誤差如圖11-2所示。雖然垂直壁面的靜壓孔存在一定誤差，但因?qū)τ谛∮?mm的小孔，誤差很小，且與壁面垂直時(shí)容易加工，所以靜壓孔常加工成與壁面垂直。11.1.2壓強(qiáng)測(cè)量?jī)x表壓強(qiáng)測(cè)量?jī)x表測(cè)量壓強(qiáng)的方法很多，通常根據(jù)被測(cè)壓強(qiáng)的大小和測(cè)量精度要求選用不同的壓強(qiáng)測(cè)量?jī)x表。1液體測(cè)壓計(jì)液體測(cè)壓計(jì)液體測(cè)壓計(jì)是根據(jù)流體靜力學(xué)原理設(shè)計(jì)利用液柱高來測(cè)量壓強(qiáng)的儀表。在靜力

5、學(xué)中曾學(xué)過，對(duì)于靜止且連通的均質(zhì)液體，在重力場(chǎng)中等壓面是水平面。因此連通的均質(zhì)靜止流體中，任意兩點(diǎn)的壓強(qiáng)差只與兩點(diǎn)間的垂直高度有關(guān)，而與容器的形狀無關(guān)，這樣，若在被測(cè)液體的容器壁上所要測(cè)量壓強(qiáng)處開孔并接透明(如玻璃)管子，即可測(cè)出液體中的壓強(qiáng)。(1) 單管測(cè)壓計(jì)這是一種最簡(jiǎn)單的測(cè)壓計(jì)(見圖11-3)：將一根玻璃管與液體中所要測(cè)量壓強(qiáng)處容器壁上的壓力感受孔相連接，管子的另一端開口與大氣相通，利用測(cè)量被測(cè)液體在管中上升的液柱高度來測(cè)定容器中液體的壓強(qiáng)。為減小因毛細(xì)現(xiàn)象所帶來的測(cè)量誤差，管子內(nèi)徑不能小于 ，通常取 。在容器內(nèi)壓強(qiáng)的作用下，液體在測(cè)壓管中上升高度為 ，若液體的密度為 ，則由流體靜壓強(qiáng)基

6、本公式得出容器液體中 點(diǎn)的計(jì)示壓強(qiáng)為(2) U形管測(cè)壓計(jì)圖11-4所示為U形管測(cè)壓計(jì)，它一端與大氣相通另一端連接到所要測(cè)量壓強(qiáng)的 點(diǎn)處。根據(jù)U形管內(nèi)量得的液柱高度差計(jì)算出 點(diǎn)的壓強(qiáng)。通常根據(jù)被測(cè)點(diǎn)的壓強(qiáng)大小和被測(cè)流體的性質(zhì)，選用U形管中的工作介質(zhì)。當(dāng)被測(cè)壓強(qiáng)較大時(shí)，可以采用密度較大的水銀等作為工作介質(zhì)；當(dāng)測(cè)量氣體壓強(qiáng)且被測(cè)點(diǎn)壓強(qiáng)不大時(shí)，可以采用酒精、水、四氯化碳等液體做工作介質(zhì)。在容器中被測(cè)液體靜止不動(dòng)時(shí)，讀數(shù)誤差在 左右，若被測(cè)液體處于流動(dòng)狀態(tài)時(shí)，因U形測(cè)壓管內(nèi)工作介質(zhì)液面波動(dòng)將使讀數(shù)誤差增大至 。2金屬彈簧壓力表金屬彈簧壓力表當(dāng)測(cè)量較高的壓強(qiáng)，或?qū)τ诟鞣N流體系統(tǒng)檢測(cè)壓強(qiáng)時(shí)，常采用金屬彈簧管

7、式壓力表 圖11-7是金屬彈簧管式壓力表的基本結(jié)構(gòu)示意圖。當(dāng)有壓強(qiáng)的被測(cè)流體通入時(shí)，具有扁橢圓形截面的金屬彈簧管l（圖中 段），在內(nèi)外壓差的作用下產(chǎn)生彈性變形,由管末端處的拉桿2拉動(dòng)扇形齒輪3使與其嚙合的齒輪4轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)指針5指示壓強(qiáng)值。游絲7用以消除齒輪間的間隙，提高測(cè)量精度。調(diào)節(jié)螺釘9的位置可以改變傳動(dòng)放大系數(shù)，調(diào)節(jié)壓力表量程。6為表盤，8為連接螺柱。彈簧管的變形隨壓強(qiáng)上升而增大，通常根據(jù)不同的壓強(qiáng)測(cè)量范圍和測(cè)量精度要求選用合適量程和精度的金屬壓力表。使用一定時(shí)間的金屬壓力表，應(yīng)該用壓力表校正裝置進(jìn)行校正，以保證其測(cè)量精度。11.1.3動(dòng)態(tài)壓強(qiáng)的測(cè)量動(dòng)態(tài)壓強(qiáng)的測(cè)量對(duì)流動(dòng)過程的實(shí)驗(yàn)研究和對(duì)工

8、業(yè)生產(chǎn)中的流體系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，以及對(duì)流體機(jī)械的流動(dòng)特性進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時(shí)，經(jīng)常會(huì)遇到動(dòng)態(tài)壓強(qiáng)(Dynamic Pressure)的測(cè)量和壓強(qiáng)的遠(yuǎn)距離傳送、顯示、記錄以及控制等問題。為了實(shí)現(xiàn)壓強(qiáng)信號(hào)的遠(yuǎn)傳顯示，通常將壓強(qiáng)用波紋管、膜片等彈性敏感元件轉(zhuǎn)變?yōu)槲灰?、力和其它?yīng)變信號(hào)，然后通過電阻式、電感式或電容式等電動(dòng)變換器轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，放大后遠(yuǎn)傳至顯示或記錄儀表。這種壓強(qiáng)變送器因動(dòng)態(tài)響應(yīng)較慢，主要適用于測(cè)量靜態(tài)壓強(qiáng)或變化緩慢的壓強(qiáng)。目前廣泛應(yīng)用于動(dòng)態(tài)壓強(qiáng)測(cè)量的傳感器主要有電阻式、應(yīng)變式、電容式、電感式、壓電式、壓阻式等壓強(qiáng)傳感器。電阻式壓強(qiáng)傳感器由于非線性誤差大，頻率響應(yīng)低而主要在測(cè)量精度和動(dòng)態(tài)響應(yīng)要

9、求不高的場(chǎng)合使用。應(yīng)變式壓強(qiáng)傳感器由壓強(qiáng)敏感元件和貼在它上面的電阻應(yīng)變片組成，前者將被測(cè)壓強(qiáng)轉(zhuǎn)換為應(yīng)變量，然后由電阻應(yīng)變片將應(yīng)變量變換為電阻的變化量，并通過電橋?qū)⒆兓碾娮枇恳噪妷狠敵觯粔簭?qiáng)敏感元件有膜片式、應(yīng)變筒式、應(yīng)變梁式等多種，而電阻應(yīng)變片則有箔式、絲式和半導(dǎo)體應(yīng)變片三類。應(yīng)變式壓力傳感器測(cè)量范圍可達(dá) ，動(dòng)態(tài)頻響達(dá)到 ，測(cè)量誤差為 。由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、測(cè)量精度高、價(jià)格適中而得到廣泛應(yīng)用。圖11-8是這種傳感器的原理框圖。圖11-10是量測(cè)系統(tǒng)原理框圖。由橋路測(cè)得的微弱電阻變化經(jīng)前置放大器放大輸出模擬電壓信號(hào)，輸人信號(hào)調(diào)理端子經(jīng)濾波后送人A/D轉(zhuǎn)換板，經(jīng)轉(zhuǎn)換后得到電平數(shù)字量信號(hào)，輸入

10、計(jì)算機(jī)分析處理形成實(shí)時(shí)圖形數(shù)據(jù)文件，最后由打印機(jī)打印輸出數(shù)據(jù)、曲線和圖形，從而使我們能實(shí)時(shí)了解實(shí)驗(yàn)或工業(yè)生產(chǎn)的進(jìn)程，并進(jìn)而控制參數(shù)輸入和整個(gè)過程。11.2 流速的測(cè)量流速的測(cè)量通常在流體工程的研究過程中，以及飛行器在飛行中，經(jīng)常要進(jìn)行流速的測(cè)量，使用最多的是皮托管(又稱探針)和總壓管。11.2.1 總壓管總壓管如圖11-1l所示是一種用于測(cè)速的總壓探孔，它是一種兩端開孔成L形的管子。若要測(cè)量流體中 點(diǎn)的流速，可以將總壓管置于 點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)流動(dòng)方向， 點(diǎn)處形成流速為零的滯止點(diǎn)滯止點(diǎn)(Stagnation point)，11.2.2皮托管很多情況下，例如在管路中，流動(dòng)流體中某點(diǎn)的壓強(qiáng)并不知道，只用總壓管

11、無法測(cè)得流體中的流速，這時(shí)常用總壓管與靜壓管組合在一起的探針測(cè)速，稱為測(cè)速管或皮托管(Pitot Tube)。圖11-12為具有半球形頭部的皮托管結(jié)構(gòu)示意圖。11.2.3 三孔圓柱形探針三孔圓柱形探針11.2.4 熱線（膜）風(fēng)速儀熱線（膜）風(fēng)速儀利用探針測(cè)量流動(dòng)速度，是基于測(cè)量流場(chǎng)的壓強(qiáng)來間接測(cè)定流動(dòng)速度，但當(dāng)流動(dòng)的速度和方向脈動(dòng)時(shí)，即使脈動(dòng)頻率只有幾赫茲，由于響應(yīng)速度較慢，也難以得到滿意的結(jié)果。在流體力學(xué)動(dòng)態(tài)測(cè)試中，流速的脈動(dòng)頻率從幾赫茲到上萬赫茲，一般的測(cè)速探針已無法測(cè)得流動(dòng)速度的瞬時(shí)值和脈動(dòng)頻率。熱線風(fēng)速儀(Hot-wire Anemometer)和熱膜流速儀(Hot-film Anem

12、ometer)是為測(cè)量流體脈動(dòng)速度而發(fā)展起來的流速量測(cè)儀器。將裝有金屬絲的金屬熱敏探頭置于欲測(cè)流速的流場(chǎng)中。將金屬絲加熱，流體與金屬絲發(fā)生熱交換帶走部分熱量。流動(dòng)速度的變化將改受金屬絲冷卻的速率，利用在不同流速下散熱率不同的原理，通過量測(cè)熱敏探頭的散熱率來確定流場(chǎng)的流速。熱線(膜)探頭的結(jié)構(gòu)見圖11-14。 圖11-14b是熱膜探針。為提高探針金屬絲的強(qiáng)度和量測(cè)的穩(wěn)定性，利用在石英或玻璃桿上沉積一層很薄的鉑金屬膜做成熱膜探針。一般熱膜探針的直徑約為 。熱膜探針在工作溫度 下具有較高的靈敏度，故可用于液體和氣體流場(chǎng)的測(cè)速。若將兩個(gè)熱線(膜)元件做成X或V形探針?？梢詼y(cè)量二維、三維流場(chǎng)的流速。圖1

13、1-15是熱線(膜)流速儀的電橋電路原理圖。將熱敏元件的兩端接在電橋的一個(gè)臂上，當(dāng)流速為零時(shí)，電橋處于平衡狀態(tài)。這是采用一個(gè)反饋回路的等溫補(bǔ)償電路，量測(cè)時(shí)保持熱敏元件的溫度不變。當(dāng)流過熱敏探針的流速增加時(shí)，熱交換使熱線(膜)降溫，電阻減小 端的電位降低，使輸入放大器的電壓增加，因而反饋電流和通過熱線(膜)電阻的電流增加，使熱敏元件保持原來的溫度。 11.2.5激光多普勒測(cè)速儀激光多普勒測(cè)速儀當(dāng)激光的光線照射到跟隨流體運(yùn)動(dòng)的固體微粒上時(shí)，固定的光接收器接受到運(yùn)動(dòng)微粒的散射光的頻率是變化的，當(dāng)散射光與光接收器的相對(duì)運(yùn)動(dòng)使兩者距離減小時(shí)，頻率增高。距離增大時(shí)，頻率減小，頻率的變化量與相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度的大

14、小和方向有關(guān)，也與激光的波長(zhǎng)有關(guān)。接收器接收運(yùn)動(dòng)物體散射光的這種現(xiàn)象稱為激光多普勒效應(yīng)，又稱為多普勒頻移。即當(dāng)固定接收器接收運(yùn)動(dòng)微粒散射光的頻率時(shí)。由于運(yùn)功微粒與接收器間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，接收到的頻率已不是運(yùn)動(dòng)物體散射光的頻率，兩者間產(chǎn)生了頻移。激光多普勒測(cè)速儀(Laser Doppler Anemometer)就是利用激光多普勒效應(yīng)做成的，應(yīng)用電測(cè)測(cè)定頻移大小，并由此確定流場(chǎng)中某點(diǎn)上的流體運(yùn)動(dòng)速度。圖11-16是激光測(cè)速儀的光路和處理系統(tǒng)框圖。11.3流量的測(cè)量流量的測(cè)量最常見的流量計(jì)有文丘里管、孔板流量計(jì)、噴嘴流量計(jì)、堰板流量計(jì)等，它們都是壓差式流量計(jì)，即在流道上安裝一個(gè)節(jié)流元件，利用流體流過節(jié)

15、流元件時(shí)產(chǎn)生壓強(qiáng)差來測(cè)定流量，其基本原理都是利用了總流機(jī)械能守恒方程（伯努利方程）。在實(shí)驗(yàn)室中還常用體積（或質(zhì)量)流量計(jì)。在工業(yè)上應(yīng)用最多的是轉(zhuǎn)子流量計(jì)、渦輪流量計(jì)、電磁流量計(jì)、超聲波流量計(jì)、旋渦流量計(jì)和多種容積式流量計(jì)。11.3.1體積（質(zhì)量）流量計(jì)體積（質(zhì)量）流量計(jì)利用經(jīng)過標(biāo)定的容器測(cè)定某一時(shí)間段內(nèi)流出某一過流斷面的流體體積或質(zhì)量，這種流量測(cè)定設(shè)備稱為體積(質(zhì)量)流量計(jì)。這是一種十分簡(jiǎn)易的方法，但測(cè)量的結(jié)果具有很高的精度，因此它常被用作節(jié)流式流量計(jì)和容積式流量計(jì)的率定裝置。11.3.2文丘里流量計(jì)文丘里流量計(jì)典型的文丘里流量計(jì)(Venturi Meter )如圖11-17所示，它由收縮段、

16、喉管和擴(kuò)散段三部分構(gòu)成。它常用于測(cè)量有壓管道中的流量。收縮段前的進(jìn)口斷面l-1和喉管斷面2-2為緩變斷面，在該處開設(shè)測(cè)壓孔，并與測(cè)壓管連接。由于收縮段處的喉管直徑較小，流體流經(jīng)該處時(shí)將一部分壓強(qiáng)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，通過測(cè)量?jī)蓚€(gè)斷面間的測(cè)壓管水頭差，就可以汁算流經(jīng)管道的流量。11.3.3噴嘴流量計(jì)和孔板流量計(jì)圖11-18是噴嘴流量計(jì)(Flow Nozzle)，圖11-19所示為孔板流量計(jì)(Orifice Meter)，它們與文丘里流量計(jì)一起又稱為節(jié)流式流量計(jì)。噴嘴出口處流動(dòng)平行于軸線，為緩變流，故可以在噴嘴進(jìn)口前斷面1-1和出口斷面2-2處開設(shè)測(cè)壓管孔。對(duì)于孔板流量計(jì)，流體流經(jīng)孔口時(shí)將發(fā)生收縮流動(dòng)，收

17、縮的最小斷面處液流為平行流動(dòng)。故可以在最小斷面2-2和孔板前1-1斷面處設(shè)立測(cè)壓管孔。對(duì)1-1和2-2斷面列伯努利方程，且 仍采用1-1和2-2斷面間的測(cè)壓管高差，則與文丘里流量計(jì)類同可以得到11.3.4渦輪式流量計(jì)渦輪式流量計(jì)圖11-20是渦輪式流量計(jì)的示意圖，測(cè)量時(shí)渦輪流量計(jì)沿水流方向放置。當(dāng)渦輪流量計(jì)置于一定直徑的管道中時(shí)，渦輪的旋轉(zhuǎn)速度與流速亦即與流量成正比，通?？梢酝ㄟ^某些標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)（如體積流量計(jì)）來率定渦輪流量計(jì)。建立流量與渦輪轉(zhuǎn)速（或頻率）的關(guān)系。流量計(jì)的殼體6為不導(dǎo)磁的不銹鋼，在其上裝有非接觸式磁電轉(zhuǎn)速傳感器2，渦輪則由導(dǎo)磁的不銹鋼做成。一定流速的流體帶動(dòng)渦輪1轉(zhuǎn)動(dòng)，渦輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)

18、葉片切割傳感器2的磁力線產(chǎn)生脈沖信號(hào)，其頻率與轉(zhuǎn)速成正比，即通過測(cè)定頻率，就可以得到對(duì)應(yīng)的流量。為提高測(cè)試精度，在流體進(jìn)口處設(shè)有帶導(dǎo)葉4的導(dǎo)流器3，5為密封，渦輪流量計(jì)的測(cè)量誤差一般小于1%。流體粘度的變化將對(duì)測(cè)量精度有較大影響，因此，對(duì)于溫度的變化應(yīng)有相應(yīng)的校正補(bǔ)償。11.3.5電磁式流量計(jì)電磁式流量計(jì)11.3.6容積式流量計(jì)容積式流量計(jì)容積式流量計(jì)利用通過容積式馬達(dá)的流量與轉(zhuǎn)速成正比的原理做成，按其結(jié)構(gòu)形式有橢圓齒輪流量計(jì)、齒輪馬達(dá)流量計(jì)、柱塞式馬達(dá)流量計(jì)等多種。容積式流量計(jì)通常直接安裝在被測(cè)流量的管道中。圖11-22是橢圓齒輪流量計(jì)的工作原理圖，在殼體內(nèi)有一對(duì)互相嚙合的橢圓齒輪。流體如圖示方向流動(dòng)，通過流量計(jì)時(shí)存在壓力損失，所以