實驗流體力學-流體力學測量儀器(簡化)

流體力學測量儀器流體壓強的測量流體速度的測量流量測量流體其它性質(zhì)的測量流體壓強的測量1什么是流體的壓強2靜壓探頭3表面測壓4總壓探頭5壓力計1什么是流體的壓強（pressure）

靜止流體運動流體

靜壓(Staticpressure)

總壓(Totalpressure)

滯止壓力、駐點壓力（Stagnationpressure）動壓(Dynamicpressure)

表面壓(Surfacepressure)1什么是流體的壓強運動流體的靜壓-----流場中某點的靜壓是指該點三個主方向上法向應力的平均值。在靜止流體中測量的都是靜壓。1什么是流體的壓強總壓-----指運動流體等熵滯止下來，速度為零時的壓強。又稱滯止壓力、駐點壓力。1什么是流體的壓強一維、定常、不可壓、伯努利方程動壓q表面壓-----流體作用于表面的壓強2靜壓探頭如何才能測量到流體靜壓？原則上說不可能測量到流體靜壓。2靜壓探頭XsXhD081624320-2-424XXh/DXs/D241680Xh：3-8D,Xs：8-15Dd/D=0.1-0.2用于測量低速流動2靜壓探頭楔型探針錐型探針用于測量超聲速流動3表面測壓R=1/4dR=1/4dR=d820820R=1/4d1/8d1/2d300450450300+0.2%-0.8%-0.5%+1.1%+0.3%+0.4%0%-0.1%-0.1%-0.3%4總壓探頭靜壓管+總壓管=風速管（皮托管）V4總壓排管用于超聲速氣流ptp0M>15壓力計一次儀表和二次儀表傳感器或探頭放大器、顯示器或壓力計管道5壓力計機械式壓力計膜盒、彈簧管Manypressuremeasuringdevicesusethefactthataforce(pressuretimesarea)causesanelasticobjecttodeform.TheBourdongageisaverycommontypeofpressuregage.Whenthepressurewithinthehollowcurvedtubeofthegageisincreased,thetubetendstostraighten.5壓力計機械式壓力計注意事項表壓和絕對壓力精度絕對誤差和相對誤差0123456MPa1..5絕對誤差:如果測量時指針對4MPa，問相對誤差是多少?？如果測量時指針對0.5MPa，問相對誤差是多少?測量時應該盡量選用量程合適的壓力表。5壓力計液柱式壓力計大氣壓力計U型壓力計杯式壓力計傾斜壓力計多管壓力計補償壓力計液柱式壓力計大氣壓力計hba液柱式壓力計U型壓力計p1p2液柱式壓力計杯式壓力計p1p2h0h1Rah2hK壓力計系數(shù)，出廠給定。液柱式壓力計傾斜壓力計p1p2L液柱式壓力計多管壓力計液柱式壓力計補償壓力計型號規(guī)格最小分度值基本誤差外型尺寸(DXH)重量精度等級工作環(huán)境YLB-1500-1.5~1.5KPa0.01mm±0.8Pa226X320mm5.5Kg二等標準溫度20±5℃YLB-2500-2.5~2.5KPa0.01mm在-1.5KPa~1.5KPa范圍：±0.8Pa226X420mm8.5Kg二等標準溫度20±5℃在-2.5KPa~2.5KPa范圍：±1.3Pa常用壓力計量單位及其標識符號

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英寸水柱（inH2O）※壓力單位的英寸水柱符號為inH2O不要書寫為inh2O;

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千克力/厘米2（kgf/cm2）※壓力單位的千克力/厘米2符號為kgf/cm2不要書寫為Kgf/cm2;

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物理大氣壓（atm）※壓力單位的物理大氣壓符號為atm不要書寫為Atm;

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巴（bar）;毫巴（mbar）※壓力單位的巴和毫巴符號為bar和mbar不要書寫為Bar和mBar;

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托（Torr）※壓力單位的托符號為Torr不要書寫為torr.

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兆帕（MPa）;千帕（kPa）;帕（Pa）※壓力單位的兆帕符號為MPa不要書寫為Mpampa;千帕符號kPa不要書寫為KPaKpa或kpa;帕的符號Pa不要書寫為pa

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磅力/英寸2（lbf/in2,psi）※壓力單位的磅力/英寸2符號為lbf/in2,psi不要書寫為Ibf/ln2Psi;

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毫米汞柱（mmHg）※壓力單位的毫米汞柱符號為mmHg不要書寫為mmhg;

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英寸汞柱（inHg）※壓力單位的英寸汞柱符號為inHg不要書寫為inhg;

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毫米水柱（mmH2O）※壓力單位的毫米水柱符號為mmH2O不要書寫為mmh2O;流體力學測量儀器流體壓強的測量流體速度的測量流量測量流體其它性質(zhì)的測量流體速度的測量1風速管2多孔探頭3熱線風速儀1風速管

風速管=總壓管+靜壓管測速管應用—飛行器ThePitottubeonanaircraftisconnectedtotheairspeedindicator,apressuretransducercalibratedtoreadinknotsormilesperhourratherthanpsi.2多孔探頭

多孔探頭YZ12354501.5401.5x2.51305管0.8五孔探頭4501.50.50.012多孔探頭

多孔探頭七孔探頭6025103610風洞落差系數(shù)測定實驗實驗目的1學習使用風速管測量氣流速度的方法。2學習風洞落差系數(shù)的測定方法。3學習使用風洞落差系數(shù)測定氣流速度的方法。風洞落差系數(shù)測定實驗風洞落差系數(shù)測定實驗求風速公式：實際風速管公式：風洞落差系數(shù)測定實驗求空氣密度：Pa

大氣壓力計Ta

溫度計單位？有效數(shù)字？誤差？風洞落差系數(shù)測定實驗根據(jù)連續(xù)性方程：根據(jù)伯努利方程：整理得到風速還可以通過測定大、小兩處截面處的壓力差來計算得到風洞落差系數(shù)測定實驗對比兩個V2，可計算出風洞落差系數(shù)3熱線風速儀

HotWireAnemometer1.熱線風速儀的工作原理2.熱線風速儀的靜態(tài)特性3.兩種運行方式3熱線風速儀熱線測速儀（HotWireAnemometer，簡稱HWA），發(fā)明于20世紀20年代。它是將流體速度信號轉變?yōu)殡娦盘柕囊环N測速儀器，也可用于測量流體的溫度。其基本原理是，將一根細的金屬絲放在流體中，通過電流加熱金屬絲，使其溫度高于流體的溫度，因此將金屬絲稱為“熱線”。當流體沿垂直方向流過金屬絲時，將帶走金屬絲的一部分熱量，使金屬絲溫度下降。熱線在氣流中的散熱量與流速有關，散熱量導致熱線溫度變化而引起電阻變化，流速信號即轉變成電信號。3熱線風速儀熱線長度一般為2mm，直徑5μm

，最小的探頭直徑僅1μm，長為0.2mm。材料為鉑、鎢或鉑銠合金等熔點高、延展性好的金屬。根據(jù)不同的用途，熱線探頭還做成雙絲、三絲、斜絲及V形、X形等。3熱線風速儀熱線測速儀的優(yōu)點是：（1）體積小，對流場干擾??；（2）頻率響應高，可達1MHz。（3）測量精度高，重復性好。（4）適用范圍廣。不僅可用于氣體也可用于液體，在氣體的亞聲速、跨聲速和超聲速流動中均可使用；可以測量平均速度，也可測量脈動值和湍流量；還可以測量多個方向的速度分量。熱線測速儀的缺點是：探頭對流場有一定干擾，熱線容易斷裂。3熱線風速儀熱線有兩種工作模式：

①恒流式。通過熱線的電流保持不變，溫度變化時，熱線電阻改變，因而兩端電壓變化，由此測量流速；②恒溫式。熱線的溫度保持不變，如保持150℃，根據(jù)所需施加的電流可度量流速。恒溫式比恒流式應用更廣泛。海流測量之儀器與方法阻抗式﹕根據(jù)海流流速大小與產(chǎn)生之拖曳力成正比之關係而設計，，(a)圖為CBI擋流板式(ChesapeakeBayInstituteDrag)，(b)圖則為Savonius轉子(Rotor)方式，RCM海流儀即為後者方式。

旋槳式流速儀ADCPAcoustic－聲學Doppler－多普勒Current－流速Profiler－剖面儀

水流在垂向上被分割成若干層，叫做深度單元（depthcell）。一臺ADCP相當于許多臺單點流速儀深度單元和流速剖面深度單元ADCP機械式流速儀水跟蹤和底跟蹤水跟蹤

由水中顆粒的回波測量水流相對于ADCP的運動，該功能叫做水跟蹤。底跟蹤由河底或海底的回波測量河底或海底相對于ADCP的運動，該功能叫做底跟蹤。如果河底或海底無推移質(zhì)，底跟蹤測得的速度即為測船的速度。所需流速=測得流速

+船速ADCP與涉水流量測驗比測(USGSFlorida)利用纜道或船拖帶ADCP進行流量測量USGSADCP應用USGSADCP應用4ADV點式流速儀安哥拉流速儀流體力學測量儀器流體壓強的測量流體速度的測量流量測量流體其它性質(zhì)的測量流量測量流量計種類：（1）節(jié)流式流量計（壓差式）：孔板、文丘里（2）容積式流量計：往復活塞、旋轉活塞、圓板、刮板、齒輪、薄膜（3）面積流量計：浮子（4）葉輪流量計：水表、渦輪（5）電磁流量計（6）超聲流量計（7）流體振動流量計：渦街、渦流、射流（8）其他：熱線、皮托管、堰槽、LDV、標記4粒子成像速度計(

PIV)

ParticleImageVelocimeter

什么是PIV1.PIV是一種在流場中同時多點（如數(shù)千點）測量流體或粒子速度矢量的光學圖象技術。

2.通常在流場的“平面薄片”中進行測量。

3.精度和空間分辨率可與LDV及HWA比較。4粒子成像速度計(

PIV)

PIV原理YX粒子第一個的像t后，粒子第二個的像t2t1t2t14粒子成像速度計(

PIV)

典型系統(tǒng):

CCD電子同步器計算機Nd:YAG激光器4粒子成像速度計(

PIV)

激光器雙YAG激光器的光路系統(tǒng)示意圖CCDYAG激光器4粒子成像速度計(

PIV)

算法雙曝光的圖象第一次曝光的圖象第二次曝光的圖象4粒子成像速度計(

PIV)算法

CCD計算機流場的像100X125mm查詢區(qū)1X1mm流場的速度分布自相關、互相關4粒子成像速度計(

PIV)

（a）尾跡中的粒子圖（c）減去來流速度后的速度場（b）尾跡的速度場（d）渦量分布圖PIV定量測量的活魚尾跡流場（來流速度88mm/s，脈沖的間隔3ms，查詢區(qū)為2.74mmX2.74mm）

速度式流量計是從直接測量管道內(nèi)流體流速v作為流量測量依據(jù)的。若測得的是管道截面上的平均流速v，則流體的體積流量qv＝A×v；(A為測量管道橫截面積)。若測得的是管道橫截面上的某一點流速v，則流體的體積流量qv＝K.A.v(K為截面上的平均流速與被測點流速的比值，它與管道內(nèi)流速分布有關)．測速式流量計差壓式流量計文丘利流量計屬于差壓式流量計當充滿圓管的流體流經(jīng)在管道內(nèi)部安裝的節(jié)流裝置時，流束將在節(jié)流件處形成局部收縮，使流速增大，靜壓力降低，于是在節(jié)流件前后產(chǎn)生壓力差．該壓力差通過差壓計檢出．流體的體積流量或質(zhì)量流量與差壓計所測得的差壓值有確定的數(shù)值關系。節(jié)流式流量計主要由兩部分組成：節(jié)流裝置和測量靜壓差的差壓計。節(jié)流裝置是安裝在流體管道中，使流體的流通截面發(fā)生變化，引起流體靜壓變化的一種裝置。常用的節(jié)流裝置有文丘利管、噴嘴和孔板，如圖所示。

常用的節(jié)流裝置文丘利管壓力損失最小，而孔板壓力損失最大。

文丘利管孔板

噴嘴容積式流量計容積式流量計橢圓齒輪流量計（普通11型）LC-A型鑄鐵橢圓齒輪流量計，廣泛用于各種油品及對鑄鐵不腐蝕液體介質(zhì)的計量；LC-E型鑄鋼橢圓齒輪流量計，用于高壓、低腐蝕性介質(zhì)的計量；LC-B型廣泛用于有較強腐蝕性液體介質(zhì)，如酸、堿、鹽及有機化合物等的計量。

LC-11型橢圓齒輪流量計容積式流量計這類儀表用儀表內(nèi)的一個固定容量的容積連續(xù)地測量被測介質(zhì)，最后根據(jù)定量容積稱量的次數(shù)來決定流過的總量。習慣上人們把計量表也稱為流量計。根據(jù)它的結構不同，這類儀表主要有橢圓齒輪流量計、腰輪流量汁、活塞式流量計等。腰輪流量計（羅茨流量計）腰輪流量計除可測液體外，還可測量氣體，精度可達0.1％，并可做標準表使用；最大流量可達1000m3/h。腰輪上沒有齒，它們不是直接相互嚙合轉動，而是通過按裝在完體外的傳動齒輪組進行傳動．搖擺式流量計Thehouseholdwatermeter,anutatingdiskvolumeflowmeter,containsonlyonemovingpart-anutatingcirculardisc.Waterflowingthroughthechamberthathousesthediscforcesittowobble(nutate).Tocomplete"onewobble"ofthedisc,aknownamountoffluidmustpassthroughthemeter.浮子流量計(面積流量計）LZ系列金屬管浮子流量計為變面積式流量計，即在流量計的垂直測量管中，當流體向上流經(jīng)管子時，浮子向上移動，在某一位置浮子所受升力與浮子重力達到平衡，此時浮子與孔板（或錐管）間的流通環(huán)隙面積保持一定。環(huán)隙面積與浮子的上升高度成比例，即浮子的某一高度代表流量的大小。浮子上下移動時，以磁耦合的形式將位置傳遞到外部指示器，使指示器的指針跟隨浮子移動，并借助凸輪板使指針線性地指示流量值的大小。

LZ系列金屬管浮子流量計轉子流量計又名浮子流量計或面積流量計。浮子流量計具有結構簡單，使用維護方便，對儀表前后直管段長度要求不高，壓力損失小且恒定，測量范圍比較寬，工作可靠且線性刻度，可測氣體、蒸汽(電、氣遠傳金屬浮子流量計)和液體的流量，適用性廣等特點．

浮子流量計的測量本體由一根自下向上擴大的垂直錐管和一只可以沿著錐管的軸向自由移動的浮子組成．如圖所示．

當被測流體自錐管下端流入流量計時，由于流體的作用，浮子上下端面產(chǎn)生一差壓，該差壓即為浮子的上升力。當差壓值大于浸在流體中浮子的重量時，浮子開始上升。隨著浮子的上升．浮子最大外徑與錐管之間的環(huán)形面積逐漸增大，流體的流速則相應下降，作用在浮子上的上升力逐漸減小，直至上升力等于浸在流體中的浮子的重量時，浮子便穩(wěn)定在某一高度上。這時浮子在錐管中的高度與所通過的流量有對應的關系。作用在浮子上的力有：流體自下而上運動時，作用在浮子上的阻力F;浮子本身的垂直向下的重力W；流體對浮子所產(chǎn)生的垂直向上的浮力B。當浮子處于平衡狀態(tài)時，可列出平衡方程式轉子流量計的測量原理式中，cd為浮子的阻力系數(shù)；o為流體密度；v為環(huán)形流通面積的平均流速：Af為浮子的最大迎流面積。只要保持流量系數(shù)a為常數(shù)，則流量與浮子高度h之間就存在一一對應的近似線性關系．我們可以將這種對應關系直接刻度在流量計的錐管上．顯然，對于不同的流體，由于密度發(fā)生變化，所以qv與h之間的對應關系也將發(fā)生變化，原來的流量刻度將不再適用．所以原則上，轉子流量計應該用實際介質(zhì)進行標定．注意：浮子流量計Themainelementsofarotameterareataperedtubethroughwhichthefluidflowsandthefloatwithinthetube.Theequilibriumheightofthefloatwithinthetubeisafunctionofthelowrateandrepresentsabalancebetweenbuoyant,weight,anddragforcesonthefloat.渦輪流量計渦輪流量計進入儀表的被測氣體，首先通過一個裝在流量計殼體內(nèi)的整流器，它不但能調(diào)整速度分布剖面，而且還能使氣體流速增大，此后氣體繼續(xù)沿流動通道流動并使渦輪旋轉。渦輪的角速度與渡過流量計氣體的平均流速成正比，通過齒輪組傳動和磁性耦合聯(lián)動裝置驅動流量計殼體上部的計數(shù)器顯示工作狀況下被測氣體的體積量。LWQ系統(tǒng)氣體渦輪流量計電磁流量計LDE型電磁流量計適用于石油、化工、冶金等領域，用于電導率大于5S/cm的液體流量測量。管內(nèi)無活動及阻流部件，無壓力損失，不受介質(zhì)密度、粘度、溫度、壓力及導電率變化影響。低頻矩形波激勵，不受工頻干擾影響。LDE型電磁流量計

電磁流量計電磁流量計是根據(jù)法拉第電磁感應定律制成的一種測量導電液體體積流量的儀表。可以測量各種腐蝕性介質(zhì)：酸、堿、鹽溶液以及帶有懸浮顆粒的漿液。被測介質(zhì)在測量管內(nèi)，由于沒有阻滯部件，所以沒有壓力損失。此流量計無機械慣性，反應靈敏，可以測量脈沖流量，而且線性較好，可以直接進行等分刻度。但電磁流量計，由于只能測量導電液體，因此對于氣體、蒸氣以及含大量氣泡的液體，或者電導率很低的液體不能測量。由于測量管內(nèi)襯材料一般不宜在高溫下工作，所以目前一般的電磁流量計還不能用于測量高溫介質(zhì)。超聲波流量計管段式超聲波流量計利用低電壓、多脈沖原理，采用雙平衡信號差分發(fā)射、接收技術。精度可達1%，完全可與電磁流量計媲美。分體管段式超聲波流量計當超聲波在流體中傳播時，會載帶流體流速的信息。因此，根據(jù)對接收到的超聲波信號進行分析計算，可以檢測到流體的流速，進而可以得到流量值。超聲波流量測量方法有很多，這里主要介紹傳播速度差方法和多普勒方法的基本原理與流量方程．超聲波流量計傳播速度差法的基本原理為：測量超聲波脈沖在順流和逆流傳播過程中的速度之差來得到到被測流體的流速。根據(jù)測量的物理量的不同，可以分為時差法(測量順、逆流傳播時由于超聲波傳播速度不同而引起的時間差)、相差法(測量超聲波在順、逆流中傳播的相位差)、頻差法(測量順、逆流情況下超聲脈沖的循環(huán)頻率差)。頻差法是目前常用的測量方法，它是在前兩種測量方法的基礎上發(fā)展起來的．傳播速度差法在測量管道中，裝兩個超聲波發(fā)射換能器F1和F2以及兩個接收換能器J1和J2，F(xiàn)1J1和F2J2與管道軸線夾角為a，管徑為D，流體由左向右流動，速度為v，此時由F1到J1超聲波傳播速度為F2到J2超聲波傳播速度為：1、時差法如果超聲波發(fā)生器發(fā)射一短小脈沖，其順流傳播時間為而逆流傳播的時間為2、相差法所謂相差法，既是通過測量超聲波在順流和逆流時傳播的相位差來得到流速．3、頻差法此法是通過測量順流和逆流時超聲脈沖的重復頻率差去測量流速。在單通道法中脈沖重復頻率是在一個發(fā)射脈沖被接收器接收之后，立即發(fā)射出一個脈沖，這樣以一定頻率重復發(fā)射，對于順流和逆流重復發(fā)射頻率為多普勒法是利用聲學多普勒原理確定流體流量的．多普勒效應是當聲源和目標之間有相對運動，會引起聲波在頻率上的變化，這種頻率變化正比于運動的目標和靜止的換能器之間的相對速度。多普勒法圖是超聲多普勒流量計示意圖。超聲換能器安裝在管外。從發(fā)射晶體T發(fā)射的超聲波束遇到流體中運動著顆?；驓馀?，再反射回來由接收晶體R1接收。發(fā)射信號與接收信號的多普勒頻率偏移與流體流速成正比。如忽略管壁影響，并假設流體沒有速度梯度，以及粒子是均勻分布的，可得方程

渦街流量計

渦街流量計

電壓式渦街流量計

插入式渦街流量計

分體式渦街流量計

潛水型渦街流量計精度：±0.1%適用流體：液體、蒸汽（飽和、過熱）流體振動流量計是60年代末期發(fā)展起來的一種較新的流量測量技術。它具有如下一些特點：可得到與流量成正比的頻率輸出信號；被測流體本身就是振動體，無機械可動部件，幾乎不受流體組成、密度、粘度、壓力等因素的影響；所以，該測量方法越來越受到人們的重視，渦街流量計（Vortexflowmeter)是利用流體流過阻礙物時產(chǎn)生穩(wěn)定的漩渦，通過測量其漩渦產(chǎn)生頻率而實現(xiàn)流量計量的。渦街流量計由渦街流量傳感器和流量顯示儀表兩部分構成，振動式流量計渦街流量計實現(xiàn)流量測量的理論基礎是流體力學中著名的“卡門渦街”原理。在流動的流體中放置一根其軸線與流向垂直的非流線性柱形體(加三角柱、圓柱等)，稱之為漩渦發(fā)生體，見圖。當流體沿漩渦發(fā)生體繞流時，會在漩渦發(fā)生體下游產(chǎn)生如圖所示不對稱但有規(guī)律的交替漩渦列，這就是所謂的卡門渦街。Whenafluidflowencountersabody,thelayersoffluidclosetothesurfacesofthebodyaresloweddown.Withastreamlinesbody,theseboundarylayersfollowthecontoursofthebodyuntilvirtuallymeetingattherearoftheobject.Thisresultsinverylittlewakebeingproduced.Withanon-streamlinedbody,aso-calledbluff-body,theboundarylayersdetachfromthebodymuchearlierandalargewakeisproduced.Whentheboundarylayerleavesthebodysurfaceitrollsupintovortices.Theseareproducedalternatelyfromthetopandbottomsurfacesofthebody.Theresultistwoparallelrowsofvorticesmovingdownstreamwiththedistancebetweensuccessivevorticesineachrowbeingthesame,avortexinonerowoccurringhalfwaybetweenthoseintheotherrow.由于漩渦之間的相互影響，其形成通常是不穩(wěn)定的。馮.卡門對渦列的穩(wěn)定條件進行了研究，于1911年得到結論：只有當兩漩渦列之間的距離h和同列的兩漩渦之間的距離L之比滿足時，所產(chǎn)生的渦街才是穩(wěn)定的圓柱體后漩渦發(fā)生的頻率為：流體力學測量儀器流體壓強的測量流體速度的測量流量測量流體其它性質(zhì)的測量液體溫度測量常用溫度計物質(zhì)的粘度粘度液體受外力作用時，在液體分子間發(fā)生的內(nèi)摩擦力稱為液體的粘性，其大小用粘度