清华大学热能工程系

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1、热工实验技术与数据处理第七讲李彦第七章热工试验技术热工实验中经常测量的参数速度压力流量温度孔隙率及比表面积气体成份气液两相流（空泡份额）气固两相流（颗粒直径）6/30/20212清华大学热能工程系本章将介绍的热工实验设备热线热膜风速计皮托管激光多普勒风速计相位多普勒风速计粒子成象速度场仪热重与差热分析仪气体分析系统压汞仪红外傅立叶光谱仪元素分析仪原子发射光谱仪色谱质谱联用仪6/30/20213清华大学热能工程系第一节速度测量热线热膜风速计(HWFA)皮托管激光多普勒风速计(LDV)相位多普勒风速计(PDA)粒子成象速度

2、场仪(PIV)6/30/20214清华大学热能工程系现代的流动测量仪器有着共同特点：利用光纤技术、芯片技术、激光技术、数字信号处理技术、图形图象处理技术以及计算机技术等手段，沿着集成化、智能化、数字化、精确化、光电一体化等思路迅速发展。6/30/20215清华大学热能工程系一、热线热膜风速计（HWFA）(一)、热线热膜风速计（HWFA）的新发展恒流式风速计(第一代风速计,五十年代以前)恒温式风速计(第二代风速计,五十年代以后)反应快,时间常数小，热滞后效应小，频率响应宽(1MHz)。三阶动态方程，具有三个以上的调节参量

3、，调节过程中互相制约，互相影响；系统很不稳定，需要做方波试验，调节麻烦；频带较窄，不适于在高频流动中使用。智能流速测量系统(第三代风速计，1995年以后)1.预移相线路模型,具有五阶的动态方程,完全革除了全部调节参量,调节简单。2.动态偏置的新概念和同步偏置的新线路,线路稳定,频带宽,动态性能好,免去了方波试验。3.利用CPU技术,具有智能化功能,多功能多用途的软件包,自动化程度有重大提高。6/30/20216清华大学热能工程系6/30/20217清华大学热能工程系6/30/20218清华大学热能工程系6/30/202

4、19清华大学热能工程系热线热膜风速计--利用放置在流场中具有加热电流的细金属丝(直径1m-10m，长度1-2mm)来测量风速的仪器。它是建立在热平衡原理基础上的。对热线材料的要求（镀铂钨丝）电阻温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热线探针--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。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

5、将它固定在楔形或圆柱形石英骨架上，其上加有加热电流。6/30/202110清华大学热能工程系6/30/202111清华大学热能工程系6/30/202112清华大学热能工程系6/30/202113清华大学热能工程系6/30/202114清华大学热能工程系热线的主要优点--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。热膜探针的特点：频率响应范围比热线窄。上限仅为100kHz工作温度较低，只比环境温度高20度工艺复杂，制造困难机械强度比热线高受振动的影响小，不存在内

6、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圆柱形热膜探针的优点不易被打断或碰伤细微粒不会遮断热膜有效地拉紧，重复性好6/30/202115清华大学热能工程系连续流中金属丝的热耗散规律热传导过程---在设计中使之最小热辐射过程---温差小自由对流过程---流速大强迫对流过程6/30/202116清华大学热能工程系与热损耗有关的因素介质的速度热线与介质之间的温度差介质的物理特性---导热、密度、粘度、浓度金属丝的物理特性---电阻温度系数、热导率、电阻率线的尺寸介质的可压缩性流动方向与热线方向之间的夹角6/30/2

7、02117清华大学热能工程系(二)、工作原理热线风速仪是利用通电的热线探头在流场中会产生热量损失来进行测量的。如果流过热线的电流为I,热线的电阻为R,则热线产生的热量是：当热线探头置于流场中时，流体对热线有冷却作用。根据牛顿公式，热线散失的热量为根据热平衡原理，有Q1=Q2,因此可写出热线的能量守衡方程6/30/202118清华大学热能工程系其中e为温度等于Te时金属丝的电阻温度系数；R0为Te时的金属丝电阻。将式中e,R0,A,B皆为常数，可见Is,Rs,U之间存在着确定的函数关系。带入前式得6/30/20211

8、9清华大学热能工程系1.当Is=常数，恒流静态方程，恒流风速计2.当Rs=常数,恒温静态方程，恒温风速计6/30/202120清华大学热能工程系恒温风速计的基本原理就是利用反馈电路使热线温度和电阻保持恒定。当风速增加，热线变冷，电阻Rs降低，1点的电压随之降低1点电压的降低引起了放大器负端电压增加，从而使E12增加E12的增加意味