三、流體速度和流量測(cè)量技術(shù)

流體速度和流量測(cè)量技術(shù)廣泛應(yīng)用于冶金、電力、石油、化工、輕工、紡織、交通、建筑、食品、醫(yī)藥、農(nóng)業(yè)、環(huán)境保護(hù)以及日常生活中。隨著經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，人們對(duì)流體速度和流量測(cè)量的要求越來(lái)越高，同時(shí)需要測(cè)量流體的種類越來(lái)越多，所以流速和流量的測(cè)量方法和儀表的種類也越來(lái)越多。

(一)流體速度測(cè)量

1.概述

流體速度是一個(gè)矢量，它具有大小和方向，所以測(cè)量流體速度時(shí)應(yīng)當(dāng)測(cè)量其大小和方向。測(cè)量流體速度通帶有三種方法。一種是利用各種測(cè)壓管，其原理是在測(cè)速點(diǎn)上用測(cè)壓管(又稱速度探針)直接測(cè)量該點(diǎn)處的總壓和靜壓之差，然后利用伯努利方程求得流體的速度。其中5孔和7孔速度探針還能獲得速度的三維大小和方向。

另一種測(cè)量流體速度的方法是利用熱線風(fēng)速儀。熱線風(fēng)速儀可以測(cè)量流體的平均速度、脈動(dòng)速度和流動(dòng)方向。由于熱線風(fēng)速儀的探頭(熱線或熱膜)幾何尺寸很小，對(duì)流動(dòng)的干擾也小，可以安置在速度探針難以安放的地方(如流體的邊界層內(nèi))，加之熱線風(fēng)速儀熱惰性小，也特別適合脈動(dòng)流體(如旋轉(zhuǎn)葉柵后的流體尾跡)的測(cè)量。

第三種測(cè)量流體速度的方法是激光測(cè)速。前述兩種測(cè)量流體速度的方法都是所謂接觸式的，即測(cè)速探頭必須置于流體之中，這樣就不可避免地會(huì)對(duì)流場(chǎng)產(chǎn)生干擾，從而影響測(cè)量精度。激光測(cè)速則是一種非接觸的測(cè)速方法，又由于激光單色性好、相干性好、方向性強(qiáng)、能流密度高，故其測(cè)量結(jié)果精確、可靠。

2.利用測(cè)壓管測(cè)量流體速度原理

假設(shè)一流體低速水平流動(dòng)，密度為常數(shù)，不可壓縮，繞過(guò)一物體，見(jiàn)圖2-34，根據(jù)理想流體繞物體流動(dòng)的位流理論，由一維水平穩(wěn)定流動(dòng)的微積分方程式，可以寫(xiě)出：

設(shè)流體未受擾動(dòng)區(qū)域的速度和靜壓u和p，受擾動(dòng)區(qū)的速度和靜壓為ui和pi，通過(guò)對(duì)式(2-24)積分，可以得到伯努利方程式：

未受擾動(dòng)的流體到達(dá)￡點(diǎn)時(shí)，部分流體質(zhì)點(diǎn)完全滯止，即速度等于零。在任何被流體繞過(guò)的物體上，都會(huì)存在這樣的點(diǎn)。因此，t點(diǎn)就稱為臨界點(diǎn)或駐點(diǎn)，駐點(diǎn)上的壓力就是全壓，而這點(diǎn)上的全壓就等于靜壓

pt=p (2-27)

如果在駐點(diǎn)處迎著流體方向放置一個(gè)小管，管口所感受的壓力就是全壓。

在未擾動(dòng)區(qū)和擾動(dòng)區(qū)之間，當(dāng)擾動(dòng)很小時(shí)，可以認(rèn)為ui≈u≠0，由式(2-27)得

pi=p (2-28)

即受擾動(dòng)區(qū)的壓力等于未擾動(dòng)區(qū)的壓力。根據(jù)靜壓的概念，它是垂直作用于流體流動(dòng)方向單位面積上的作用力。由此可知，只要在擾動(dòng)較小的條件下，與未擾動(dòng)區(qū)有一定距離的合適位置上，垂直作用于流體流動(dòng)方向的物體上開(kāi)孔，或者放置一個(gè)小管管口與流體流動(dòng)方向垂直，則它們所感受的壓力就是靜壓。這就是測(cè)量全壓和靜壓的原理。有了全壓和靜壓，動(dòng)壓的問(wèn)題就顯得非常容易了。

測(cè)量靜壓必須滿足壓力系數(shù)為零的條件。所謂壓力系數(shù)通常用C.來(lái)表示，即

3.一維測(cè)壓管

由前述測(cè)壓管測(cè)量原理可知，只要采用全壓管和靜壓管，就可以進(jìn)行流體壓力和速度的測(cè)量。

一般對(duì)測(cè)壓管的要求是：①在慣性不大的情況下，感壓部分的尺寸要盡量小;②對(duì)來(lái)流方向的敏感性越遲鈍越好;③要有足夠的強(qiáng)度;④感受孔與測(cè)壓管輯軸之間要保證最小的距離。全壓管最關(guān)鍵的參數(shù)是對(duì)流動(dòng)偏角不敏感，因?yàn)樵趯?shí)際應(yīng)用中，并不能十分準(zhǔn)確地使測(cè)量孔對(duì)準(zhǔn)來(lái)流方向。而由于它的不敏感性，即使來(lái)流方向與全壓孔軸線有一定的偏角，也可以正確地測(cè)量全壓值。圖2-35是L形全壓管結(jié)構(gòu)形式。