第七章 压力与流速测量

粒子成像测速 (PIV ) 技术概述

加入示踪粒子照明记录数据处理

喷射示踪

• 喷雾雾滴照明

• Nd:YAG

Kodak M.P. ES1.0 照相机PIV 2100 处理器FlowManager 软件

PIV喷雾测试示意图激光激光导向臂导向臂

照相机照相机

喷嘴

片光束片光束

PIV试验装置照片

柴油的喷雾特性

压力(或速度)是热力机械中工质运动状态最重要的参数之一。

热线测速是一种非常合适的仪表(紊流、三维、扰动)

激光多普勒测速仪(LDA)，相位多普勒测速仪(PDA)，粒子成像测速仪(PIV)，

图像处理， CT技术[ 模型测量，透光]

空气动力测压法（最传统的、实用的）

静压－单位面积上所承受的垂直的表面力（不存在切向力）

总压－气流某点上速度等熵滞止到零时，所达到的压力（滞止压力）

动压－即速度头，为总压与静压之差。

7.1 气流压力的测量一、 压力测量的分类

1． 按被测压力的性质分为 静压和动压(随或不随时间变化)

2． 按测压仪表的工作原理 液柱式压力计(U型管) 弹簧式压力计(弹簧管压力表) 电气式压力计(应变式压力计) 活塞式压力计(用作标定，或等压测量用)

二、 空气动力测压法分类 1． 根据用途分类 总压管、静压管、动压管 2． 按感受头结构分类 机加工－圆盘型、套筒型、圆柱型、圆球型。 小管加工－内爪、外爪、梳型、耙型。

三． 气流总压的测量 ▲在没有外作用下，气流速度等熵地减速到零时所产生的压力

· 要考虑测压管对气液的干扰作用 · 必须合理选择和使用测压管

· 将测量管口轴线对准气流方向(要求孔口无毛刺，壁面光滑)

· 当气流进入管孔后，被滞止下来 · 由于实际流场的复杂性(气流方向变，安装精度高) 希望总

β压管对气流方向不敏感。如偏差某一角度 ，还能正确反映实际总压 · 习惯上用压力误差占速度头百分比表示。(图)

式中 mp

－测量值

p－ 实际值

212

mp p

w

1. 不同型式总压管感受头 · β半圆形感受头 角最小 0( 5 ) · β孔口带倒角的 = 015

· β带导流套的 角最大 )45( 0

2. 不同的气流速度

· 对于不可压缩流体。21

2p p w (伯努利方程)

· 对于可压缩流体。

21(1 )

2p p w

242

4 24

M kM

ε压缩性修正系数 与气流马赫数M有如下关系。

M 0. 1 . 2 . 3 . 4 . 5 . 6 . 7 . 8 . 9 1. 0

. 0025 . 0100 . 0225 . 0400 . 0620 . 0900 . 01280 . 1730 . 2190 . 2750

对圆柱体绕流，圆球、旋转体的绕流，超音速气流遇到障碍

物产生的激波无效

k

w

a

· β总压管的不敏感度 随气流速度变化而有不同程度的变化系数 · 气流速度

· 即在同一误差情况下， ↑ → ↓

· 若=0. 878时，允许相对误差为-0. 1%之内， =±12°

-0. 5%之内， =± 22°

要求： · 结构简单； 刚度强； 尺寸小； 对流场干扰小。

· 根据实际气流状况(流速精度)统计。

- - -实际流速

- - -临界音速

· 无毛刺，表面光滑。 · 安装合理(对准流气流方向) ★ 每一根总压管由于加工工艺上的误差，会引起不敏感角有差异。 为此，要求每一根探针都要在风洞上标定。

图 7-5 总压管（L型）

7-6 梳状总压管（垂直多点） 7-7耙状总压管（同一平面点） 7-9附面层总压管（鸭嘴型）

四． 静压测量 概念：感受管对气流无任何干扰，气流速度和流线未受任何破坏的情况下，测得的压力为静压。

a) 壁面静压孔 Φ在沿气道壁面垂直开孔，（ 0. 5～1. 0mm）误差 0. 4％ ，

L/ d≥ 3； 孔口无毛刺 对气流干扰小。 b) 静压管 当必须测定流场中某点静压时 图 7-11（L型）、图 7-12（可测三元气流静压）

五． 液柱式 U型管压力计 微压计（斜管） 六． 弹簧机械式压力计 1.弹簧管压力计（图 7-14） 受压力后，弹簧管椭圆形（长轴和短轴）变形，带动扇形齿轮转动，与弹簧力平衡，使指针转动。 有单圈，盘旋形，螺旋形弹簧管。 2.膜式压力计 （图 7-16）

· 多用作压力控制器

七.二元气流速度和方向的测量 P190 图 7-30 1.转动法

· 二元气流用圆柱形三孔探针（三元气流用球形五孔探针） · 圆柱绕流的压力分布 · 在同一垂直管轴的平面圆周上，孔 1，孔 3与孔 2的夹角应

±各为 30° · 内径为 0. 3－0. 6mm分别引入 U型管。 · ±在 45° 处对气流方向有最大的敏感度。 · p = 2p (总压) p－由风洞测定

4p = 1p = 3p（静压）

· 为测准气流方向，不用 30° 而用 45° (敏感)有内在规律。

· ≤ 0. 6 2p 为总压时， 2 1p p ∝21

2w

· ≤ 0. 3 视不可压缩流体 21

2p p w

取

2

2 1 2 1

12w p p

p p p p

，若 确定，则静压 p也唯一确定

当 0. 3≤ ≤ 0. 6 用可压缩流体的伯努利方程

2

1 2 1

k p w k p

k k

22

2 1 1

1( )

12

kpw

kp p p p

若确定， )(2 唯一确定，查气动函数表，可确定*

1 3, ( )p p p

2.不转动法(标定时，要转动，有了规律，使用时可不转动)

要求探针基本对准气流方向， 1 3p p ， 2p p ，要求将 p、

p，

寻找 1 3 2, ,p p p 与 (气流偏角)、总压 p之间的规律性。

· 引进角度系数K

3 1 3 1

2 1 2 3 2 1 3( ) ( ) 2

p p p pK

p p p p p p p

(√ )实测得到

· 引进总压系数 0K

2 20

2 1 2 3 2 1 3( ) ( ) 2

p p p pK

p p p p p p p

(求出总压 p)

对于每一根探针在不同的 下能测定出 1 2 3, ,p p p 算出 K 、 0K 。有了标定的此图，即可用不转动法确定出β （即实际气流方向）。

· 引进速度系数 （用于确定 p： p ）

· ≤ 0. 3 不可压缩流体 2 1 2 3( ) ( )

p p

p p p p

· 0. 3≤ ≤ 0. 6 可压缩流体

2

2 1 3

( )1

2

kp

kp p p

根据不同的 值,得到 0K ,反求 p →根据 , 1 3 2, ,p p p 及 p由 公式算出 p (静压)

∴ 每根探针只 有在标准 风洞中进到校准后 ,得到)(K , )(0 K , )( 关系. 曲线后,才能用不转动法测量. 空间气流(三维)测定用球形五孔测压管.

7.2 热线测速仪热线测速仪（ Hot wire Anemometer ，简称 HWA ），发明于 20 世纪 20 年代。其基本原理是将一根细的金属丝放在流体中，通电流加热金属丝，使其温度高于流体的温度，因此将金属丝称为“热线”。当流体沿垂直方向流过金属丝时，将带走金属丝的一部分热量，使金属丝温度下降，热线根据强迫对流热交换理论，可导出单位时间热线的发热量应与热线对流体的放热量平衡。根据不同的用途，热线探头还做成双丝、三丝、斜丝及V 形、 X 形等。

热线测速仪

测速仪的惯性小，最小的直径只有 1 微米，焊在两根支杆上，通过绝缘座引出接线。热线材料多采用钨丝和铂丝，热线的细长比约为 300 。热线两端涂覆以 12 微米厚的铜金合金，使敏感部分只有中间的那一段。热线风速仪与微机联用，实现动态数据的处理。由于热线的机械强度低，承受的电流较小，不适合在液体或带有颗粒的气体中工作。在这种情况下可选用热膜，热膜是由铂或铬制成金属薄膜。

热线测速仪

热线测速仪

)(2fw TTFRI

这里： －流经热线的电流； －热线的电阻，其数值与热线的材料几何尺寸有关。在热 线材料和几何尺寸已定的条件下，它是热线稳定的函数； －对流放热系数； －热线表面积； －分别是热线和流体的温度，且 。

I

IR

Ffw TT 、

fw TT

热线测速仪由传热学中知道，无线长的圆柱体在流场中的对流换热系数和流体的导热系数、努谢尔数、热线直径有关

d

Nu

努谢尔数与雷诺数关系nbaNu Re

热线测速仪

2

1

[1 ( )]

( ' ' )( )

'

'

w f w f

nw w f w f

n

n

R R T T

I R R a b u R R

a Fa

d

b Fdb

v

流体速度是流过热线的电流和热线电阻（热线温度）的函数

n

fw

fwffw

TTb

TTTTTTRIu /100

2

})(

)()]()(1[{

),( wTIfu

其中第三项可以看成流体温度 Tf 和热线标定电阻的温度 T0 不同时的修正值，当 Tf ＝ T0 时修正值 0 。这时流体的速度只是电流和热线温度的函数

因此，只要固定 I和 Tw 两个参数的任何一个，就可以获得流体速度与另一参数的单值函数关系。

热线测速仪

热线测速仪热线在气流中的散热量与流速有关，而散热量导致热线温度变化而引起电阻变化，流速信号即转变成电信号。主要有两种工作模式：恒流式 如果在热线工作过程中，人为地用一恒值电流对热线加热，由于流体对热线对流冷却，且冷却能力随着流速的增大而加强。当流速呈稳态时，则可根据热线电阻值的大小确定流体的速度。恒温式 如果在热线工作过程中，始终保持热线的温度不变，如保持 150℃ ，则可通过测得流经热线的电流值来确定流体的速度。在实际测量电路中，测量的不是流经电路的电流，而是惠斯顿电桥的桥顶电压。

热线测速仪恒温式比恒流式应用更广泛。热线长度一般在 0.5～ 2毫米范围，直径在 1～ 10 微米范围，材料为铂、钨或铂铑合金等。若以一片很薄 ( 厚度小于 0.1 微米 ) 的金属膜代替金属丝，即为热膜风速仪，功能与热丝相似，但多用于测量液体流速。热线除普通的单线式外，还可以是组合的双线式或三线式，用以测量各个方向的速度分量。

热线测速仪从热线输出的电信号，经放大、补偿和数字化后输入计算机，可提高测量精度，自动完成数据后处理过程，扩大测速功能，如同时完成瞬时值和时均值、合速度和分速度、湍流度和其他湍流参数的测量。热线风速仪与皮托管相比，具有探头体积小，对流场干扰小；响应快，能测量非定常流速；能测量很低速（如低达 0.3 米／秒 ) 等优点。

nf

w n 2w f

R a ' b 'uR

a ' b 'u I R

电路简单

2

1

[1 ( )]

( ' ' )( )

'

'

w f w f

nw w f w f

n

n

R R T T

I R R a b u R R

a Fa

d

b Fdb

v

流体速度是流过热线的电流和热线电阻（热线温度）的函数

热线测速仪热线探头在使用前必须进行校准。静态校准是在专门的标准风洞里进行的，测量流速与输出电压之间的关系并画成标准曲线；动态校准是在已知的脉动流场中进行的，或在测速仪加热电路中加上一脉动电信号，校验热线测速仪的频率响应，若频率响应不佳可用相应的补偿线路加以改善。

热线测速仪 热线测速仪的优点是 （ 1 ）体积小，对流场干扰小； （ 2 ）适用范围广。不仅可用于气体也可用于液体，在气

体的亚声速、跨声速和超声速流动中均可使用；除了测量平均速度外，还可测量脉动值和湍流量；除了测量单方向运动外还可同时测量多个方向的速度分量。

（ 3 ）频率响应高，可高达 1 MH z 。 （ 4 ）测量精度高，重复性好。热线测速仪的缺点是探头

对流场有一定干扰，热线容易断裂。

热线测速仪 热线测速仪的主要用途是（ 1 ）测量平均流动的速度和方向。（ 2 ）测量来流的脉动速度及其频谱。（ 3 ）测量湍流中的雷诺应力及两点的速度相关性、时间相

关性。（ 4 ）测量壁面切应力（通常是采用与壁面平齐放置的热膜

探头来进行的，原理与热线测速相似（ 5 ）测量流体温度（事先测出探头电阻随流体温度的变化曲线，然后根据测得的探头电阻就可确定温度。除此以外还开发出许多专业用途。

热线测速仪随着高速公路的蓬勃发展，汽车车速不断提高，汽车气动阻力对燃油消耗的影响日益凸现出来。气动阻力的85% 是压差阻力，同时压差阻力 91%来自汽车尾部（其值随车身长短不同而异）；而汽车尾流结构对汽车空气动力特性具有决定性影响。为此，进行汽车尾流速度测量，搞清尾流结构进而改善汽车空气动力特性对开发低阻力汽车，降低汽车燃油消耗有重要意义。

热线测速仪热线风速计的出现是流体力学试验技术进步的新突破。它使汽车空气动力学试验研究获得了研究非定常流特别是湍流的有力工具。尽管 20 世纪 60 年代出现了激光测速技术，试验研究发现测量湍流参量时，激光测速常因丢失粒子信号而导致测量结果不可靠，并且由于激光测速仪价格和维持费用昂贵，在湍流场研究的应用范围上远不如热线技术广泛。今后热线技术仍将是汽车湍流，特别是汽车尾流场速度测量的主要手段。

热线测速仪

热线测速仪

测量横截面：试验对 4 个尾流速度测量横截面进行了速度分布测量。本车的模型高为 h=126mm， 4 个面距离汽车尾端分别为 1h， 2h， 3h， 4h 处，分别对应 x/h=1， 2， 3， 4 。

热线测速仪

热线测速仪空气流量传感器是由安装在发动机进气管中的电加热元件（如采用铂热线的电热丝）所构成。进入发动机进气管内的气流将电热元件冷却，使电热丝的阻值发生变化，通过对流过电热丝中的电流测定就可测得进入发动机中的空气流量。空气流量传感器的加热元件与桥式电路构成一个测量系统，当电热丝的温度差别处于一固定范围内，传感器输出的模拟电压信号与流过传感器的电流密度成一定的比例关系。

激光多普勒测速仪激光多普勒测速仪（ Laser Doppler Anemometer或Velocimeter ），简称 LDA或 LDV ，发明于 20 世纪 60年代。其基本原理是将激光束穿透流体照射在随流体一起运动的微粒上，检测微粒散射光的频率，根据光学多普勒效应确定微粒即流体的运动速度。按多普勒效应，当光源照射到运动物体上时，若物体与光源之间存在相对运动，物体散射光的频率与光源发出的频率不同，称为多普勒频移，频移量与相对运动速度有关。

激光多普勒测速仪

激光多普勒测速仪

三位 LDV 流动测试实验台（ 3D LDV Rgs for Flow Measurement ）

激光多普勒测速仪

卫星激光通信、大气激光通信和高空大气光学探测

激光多普勒测速仪

全程质量视觉检测

激光多普勒测速仪

20 世纪 80 年代，美国国家标准局就预计，检测任务的 90% 将由视觉检测（数字测量）系统来完成。

测量系统框图

被测车身

视觉传感器

定位机构

传送机构

电气控制 网络控制 图像采集

打 印计算机

视觉传感器

网络接口

激光多普勒测速仪

校准

测量

测量数据曲线（ JETTA 改型中夹具调整的依据）

激光多普勒测速仪

激光多普勒测速仪

激光多普勒测速仪

激光多普勒测速仪

激光多普勒测速仪

激光多普勒测速仪

激光多普勒测速仪

激光多普勒测速仪上图为多普勒频移示意图，设固定激光器发出的入射光（单色光）频率为 f0 的激光束照射到随流体一起运动的微粒 P

上，微粒成为一个散射中心。由于微粒与光源存在相对速度 V，微粒散射光与入射光发生第一次频移。若用固定的光接收器接收微粒散射光，由于微粒与接收器之间，存在相对速度 -v，接收器接收到的频率 fs 是微粒散射光发生第二次频移后的频率。从入射光到接收器接收到的散射光之间的总频移 fD = f0- fs ，称为多普勒频移。多普勒频移与微粒速度存在比例关系

激光多普勒测速仪

V= k f D

k 为由测速仪光学系统和微粒运动方向决定的常数。由上式可知，用激光多普勒测速仪测量流体速度的关键在于检测多普勒频移，及确定比例常数 k 。多普勒测速原理：多普勒频差正比于流动速度 ;

相位差正比于粒径。检测多普勒频移通常有两种方法：在亚声速流场中用光学外差法，在超声速流场中用扫描干涉法。

全息干涉技术

原理：

全息记录 干涉过程 全息再现 衍射过程

测量参数：温度场（温度导致介质折射率变化）

浓度场（扩散过程，始末状态干涉条纹

的对比）

真实再现三维图像，不需要

示踪粒子

局限：标准曲线

激光多普勒测速仪常用的激光测速仪的光路系统分为前向散射接收式和后向散射接收式两种。激光源与光检测器分别位于工作段的两侧时称为前向接收式，位于同一侧时称为后向接收式。两种方式的工作原理相同，差别在于接收器位置不同。后向接收式结构紧凑、调节方便，但散射光的强度远小于前向接收式，一般要采用大功率气体激光器作激光源。下图为双散射光束前向接收式光路系统的示意图。

激光多普勒测速仪

激光多普勒测速仪激光多普勒测速仪的性能由多种因素决定。激光器的功率直接决定信号的强度，常用的气体激光器有氦氖（ He -Ne ）激光器，功率一般为几毫瓦到几十毫瓦；氩离子（ Ar+ ）激光器功率较强，可达几瓦。被测流体中微粒的大小和浓度也影响输出信号的强度。在液体中天然含有微粒，可满足一般测速要求，但当测量边界附近的流速或脉动流流速时仍需要加入一定浓度的微粒；测量气体流速时一般均需要加入微粒。

激光多普勒测速仪激光多普勒测速仪的优点是：

（ 1 ）非接触式测量，对流场无干扰，这是激光测速的最大优点，连热线测速仪也无法比拟；

（ 2 ）空间分辨率高。测量点的空间容积可小至 10 - 6 mm3 ，满足点测量的要求；

（ 3 ）测量精度高，可达 0.1~1 % ，而且不需要定期校正，因此可用于校正其他测速仪器；

（ 4 ）动态响应好，可进行实时测量；（ 5 ）能判别流动方向；（ 6 ）测速范围大，从 0.05μm/s到 10 6 m/s均可测量。

激光多普勒测速仪激光测速仪的主要缺点是：

（ 1 ）要求光路通道上的透明度好，因此要求用透明材料制作实验段的窗口。

（ 2 ）粒子跟随性问题。在脉动速度较大的流场（如湍流）中微粒对流体的跟随性降低，但只要微粒足够小，跟随性一般可达到测量要求。

（ 3 ）单点测量。不适宜在不定常流场中测量速度分布。（ 4 ）价格昂贵。

激光多普勒测速仪

激光多普勒测速仪的主要用途： （ 1 ）由于非接触式测量，且可同时测量一空间点上两个

或三个方向的速度分量，因此适用于测量涡旋流、分离流、燃烧流及两相流等复杂流场；

（ 2 ）可实时测量一点速度随时间的变化（包括大小和方向），因此适用于对不定常流、脉动流中一点的持续测量，获得速度—时间波形；

（ 3 ）在定常流中逐点测量速度，可获得不同方向的速度剖面，适用于测量任意截面上的速度剖面、边界层速度剖面及壁面摩擦力等；

激光多普勒测速仪 （ 4 ）测量湍流的时均速度、脉动速度、湍流强度、雷诺

应力及功率谱等湍流参数，用两台测速仪可测量两点湍流参数的空间相关性；

（ 5 ）测量流体中粒子浓度和直径； （ 6 ）测量流体温度等。

激光多普勒测速仪

激光多普勒测速仪

激光多普勒测速仪

激光多普勒测速仪采用先进的测试技术和流场数值模拟手段相结合，有助于提高多相流数学模型的改进多学科之间的交叉

PIV技术（ Particle Image Velocimetry 粒子图像测速技术）是在片光流场显示技术基础上，利用图像处理技术发展起来的一种新的流动测量技术，它融计算机图像处理与光学技术为一体，近年来已成为研究流动现象的非常有效的新工具。

粒子图像测速技术

玻璃发动机的 PIV 安装

数值模拟计算

数值模拟计算

粒子图像测速技术

粒子图像测速技术流场可视化

我学院有当今世界上最先进的数控复合加工中心、三坐标测量机、快速成型机以及反求工程技术。激光线扫描法的基本过程为：线激光发生器发出线激光对被扫描实体进行扫描， CCD摄像头采集被测实体表面漫反射图像后将其送入计算机，

反求设备图像处理软件对输入的图像进行二值化、细化等处理，然后利用三角测量原理计算Ｚ坐标值并结合 X、 Y坐标值 (X、 Y坐标由运动系统提供 ) ，生成以一定数据格式存放的密集的数据云，三维 CAD重构软件利用此数据云对三维实体图形进行重构。最终生成的图形以STL格式进行存储，以便快速成型机对被测实体进行加工。

4. 高速摄像机

高速摄像机

超速抓拍系统实际是是一种智能化交通监理系统IIS（ Intelligent Transportation Systems ）。受测速雷达触发 CCD摄像网络主机进行交互。为监理部门提供执法依据。

高速摄像机

高速摄像机CORDIN 550型高分辨率旋转镜头高速相机能够在以秒为单位的时间里捕捉到数字化的高分辨率质量的影像，旋转镜头高速相机还能达到高速和多帧频的光学质量。 在全画幅 1000x1000 的分辨率下可记录 16-154幅图片，拍摄速度最高可达到 4,000,000fps 。 最高拍摄速度下可达到 200ns 的电子快门。

0.1MPa背压 0.9MPa背压

高速摄像机

高速摄像机

高速摄像机