第5章热线风速仪与湍流测量§5.1湍流测量仪器的基本
要求
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§5.2热线风速仪的工作原理§5.3热线风速仪的校准§5.4热线风速仪测量
方法
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§5.5热线技术在湍流测量中的应用实验流体力学一.层流与湍流：§5.1湍流测量仪器的基本要求1.两种流态——层流和湍流：雷诺试验（1883）临界雷诺数圆管流动的两种流态：雷诺实验层流管流湍流管流2.湍流的特征：湍流的流动参数在时间、空间上的分布具有一定的随机性，但又不完全是随机运动，湍流中还存在相干结构。随机性：混合性：涡旋性：时均速度：湍流速度=脉动速度时均速度+湍流的脉动现象与时均速度——统计特性与
分析
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方法：热线仪输出信号3.层流转捩为湍流：伯勒德涡湍流不是纯粹的随机现象。湍流中，在随机的地点、随机的时间不断发生有显著特征的流动结构。这些结构被称为相干结构。如图为近壁区俯视图。黑色低速条带区u<0，灰色阴影是流向涡。典型的条带间距为+=100。4.湍流的相干结构：流向涡与低速条带：马蹄形涡（Hairpin涡）：壁湍流：无控制（左）和吹吸控制（右）对流相涡的影响鲨鱼皮与游泳衣——肋条减阻：改变壁面湍流相干结构，从而达到改变湍流的目的。湍流控制的概念：二.湍流测量基本要求：测量系统应满足以下要求:检测元件尺寸应满足以下要求:1.仅引起可允许的最小干扰。1.仪器的惯性必须小，能及时响应最快的脉动（一般＞5kHz）。2.小于湍流的最小涡的尺度（一般<1mm）。2.仪器必须稳定，至少在一次实验中校准系数不显著变化。3.仪器必须足够灵敏，能分辨脉动的微小差别（一般脉动值＜平均值2%）。4.仪器必须有足够的强度和刚度，不能因湍流运动引起振动或移动。§5.2热线风速仪的工作原理一.热线风速仪结构：热线风速仪通过感受暴露于流体中的电加热丝（膜）的热传输的变化来测量流体的速度。它的探头尺寸小、频率响应高，适用于湍流测量。热线仪输出的桥电压信号EB模拟流速U的变化：二.热线/热膜探头：直径1~50m钨丝/铂膜二维边界层探头1243-20气体探针的白金膜直径50m、敏感元件长1mm、叉杆间距1.65mm，温度系数0.0024/C。热膜探针的过热比设在1.4左右即可。1243-20探针正常工作时，探针的环境温度应在150C以下，敏感元件的最大工作温度不超过约400C，否则可能损坏。一般在常温空气中，敏感元件的工作温度为250C。热丝探头热膜探头金属敏感元件的材料性能：型 号覆铂钨丝（气体）-T1.5铂热膜（气体）铂热膜（液体）-10-20-10W-20W电阻温度系数℃10.00420.0024最大环境温度℃150150/30030最大探头工作温度℃30042567敏感区长度mm1.270.511.270.511.27叉尖距离mm1.021.651.021.65敏感区直径m3.825.450.825.450.8三.热线测速仪的工作原理：有两种类型的热线测速仪：即恒温式测速仪和恒流式测速仪。常用的是恒温式热线测速仪：1.电阻温度关系：RS热线工作电阻Ra参考温度下的热线电阻电阻温度系数（℃1）Tm热线工作温度（沿柱长平均）Ta流体(参考)温度E热线仪输出电压U流速A、B、n校准常数一般条件下：n0.2(水)，n0.5(空气)2.热线的静态热传输：King
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（无限长圆柱强迫对流传热解）电阻温度关系：恒温式热线仪反馈电路E=EB3.恒温式热线仪的动态热传输：I—通过热丝的电流强度准静态近似（Corrsin,1963）：当热丝绕流的时间尺度远小于湍流Kolmogorov尺度时，用热丝的静态热交换规律近似描述热丝动态特性是完全可行的。即，用热丝的静态热交换规律近似描述热丝动态特性。由平衡条件，单位时间内热丝的热耗散等于同一时间内电流通过热丝时产生的热量。有：不平衡状态下的能量守恒为：在非定常流场中，热丝与周围流体间的热交换处于不平衡状态，热丝产生的热量将不等于流体带走的热量。这时，有：热线的动态响应方程为：热惯性：热线测速仪输出的电信号出现的振幅衰减和相位滞后的现象。上式中：为电阻的过热比。可用补偿放大器将振幅衰减和相位滞后补偿到原来的水平，以消除热惯性的影响。并可适当放大热线信号，输出足够电平。（a）热丝响应恒温式热线风速仪的频率响应调整：方波试验桥电压输出的最佳信号波形(b)圆柱形热膜响应空气速度校准仪1128B压缩空气压强传感器空气喷嘴探杆夹具§5.3热线风速仪的校准一.速度校准仪：空气速度校准仪1128B例：单热丝探头校准曲线二.速度校准：例：单热丝探头校准曲线例：双热膜探头校准曲线或者采用四次多项式拟合的校准曲线：校准曲线（King公式）：*校准时记录气压、气温和给定风速下的桥电压；*测量时由桥电压计算风速，并根据气压、气温对校准结果进行修正。无限长热线有效冷却速度：有限长热线敏感元件的方向性三.方向校准：X探针的校准：双丝校准时，应注意热线的方位，不同方位下对流的影响不一样。X探针用于同时测量平面上两个流速分量U1和U2，以及湍流应力的时间平均值。1.实验设备和模型：变频调速小风洞。§5.4热线风速仪测量方法2.IFA300采集数据：打开校准文件命名数据文件输入采样点坐标设置采样率、数据量。实验段：平板边界层实验采样信号波形图界面（两通道）注意：测量与校准时的热线方位要一致。§5.5热线技术在湍流测量中的应用（1）时均速度：（2）湍流强度：（3）相关系数：（4）雷诺剪应力：（5）耗散尺度：（6）泰勒微尺度：（7）积分尺度：（8）偏斜因子：（9）平坦因子：湍流量测量：习
题
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1：简述恒温式热线风速仪的工作原理（绘原理图）。习题2：用热线风速仪测量温度为20C的空气流速度。已知钨丝探头在20C的电阻值为3.5。当电阻过热比设为1.8时，钨丝探头的工作电阻值为多少，钨丝在工作状态下的温度是多少？（设钨丝的电阻温度系数为0.0039℃1）
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