2012-01-25 16:19
风速仪_热线风速仪测量原理简介
0引言
到目前为止，人们根据光学、力学以及热力学等领域的研究成果开发了很多测量流体流场的测量仪器，比如有早期的比托管和风速仪，后来的热线热膜风速仪(HWA)，以及近期出现的激光流速计((LDV)等等。

比托管的结构简单，使用方便，坚实可靠，价格低廉，但是其测速的范围比较窄，一般用来测量旺盛湍流的平均流速，所以测量的速度一般比较高，而且其仅能测量二维流场，不能敏感反向流动，不能测量湍流流动的流场分布。

热线风速仪能够实现连续测量，信噪比好，而且能够分离和测量三维流场，测量的范围比较大，而且能够非常准确地测量微风速，其灵敏度非常高。

鉴于热线风速仪的这些优点，现在被广泛地应用与各种领域，比如测量模拟风洞的速度场，换热管肋片周围的速度场，内燃机的流动特性等。

1热线风速仪的基本工作原理
1.1基本原理
热线测速技术是一种非常重要的测量流体速度与方向的技术，己经有近一百年的历史，它为流体速度的测量作出了巨大的贡献，并且在20世纪60年代以后几乎垄断了湍流脉动测速领域。

按照热线热平衡原理可以将热线分为恒流风速仪和恒温风速仪。

由于恒温风速仪热滞后效应很小，频率响应很宽，反应快速，而恒流风速仪则不具备上述特点，因此，恒温风速仪的出现成为热线技术进一步发展的重要标志。

热线风速仪器测量速度的基本原理是热平衡原理，利用放置在流场中的具有加热电流的细金属丝来测量流场中的流速，风速的变化会使金属丝的温度产生变化，从而产生电信号而获得风速。

根据热平衡原理，当风速仪中的热线置于介质(流场)中并通以电流时，热线中产生的热量应与之耗散的热量相等。

换言之，在风速仪热线没有其他形式的热交换条件下，加热电流在热线中产生的热量应等于热线与周围介质的热交换。

根据King公式，我们可以近似的得到换热表面的努谢尔数与雷诺数之间的关系，也就是说，只要知道换热系数，就可以得到通过风速仪热线处流速的大小和方向。

King公式可以表示为:
Nu=A+BRe0.5 (1)
其中一一努谢尔数
一一雷诺数
α一一对流换热系数，W/(K. m2)
L 一一定性尺寸，m
A, B—为常数，根据不同的热线而定
由热平衡原理，在不考虑热辐射的前提下，风速仪热线的热耗散应该等于电流流过风速仪热线所产生的热量。

热耗散可用下式得出:
（2）
其中，α—热线的对流换热系数，W/(K.m2)
F—热线表面换热面积，m2
T w—热线表面温度，℃
T f一主流温度，℃
电流流过热线产生的热量为:
（3）
其中，I w，—电流，A
R w—电阻，Ω。

于是可以得出:
(4)
1.2热线风速仪静态响应
只要测量出风速仪热线的对流换热系数，那么就可以根据其基本原理来计算测量点的风速。

如果流场是稳定的，那么利用热线风速仪测得就是静态数据，即成为热线风速仪静态响应。

对于静态响应，其流场不随时间的变化而变化，同样温度场也不随时间变化而变化，这样就可以根据King公式得到:
(5)
式中，λf—流体的导热系数，W/(m.℃)
ρ—流体的密度，kg/m3
C P—定压比热，kJ/(kg. ℃)
d—热线直径，m
v—流速，m/s
l—风速仪热线的长度，m
当时式（5）可表示为：
(6)
或 (7)
式中，R f—为对流换热热阻，m2.K/w
如果保持风速仪热线的温度不变，那么通过风速仪热线的电流就随通过热线处的速度场的变化而变化，通过分析电流的变化就可以准确地分析速度场的变化。

1.3热线风速仪动态响应
在很多的生产过程中要求我们风速仪对某流场要进行连续的测量，要反映出流场的瞬时值，以便对换热过程有更深的认识。

这就要求我们能够进行动态测量，实时地反映出流场随时间的变化过程。

换热面附近流体的速度场、温度场以及通过风速仪热线的电流发生变化都会导致热线热平衡的失衡，于是必定会有某个常数发生变化减缓这种热的不平衡，比如速度场随电流的变化而变化。

根据动态响应的工程，我们可以得到
(7)
式中:E—热线内能的增量
而热线内能的增量由可表示为
(8)
式中，m—热线的质量，kg
c—热线的比热容，J/(kg. 0C )
t—时间，s
于是可得:
(9)
2热线风速仪的应用
2.1紊流参数测量
在实际生产中遇到最多的就是紊流情况，而现在人们对紊流的研究还是停留在实验的基础之上，在理论上的研究还不够深入，特别是对紊流流场的分析和计算以及紊流状态下对流换热系数的确定都还不能从理论上得到完全满意的答案，风速仪或多或少存在误差，而且很多的计算流场的公式都是在实验的基础之上进行一定的假设和简化，使之在数学上可解。

也就是说，目前人们对紊流的研究还不够深入，这其中主要的原因是因为没有办法准确地描述紊流的流场和准确地求解紊流的流场，而且很多关于紊流流场的假设都不能够得到很好的实验验证，因此就要求能够对紊流常数进行一定的测量，以便为理论研究提供可靠的实验数据。

对于恒流式热线风速仪有:
(10)
式中，—分别为三维坐标中三个方向的紊流强度
—分别为三个方向流速脉动值的平均值，m/s
—分别为三个方向流速的瞬时值，m/s
根据热平衡原理
(11)
而 (12)
因此就有
(13)
其中，U—任何一个方向上的流速平均指，m/s
n—常数
我们可以看到，只要风速仪能测得流场中的某点的瞬时流速就可以得到该流场的紊流参数。

2.2 雷诺数的测量
很多情况下要求风速仪得出流体的雷诺数，因为一般的对流换热都直接与雷诺数有关，对于紊流的雷诺一般可以表示为，
(14)
式中，u, v紊流中某点两个不同方向的流速，m/s
如果利用X型探头来测量流场的参数时，可以分析得到
(15)
而
因此，利用热线风速仪可以比较准确地测量紊流的雷诺数。

3热线风速仪的自校准与修正
3.1热线风速仪的自校准
利用热线风速仪可以非常准确地测量流速，特别是对于微风速的情况，可以很准确地测量出其流速，这些都是比托管等其它的测量流速的仪器所不能达到的。

这就要求热线风速仪的灵敏度要高，空间分辨率要大，同时要能够承受一定的冲击负荷，只有这样，热线风速仪才可以很灵敏地测量出微风速，而且不会对流场有很大的影响。

由于热线风速仪一般都比较昂贵，要求的精度也比较高，所以应用起来受到一定的限止，为了保证其灵敏度和准确度，有必要在使用前对热线风速仪进行自校准 (标定)。

测非纯净气体时，一般刚焊接好的热线探头较清洁，而在排气管流场测量中的热线探头将受到混在排气中润滑油和水蒸气的污染。

为了使标定前热线探头的工作特性尽量和实测状态的工作特性一致，将焊接好的热线探头置于实测的排气流场中，经试验约4小时之后，热线探头的特性可基本稳定，经以上预处理之后再进行标定可提高热线风速仪的准确度。

热线风速仪的自校准也是根据king公式的原理:
(16)
利用标准风洞，标准测速装置等测速设备求出3种稳态流动时的E (Eo, E, , EZ)和u,, u2，
然后根据式(17)求出n值。

(17)
3.2热线风速仪使用注意事项
在标定完后使用时，要注意以下问题:
a) 线倾角的修正;
b) 固体壁面影响及其修正;
c) 流体温度变化影响;
d) 污染影响。

如果热线风速仪受到污染，一定要清洗完才可继续使用，一般清洗的方法有超声波、酒精、化学、加热等。

4.结束语
热线风速仪是一种先进的专门用于流速测量的新仪器，我们可以利用它比较精确地测量和研究复杂的流动，使得研究由实验测得的速度信号(包括一维、二维、三维)成为可能，也方便进行数据处理与分析。