热线风速仪

热线风速仪(hot wire anemometry,简称HWA)是一种非常重要的测量流体的速度与方向的仪器,发展至今已经有八十多年的历史,它为流体速度的测量作出了巨大的贡献,并且从20世纪60年代以来几乎垄断了湍流脉动测速领域。

8.4.2.1　热线风速仪基本原理

热线风速仪是根据热平衡原理制成的。当把一根热金属丝置于气流中时,由于热交换的原因,热丝的热量被气流带走,因而热丝的温度将发生变化。温度变化的大小与快慢取决于下列因素:一是气流的速度;二是热丝和气流间的温度差;三是气体物理性质;四是热丝的物理性质和几何尺寸。一般来说,后三项是可以预先知道或人为给定的,从而可以在热丝的温度和气流的速度之间建立起一个对应关系。如果用电流来加热热丝,则同样可以在通过热丝的电量和气流的速度之间建立起一个对应关系,从而可以通过测定金属丝上的电量来确定气流的速度。热丝在流场中,是通过三种途径损失其热量的,一是与运动流体间的对流热交换;二是与热线叉杆间的传热;三是热辐射。一般情况下,后两种热损失很小,常可忽略。因此,热丝被流体带走的热量Q,可用牛顿冷却公式计算

Q f=αS(T W-T f)　　　　(8-19)

Nu=C+DRe 0.5　　　　(8-20)

式中,Nu=αd/λ;d是热线直径;λ是热线导热系数;雷诺数Re=ρu d/μ。由实验确定常数C和D即可求得对流传热系数α。

热丝的一个重要特性是它的电阻会随温度变化,这是热丝作为感受元件的基础。电阻和温度的关系可用下式表示

R W=R 0[1+α0(T W-T 0)+a 1(T W-T)2+…]　　　　(8-21)

式中,α是对流热交换系数;S是表面积;T W是热丝表面温度;T f是流体温度。

直接从基本方程出发求解对流热交换系数是非常困难的,一般是从实验关系式中去求得。其中最著名的有King公式

式中,R W是金属丝的温度为T W时的电阻;R 0是金属丝在参考温度T 0时的电阻;α0和α1是金属丝的电阻温度系数。在热线风速仪实际应用的温度范围内,系数α0远大于α1,所以不考虑非线性项,则有下式

当热线用于测量流体速度时,可得

式中,A和B对一定的热线和流体,在给定的温度下使用时都是常数。

在稳态情况下,热线与周围流体间的热交换处于平衡状态,热线所发出的热量应等于流体所带走的热量。现若用电流I W加热热丝,则热线在单位时间内产生的热量和Q f相等。由此可导出从上式可知,在热交换处于平衡状态下,由于R f是常数,若令加热电流I W为常数,则热线电阻R W和流速u间就有对应的函数关系;若令金属丝的电阻R W为常数,则加热电流I W就和流速u间有对应的函数关系。可见,当把一根用电流加热的细金属丝放置在待测气流中时,就可以通过测定金属丝的热电阻R W或加热电流I W来获得气流的速度u。所以,热线测速有两种工作方式,恒温式和恒流式。

关于两种热线风速仪的性能,就信噪比(signal noise ratio,简记作SNR)而言,在原理上,当湍流强度小于0.1%时,恒流式热线工作系统的信噪比高,但在现代的恒温式热线工作系统中,都带有高通滤波器和低通滤波器,可除去超过频限要求的放大器噪声,所以这种系统的噪声水平也不大;就动态相应特性而言,恒温式工作热线的时间常数远小于恒流式工作热线的时间常数,而时间常数越小,动态相应特性就越好。正是由于恒温式热线风速仪具有诸多优点,所以被普遍使用。

8.4.2.2　恒温式热线风速仪应用简介

以DANTEC StreamLine 4型恒温热线风速仪CTA(constant temperature anemometers)为例,它的测量系统主要由探头部分、CTA主体部分、A/D转换板以及计算机组成,如图8-17所示,图8-18所示为Stream Line CTA的主体部分(左)和探头(右)。

图8-17　StreamLine CTA测量系统

图8-18　Stream Line CTA图片

热线风速仪使用中必须注意以下事项。(1)探头选择:在实验测量以前,首先必须选择合适的探头。探头的选择主要跟流体介质的种类,速度测量的内容和范围,流体的脉动频率和强度,流体温度的变化以及流体是否纯净等因素有关。根据探头感应元件的不同可以分为热丝型和热膜型,其中热丝型又有两种,即微型热丝和镀金热丝。根据测量流场空间的方向性可分为单丝、双丝以及三丝探头,它们分别用于测量一维、二维和三维流场。(2)热线标定:选好探头以后,必须对探头进行标定。热线标定就是建立一个CTA的输出电压和流体速度之间的关系式,热线测量精度很大程度上取决于它的标定曲线。(3)测量数据分析:热线测量时采集的是某一个时间序列完全随机的瞬时速度信号,因此必须用统计的方法对这些信号进行分析。通过统计处理这些完全随机的数据,可以得到平均速度、湍流强度、偏斜因子、平坦因子以及雷诺应力等所需的实验数据。(4)热线测量的影响因素:热线风速仪对于测量流场的温度变化是十分敏感的,在实验过程中,标定温度与测量温度往往不一致,这会给测量结果带来误差,因此在非等温环境中使用必须进行温度修正。对温度修正主要采用温度补偿经验公式

式中,E a表示测量电压;T W为热丝温度;T 0为初始环境温度;T a为测量环境温度。

此外,热线测量对被测流体介质的纯度要求较高。流体介质中的颗粒杂质轻则黏附在热丝上,影响探头的灵敏度,重则由于颗粒高速撞击而打断热丝。所以,在热线使用过程中要尽量保证被测流体不含杂质,实验中常常通过在管道上添加金属滤网的方式来过滤颗粒杂质。