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热线风速仪测量原理简介 李敏毅 甘妙昌 马思龙 广东省计量科学研究所广州510405 摘要 本文简单地阐述了热线风速仪的工作原理。并介绍了其自校准和修正的一些方法。 关键词 热线风速仪流速测量 0引言 为了进一步对换热器换热效果进行更深层次的研究，人们对换热器换热表面的气体或液体的流 场越来越重视．因为流场对换热器总的换热系数有极其重要的影响，现在场协同原理也已经应用到 对流换热的研究中。并逐渐成为一个新的研究方向，而在进行对流换热场协同研究的同时，更需要 对流体在换热表面附近的流场分布，只有在准确的测量流体流场的基础之上。才可能通过实验来准 确的验证流场与对流换热之间的关系．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计。后来的热线热膜风速仪 mwrA)，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，测量的范圈比较大．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埙域．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，已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∞年代以后几乎垄断了溜流脉动测速领域．按照 热线热平衡原理可以将热线分为恒流风速计和恒温风速计．由于恒温风速计热滞后效应报小，频率 响应很宽，反应快速，而恒流风速计则不具备上述特点，因此，恒温风速计的出现成为热线技术进 一步发展的重要标志．热线风速仪嚣测量速度的基本熏理是热平衡原理。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沮度产生变化，从而产生电信 号而获得风速。 根据热平衡原理，当热线置于介质(流场)中井通以电流时．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rang公式，我们可以近似的得到换热表面的努谢尔数与霄诺数之间的关 系，也就是说，只要知道换热系数，就可以得到通过热线处流速的大小和方向． 上一S King公式可以表示为： 5 (1) Nu=A+BRco 其中，M=竺≠——努谢尔数^ Re：竺兰——雷诺数 口——对流换热系数，W／(K·m2) 三——定性尺寸，ITI 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，热线的热耗散应该等于电流流过热线所产生的热量。 热耗散可用下式得出： Q耗敞=硝帆一弓) (2) 其中，口——热线的对流换热系数，W／gO．·m2) F——热线表面换热面积，m2 瓦——热线表面温度，℃ 弓——主流温度，℃ 电流流过热线产生的热量为： Qk=，和。 (3) 其中，，。——电流，A R。——电阻，0 于是可以得出： ，：R。．=亦(T。一0) (4) 1．2热线风速仪静态响应 只要测量出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