热线风速仪实验.docx

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热线风速仪实验

热线风速仪测速实验

一、实验目的

1.掌握热线风速仪的测量原理；

2.利用热线风速仪对圆柱绕流场进行测量；

3.学习热线风速仪所测速度信号的处理和分析。

二、实验装置

热线风速仪原理示意图

三、实验原理

恒流热线风速仪电路图

恒温热线测速仪（CTA）一般被用于紊流气体和液体流动中精细结构的测量。

其测量原理是基于流体对加热体的冷却效应。

热线金属丝（Rw）被连接在惠斯通电桥的一边上，并由电流加热。

当流体流过热线金属丝时，金属丝被冷却其电阻随之发生变化，此时由一个伺服放大器通过控制传感器的电流保持电桥平衡，从而保持热线金属丝的温度不变，因此惠斯通电桥的电压（E）代表了热交换，从而实现了对流动速度的直接测量。

传感器（热丝）的低热惯性和伺服传感器的高增益的结合，使得CTA系统能够快速在一点上测量速度，从而捕捉流动中的波动，并提供连续的速度时间续列，使我们可以在振幅域和时间域对数据进行处理分析，例如平均速度、紊流强度、高阶力矩、自相关和能量谱的分析。

四、实验方法与步骤

1、探针标定

（1）将标定单元的电源线接入热线主机的“calibrateunit”接口，引入压缩气体（0.5-0.8Mpa）至标定单元，此时先不打开气源；

（2）根据预标定的流速范围，选择相应型号的标定单元喷嘴，（open：

0.02-0.5m/s，Ⅰ：

0.5-60m/s），在标定单元相应位置上将喷嘴拧紧；

（3）将热线探针接入探针支架（probesupport），拧紧卡扣螺母，检查探针是否固定稳妥；

（4）利用标定单元自带的夹具安装探针，使得热线正对于标定单元喷嘴出口平面的中心（一维探针）；

（5）用两端为BNC接头的数据线一端连接探针支架，一端连接热线主机上相应CTA单元的“probe”接口（CTA1、CTA2、CTA3任选一个）。

（6）打开热线主机和电脑，待热线主机上的红灯灭，“ready”灯亮；

（7）打开电脑上的“streamware”软件。

（8）新建一个database，命名，选择A/D驱动“NIDAQmxsupporteddevice”进入硬件配置“Systemconfiguration”界面。

（9）在Systemconfiguration界面上，选择与硬件一致的探针型号、探针支架、BNC接头的数据线。

图1探针配置完成后的系统设置界面

（10）选择“streamlineframe”的com口，一般com1口预留给三维坐标架，com3口给热线主机，因此选择com3口。

（11）如果硬件连接正确，此时“Frame/Module”上的“streamlineframecom3”会显示模块“CTA1、2、3”。

（12）为探针选择相应的模块，注意硬件是接在CTA1-3，三个模块中的哪个模块就加载相应的模块。

（13）选择探针在A/D卡上的通道，一般“0”通道已被测温单元占用，建议选择与模块序号一致的通道，如CTA1选择1通道，这样多模型同时使用时不容易混淆。

（14）保存“Systemconfiguration”的设置，系统自动初始化。

图2系统设置完成后的界面

（15）点击工具栏上的“velocitycalibration”，结合安装的喷嘴，选择标定的速度范围和标定速度点的数量，其它保持默认即可，确定，软件自动完成预设的标定速度值，也可通过手动进行添加或删减。

系统此时自动完成硬件的配置，并进入标定界面。

（16）进入标定界面，点击“AutoCalibration”栏的“Setup”，选择喷嘴型号，选择最大迭代次数“Maximumnumberofiteration”和预设速度点最大偏差和“Maximumerrorfromsetpoints”.

图3标定速度点和范围设置完成后的速度标定界面

（17）点击“AutoCalibration”栏的“start”，选择所有点“allpoints”，点击“ok”，系统开始进行自动标定。

图4系统自动标定

（18）自动标定完成后，点击工具栏上的保存“saveevent”，保存各标定速度下的电压值，软件自动拟合速度与电压的关系函数，标定完毕。

图5保存后的标定结果

2、圆柱绕流时均场的测量

（1）打开坐标架电源，检查紧急开关是否关闭，确保紧急开关处于开启状态，否则坐标架会没有反应。

点击Streamware菜单栏上的设置Configuration/

Device/Traverse/lightweight（为坐标架型号）/setup/connection/Com1（选择通讯接口）/ok，在setup的界面下还可以选择其它选项卡对坐标架的标定因子（Calibrationfactor）、运行速度（最大2.5cm/s）、运动范围（各向约0.6m）进行设置。

（2）将坐标架调整至合适位置（注意是人为将坐标架整体挪动，而不是通过电脑控制其运动），以满足测试区域的要求，如测试区域为一平面，则坐标架的某两个坐标轴必须与其平行。

点击工具栏上的坐标架控制（Traversecontroller）按钮，可对坐标架进行控制，确保坐标架能带着探针到达预定的测量区域。

（3）点击工具栏的网格“grid”，设定测量区域的网格点分布，直角、圆柱、球坐标等可供选择。

一般事先将坐标架的初始位置置于测量区域的某一角，以便网格的生成和有序的测量。

图6工具栏命令示意

（4）点击图6的“网格加载”按钮，进入网格加载界面，加载预设的网格（Schedule），相应的选项里，选择采样频率和样本总量，采样时间即样本总量除以采样频率。

（5）开启风洞，待流速均匀，点击工具栏上的运行“run”，系统自动进行初始化，并完成所有网格点的测量。

（6）导出数据。

若是单次单点测量，则需要先双击“ProjectMananger”（项目管理）下相应的数据文件进行加载，再通过菜单栏上的File/Export…选择保存的路径和数据文件名，完成数据导出。

若是多点测量，则直接通过File/GlobalExport…，选择相应的Case和测点（可任意选择所有测点），再选择保存的路径和数据文件名，完成数据导出。

图7导出数据

五、数据处理和分析

（1）整理出时均速度场；

（2）给出相应的湍流强度；

从streamware导出数据文件，编程整理数据有如下结果：

X-mmY-mmZ-mm测点时均速度测点Vmax测点Vmin湍流强度

00025.45349630.57120012.3480000.154829

001025.08331630.7738009.3197000.165374

002025.09377630.88430013.4532000.157836

003025.15793230.6264009.7158000.162717

004024.52862930.5527007.4266000.172715

005024.54987530.53430011.6478000.165403

006024.50904630.6080008.5621000.179304

007023.57579030.7922005.8271000.185280

008024.16548130.8106008.5621000.173537

009024.39160630.77380010.5439000.158456

0010023.75252230.6448008.8408000.195869

10010024.74557130.9579008.2897000.154829

1009024.44848430.7001009.5163000.165374

1008024.66989030.6633006.9409000.157836

1007025.61724630.7001008.8408000.162717

1006025.21893330.8474008.2897000.172715

1005025.52210830.7185009.5163000.165403

1004025.15600530.7369009.4176000.179304

1003024.69615130.6817009.3197000.185280

1002024.77772230.64480010.6508000.173537

1001024.49353530.7185009.3197000.158456

100025.15367430.86580011.5339000.195869

200024.90960330.8474008.6543000.154829

2001025.08382730.8290009.7158000.165374

2002026.12131530.92110013.2018000.157836

2003025.63433830.86580012.2293000.162717

2004025.43584830.77380011.3084000.172715

2005025.18403630.58960011.9943000.165403

2006025.06631030.66330010.5439000.179304

2007024.78665130.5343006.6300000.185280

2008025.73165130.71850010.9761000.173537

2009025.19750431.1053009.5163000.158456

20010025.23275230.90270012.2293000.195869

（3）给出若干点速度序列的频谱分析，计算圆柱绕流漩涡脱落的主频率。

测点1，坐标（0,0,0）时的频谱分析

测点6，坐标（0,0,50）时的频谱分析

测点11，坐标（0,0,100）时的频谱分析

测点16，坐标（10,0,60）时的频谱分析

测点21，坐标（10,0,0）时的频谱分析

测点26，坐标（20,0,30）时的频谱分析

测点31，坐标（20,0,80）时的频谱分析

图8典型的时均速度场（双探针同时测量，网格点为直线分布）

图9典型的湍流强度分布

图10典型频谱分析结果

六、思考题

（1）对于水流的流速测量是否可以借助热线系统？

热线系统的优缺点？

答：

可以；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，多用于测量液体流速

优缺点：

热线系统可以用X型探头或三丝探头同时获得流场中固定点的速度和温度信息,有利于研究速度与温度的相互联系；在湍流流场中,从实际测量结果来看,热线是可靠和准确的；利用本方法可以为今后研究相干结构的速度与温度特性奠定基础；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；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。

（2）试结合时均的速度分布和频谱分析结果，分析圆柱流向和横向上的受力特性。

答：

在不同的测点上得到的瞬时速度数据后，进行频谱分析，由以上频谱图可见随着检测点位置变化，得到的频谱幅值不同，在圆柱尾迹流场中存在湍流和漩涡生成，不同测点下，漩涡脱落频率有着显著的变化