亂流(英語:turbulence),也稱為紊流(大陸地區(qū)的舊稱),是流體的一種流動狀態(tài)。當(dāng)流速很小時,流體分層流動,互不混合,稱為層流;逐漸增加流速,流體的流線開始出現(xiàn)波波狀的擺動,擺動的頻率及振幅隨流速的增加而增加,此種流況稱為過渡流;當(dāng)流速增加到很大時,流線不再清楚可辨,流場中有許多小漩渦,稱為亂流,又稱為湍流、擾流或紊流。
這種變化可以用雷諾數(shù)來量化。雷諾數(shù)較小時,黏滯力對流場的影響大于慣性力,流場中流速的擾動會因黏滯力而衰減,流體流動穩(wěn)定,為層流;反之,若雷諾數(shù)較大時,慣性力對流場的影響大于黏滯力,流體流動較不穩(wěn)定,流速的微小變化容易發(fā)展、增強(qiáng),形成紊亂、不規(guī)則的亂流流場。
流態(tài)轉(zhuǎn)變時的雷諾數(shù)值稱為臨界雷諾數(shù)。臨界雷諾數(shù)與流場的參考尺寸有密切關(guān)系。一般管道流雷諾數(shù)Re<2100為層流狀態(tài),Re>4000為亂流狀態(tài),Re=2100~4000為過渡狀態(tài)。
通常測量風(fēng)速的方法有三種: 熱式探頭、 葉輪式探頭、 皮托管。
測量風(fēng)速的時候如何才能選擇最適合我們使用的儀器呢?這三種測量方法各自都適合用于哪些場合呢?
在0至100m/s的流速測量范圍,我們可以分為三個區(qū)段:
低速:0至5m/s; 中速:5至40m/s; 高速:40至100m/s。
風(fēng)速儀的熱式探頭用于0至5m/s的精確測量; 風(fēng)速儀的葉輪式探頭測量5至40m/s的流速效果最理想; 而利用皮托管則可在高速范圍內(nèi)得到最佳結(jié)果。
1.熱式探頭(熱球式,熱敏式,熱線式)擁有最精確的測量效果,風(fēng)速范圍一般在0-30m/s。
・該方式是測試處于通電狀態(tài)下傳感器因風(fēng)而冷卻時產(chǎn)生的電阻變化,由此測試風(fēng)速。不能得出風(fēng)向的信息。
・除攜帶容易方便外,成本性能比高,作為風(fēng)速計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品廣泛地被采用。
2.葉輪式探頭可以選擇葉輪的直徑,不同尺寸的葉輪都有不同的應(yīng)用。如選用直徑100mm的大葉輪就可以測得100mm直徑的圓形區(qū)域的平均風(fēng)速。此外葉輪探頭還可附加罩子,達(dá)到精確測量小出風(fēng)口風(fēng)量的效果。 ・該方式是應(yīng)用風(fēng)車的原理,通過測試葉輪的轉(zhuǎn)數(shù),測試風(fēng)速。・用于氣象觀測等。・原理比較簡單,價格便宜,但測試精度較低,所以不適合微風(fēng)速的測試和細(xì)小風(fēng)速變化的測試。・普及度低!∵m用范圍:1~50m/s 顯示分辨率:0.1m/s
3.皮托管(皮托管)探頭一般都是應(yīng)用在測量管道風(fēng)速,適合于大風(fēng)速,一般小于5m/s的風(fēng)速都不推薦使用皮托管。
正確選擇風(fēng)速儀探頭的一個附加標(biāo)準(zhǔn)是溫度:通常風(fēng)速儀的熱敏式傳感器的使用溫度約達(dá)-20~70˚C。普通的葉輪式探頭也在-20~70˚C左右,但葉輪式探頭可特制,承受350˚C高溫。皮托管對于溫度的適用范圍是最廣泛的,即使是最普通的探頭,也能承受600˚C的高溫。
二. 不同風(fēng)速儀的工作原理
1.風(fēng)速儀的熱式探頭(熱球式風(fēng)速儀)
熱式探頭是基于冷沖擊氣流帶走熱元件上的熱量,借助一個調(diào)節(jié)開關(guān),保持溫度恒定,則調(diào)節(jié)電流和流速成正比關(guān)系。當(dāng)在湍流中使用熱敏式探頭時,來自各個方向的氣流同時沖擊熱元件,從而會影響到測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。
在湍流中測量時,熱敏式風(fēng)速儀流速傳感器的示值往往高于葉輪式探頭。以上現(xiàn)象可以在管道測量過程中觀察到。根據(jù)管理管道紊流的不同設(shè)計(jì),甚至在低速時也會出現(xiàn)。因此,風(fēng)速儀測量過程應(yīng)在管道的直線部分進(jìn)行。直線部分的起點(diǎn)應(yīng)至少在測量點(diǎn)前10×D(D=管道直徑,單位為CM)外;終點(diǎn)至少在測量點(diǎn)后4×D處。流體截面不得有任何遮擋。(棱角,重懸,物等)
2.風(fēng)速儀的葉輪式探頭 葉輪式風(fēng)速儀
風(fēng)速儀的葉輪式探頭的工作原理是基于把轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)換成電信號,先經(jīng)過一個臨近感應(yīng)開頭,對葉輪的轉(zhuǎn)動進(jìn)行“計(jì)數(shù)”并產(chǎn)生一個脈沖系列,再經(jīng)檢測儀轉(zhuǎn)換處理,即可得到轉(zhuǎn)速值。風(fēng)速儀的大口徑探頭(60mm,100mm)適合于測量中、小流速的紊流(如在管道出口)。風(fēng)速儀的小口徑探頭更適于測量管道橫截面大于探險頭橫截面積100倍以上的氣流。
3.風(fēng)速儀的皮托管探頭 皮托管風(fēng)速儀
在流動面的正面有與之形成直角方向的小孔,內(nèi)部藏有從各自孔里分別提取壓力的細(xì)管。通過測試其壓力差(前者為全壓、后者為靜壓),就可知道風(fēng)速。
・原理比較簡單,風(fēng)速儀價格便宜,但與流動面必須設(shè)置成直角,否則不能進(jìn)行正確的測試。不適合一般用。・不是作為風(fēng)速計(jì),而是作為高速域的風(fēng)速校正來使用。
適用范圍:5~100m/s 顯示分辨率:0.01m/s
利用皮托管可測量流體的動壓特性,而根據(jù)下面這個公式,就可計(jì)算出流體的速度。1)式中 Pd——流體的動壓,Pa;
W——流體速度,m/s;
r——流體重度,N/m3;
g——重力加速度,m/s2。
這就是皮托管測量風(fēng)速的原理。
三. 風(fēng)速儀在空氣流中的定位
風(fēng)速儀的葉輪式探頭的正確調(diào)整位置,是氣流流向平行于葉輪軸。在氣流中輕輕轉(zhuǎn)動探頭時,示值會隨之發(fā)生變化。當(dāng)讀數(shù)達(dá)到最大值時,即表明探頭處于正確測量位置。在管道中測量時,管道平直部分的起點(diǎn)到測量點(diǎn)的距離應(yīng)大于是0XD,紊流對風(fēng)速儀的熱敏式探頭和皮托管的影響相對較小。
在對風(fēng)速儀的三種測量方法作了介紹之后,相信您已經(jīng)對如何選擇風(fēng)速儀有了一個初步的想法。
一般我認(rèn)為在選擇的時候,您需要列出以下幾個問題:
1、測量的風(fēng)速大約在多少?
2、流體的溫度大約在多少?
3、是在什么場合下測量風(fēng)速?(如管道,出風(fēng)口等等) 相信您在回答了以上三個問題后,就能夠基本確定您需要的是什么風(fēng)速儀了 |