热丝测速

热线风速仪

热线风速仪是一种用于测量流速的装置, 它是基于极薄的电热导线的散热。由电线, 产生的热量由关系给出:

(1)

其中, 表示导线的电阻和流经导线的电流. 电阻取决于导线的温度根据以下关系:

(2)

其中, 是参照温度下的导线电阻和是依赖于导线材料的常数. 当等式 (1) 表达由电流产生的热量, 热消散由流动, 跟随国王的定律 [2]:

(3)

这里,、和是校准常量, 是绕线的流速. n 的值取决于雷诺数, 并且已经发现对于在这个特定的实验中可以实现的雷诺数的范围是令人满意的. 为了获得温度、电流和速度之间的关系, 我们结合了方程式 (1) 和 (3):

(4)

在这里, 温度依赖性进入通过电阻 (等式 (2))。我们将在当前实验中使用的测量策略是保持导线常数的温度 (因此是电阻)。从方程 (4), 很明显, 如果电阻是恒定的, 电流需要波动, 以跟随速度的趋势。换句话说, 冷却速率随流速的变化而改变, 除非电流被改变以补偿, 否则会使导线的温度发生变化。显然, 有必要有一个快速反应的电力系统来测量一个快速变化的速度信号。这是通过像图 1 (a) 中所示的惠斯桥实现的。从图中, 热线是电路中的四电阻器之一。图 1 (B) 显示了它的物理配置, 这是一个非常细的导线之间的两个尖头 (一个5微米的钨线的当前实验)。控制电阻,, 从图 1 (A) 最初调整, 以产生零桥电压,, 为所需的基线温度 (因此电阻) 的热线. 在运行时, 桥电压作为反馈信号, 以增加或减少电流的导线, 以保持热丝在一个恒定的温度。另一方面, 被放大以实现更容易读取的电压刻度,.此电压与电流通过欧姆定律有关:

(5)

因此, 方程 (4) 可以用电压来表示:

(6)

校准常量现在定义为: 和. 本实验的主要目的是找出这些校准常数的值。为此, 热线探头将在参考流系统中设置。这个流动系统将被用来发出一些已知速度的流动。然后, 将使用最小二乘法回归来找到校准常数。

如图2的示意图所示, 此处使用的参考流是自由射流的腔 contracta 。平均速度在腔 contracta很好的特点是以下等式 [3, 4, 5]:

(7)

在这里, 常数0.61 是射流的放电系数, 是内部压力, 而是大气压. 腔 contracta的位置很好地定义了关系:

(8)

其中, 是沿其中心线的 jet 出口的距离, 是从其发出 jet 的狭缝的宽度. 这是热线风速仪定位的位置。图3和4显示了此处使用的流系统。在这个系统中, 一个风扇加压有两个出口, 一个狭缝来产生射流, 和一个堆栈来分流流。由于流经堆栈的流量受孔板限制 (参见图4以供参考), 射流的流速增加。此设置将帮助我们生成的散点图和在惠斯桥上测量的电压.

图1。平面射流示意图显示: 腔 contracta 和连接关系图.请单击此处查看此图的较大版本.

图2。实验装置(A): 流程设施; 通过离心风机增压。(B): 用于发出平面射流的狭缝。(C): 遍历系统以改变风速仪沿射流的位置.请单击此处查看此图的较大版本.

实验测量结果列在表2中, 如图 5所示。这些数据的线性回归为等式 (6) 产生了以下结果:

(9)

它可以用来确定速度作为电压的函数:

(10)

表2。代表性的结果。测量的电压平方和速度在腔 contracta 到0.45 电源.

V_VC ^ 0.45	E^2
3.119	12.584
3.919	14.425
4.143	14.946
4.278	15.256
4.465	15.679

图 5.热磨损风速计的标定曲线.请单击此处查看此图的较大版本.

由于湍流表现出高频速度波动, 热线风速是适合其特性的仪器, 因为它们具有很高的时间分辨率。在本实验中, 我们演示了校准热线风速仪的过程。为此, 我们比较了风速计的电压信号与已知的速度值在腔 contracta的特征射流。这些测量用于确定风速计线性响应的校准常数。

热线测速在风洞边界层流动的科学研究中得到了广泛的应用。边界层是流体力学中最古老的研究课题之一, 它与气动设计、造船、发电等技术应用密切相关。对所有这些领域的损害, 许多涉及边界层的影响仍然 incipiently 理解: 高度不规则的粗糙度, 密度和黏度梯度, 和压缩性, 提到了一些。考虑到这一点, 在实验室设置中使用热线测速来评估与上述应用相关的边界层流, 使用的策略与当前实验中演示的方法相似。