低風速條件下風速測試技術研究

馬柏慧，王洪瑋

（1.天津航空機電有限公司，天津 300308；2.空裝駐天津地區第二代表室，天津 300308）

0 引言

傳統熱風機工作產生的風速很低，低氣壓條件由于受到模擬低氣壓環境的限制，嚴重影響風速測試設備的可操作性，尤其是為實現其在常溫常壓下和常溫低氣壓下產生的風速的測量，因此有必要開展低風速條件下風速的測量研究。本文對某型熱風機的風速測量進行理論分析及實驗研究。通過開展某型熱風機不同氣壓條件下的（常壓、低氣壓）下風速測試，對比分析測試數據的差異性，最終優選出對應條件下最適的測試方法。

1 風速測試原理

1.1 熱式風速儀

熱式風速儀利用流場中融入電流的加熱細金屬絲來實現風速的測量。當風速變化時，金屬絲的溫度就隨之改變，由于溫度的偏差反饋到風速儀后引起了電信號的變化，鑒于電信號和風速之間具有一一對應的關系，因此可測得風速數據。

熱式風速儀是建立在熱平衡原理基礎上，利用運動流體中發熱體的熱耗散平衡條件隨流速改變這一原理來測量流速的儀器。根據熱平衡原理，在金屬絲沒有熱傳導的情況下，加熱電流在金屬絲中所產生的熱量應該等于流體所帶走的熱量[1]。根據焦耳定律、熱耗散規律、熱平衡原理及熱線的克英定律計算公式，即可將熱平衡關系表示為：

式中，A、B是由熱線尺寸、流體特性和流動條件決定的系數。對于給定的熱線風速儀和給定的被測流體，A、B為常數，寫成一般函數關系形式為u=f（Iw，Tw）。即流體速度的變化可在加熱電流Iw，熱線溫度Tw兩者的變化中表現出來，從而形成了兩種不同工作方式的風速儀——恒流風速儀與恒溫風速儀。

本文選擇使用的熱式風速儀是恒流風速儀的一種，測量時電熱絲通入恒定直流，氣流吹過熱球表面時，從熱球表面帶走熱量。當產生的熱量和散失的熱量相等時，熱球就穩定在某一溫度，達到動態平衡，最終通過測量探頭的溫度就可以確定氣流的速度[3]。根據能量守恒，在穩定條件下其能量平衡方程為：

式中Qj為探頭中電熱絲產生的焦耳熱，Qc為球形探頭向周圍流體的對流熱損失，Qd為電熱絲和熱電偶絲上的導熱熱損失，Qr為探頭的熱輻射引起的熱損失。

由式（2）可以推斷，隨著風速降低，自然對流的影響比例增大，導致由輻射引起的熱損失所占的比例也變大[5]。在減壓條件下，稀薄的空氣使得測量探頭的溫度進一步升高，不僅增加了對自然對流和輻射的影響，同時還會加快探頭的老化。通過上述分析，說明球形風速探頭更適用于常壓下的風速測量。

1.2 畢托管

“畢托-靜壓管流速計”包括兩部分：畢托管和微差壓計。圖1是該測量系統的示意圖。

圖1 畢托管流速計示意圖

在畢托管流速計中，畢托管的作用是將流速轉變為差壓，而微差壓計的作用是對差壓進行檢測[2]。目前使用的畢托管是一根彎成直角的雙層結構金屬小管，如圖2（a）所示。在畢托管的頭部迎流方向開有一個小孔（1），稱總壓孔。在畢托管頭部下游某處又開有若干小孔（2），稱為靜壓孔。畢托管所測得的流速是畢托管頭部頂端所對應的流速。設定流場中某一點（1）的流速為u，靜壓為p。為了測得該點流速，應將畢托管頂端的小孔（1）置于此點，并使畢托管軸線與流向平行。這時，由于插入了畢托管，A點的流速被滯止為零，壓力由原來的靜壓p上升到滯止壓力p0（或稱總壓p0）。p0包含流體初始靜壓力p和由流體動能轉化為靜壓力部分（含流速u）。從p0中將原來的靜壓p減去，就可得到流速值u。

圖2 畢托管的結構

為了建立總壓和靜壓之差與流速的關系，假設流體流動為理想不可壓縮的定常流動，根據理想不可壓縮流體的伯努利方程，總壓孔（1）點及靜壓孔（2）點可列出如下關系式：

所以

式中ρ為被測流體的密度（kg/m3），p0為總壓，p靜壓。

1.3 葉輪式風速儀

葉輪式風速儀：把葉輪轉動轉換成電信號，對葉輪的轉動進行“計數”，轉動過程中產生一個周期的脈沖系列，經檢測儀轉換處理即得到風速值[4]。葉輪式風速儀是一種恒溫風速儀，利用風車轉動的測試原理，可以在常溫常壓下及空氣稀薄的低氣壓條件下實現風速的測試，該方法也適用于測量管道出口的紊流流速[6]。

2 實驗方法

熱風機流量測試方法：將風速儀測速部分置于熱風機出氣口中央，測量熱風機出氣口流速，按公式（5）計算熱風機流量。

式中V為出氣口單位時間的流量，m3/h；v為出氣口單位時間的流速，m/s；S為出氣口截面積，m2。

常溫常壓下熱風機風速測試示意圖見圖3，低氣壓條件下熱風機風速測試示意如圖4。

圖3 常壓環境下熱風機風速測試示意圖

圖4 低氣壓環境下熱風機風速測試示意圖

為保證熱風機流量計算的準確性，熱風機出口風速的測量必須保證熱風機出口風速達到基本穩定時再讀取風速值，即風速穩定后風速儀傳感器顯示的風速數值代表被測風機的風速值。在空氣流動工況下，由于風速儀傳感器需要一定時間才能反映出被測風機的風速，而被測風機的風速反應時間與測試方法直接相關，因此本文采用的風速測試儀器為熱線風速儀、畢托管及葉輪式風速儀三種風速測試手段，對某型熱風機產品在低氣壓環境下產生的低風速進行測試分析。

3 結果與討論

3.1 常溫常壓下風速測試差異性分析

本節針對上述三種風速測試方法測得某熱風機常溫常壓下數據情況進行計算及研究分析。

三種測試方法測得數據結果見表1，由測試數據可知，小葉輪式風速儀、畢托管及熱式風速儀測試結果均很接近。從操作層面，小葉輪式風速儀及熱式風速儀均可直接讀取數據，相對簡單快捷，而畢托管需搭建風速測試管路并進行數據計算，盡管可實現低風速下的風速測量，但是測試流程相對復雜，故常溫常壓下推薦使用小葉輪式風速儀或熱式風速儀。

表1 常溫常壓下測試數據

3.2 常溫低氣壓下風速測試差異性分析

3.2.1 測試中問題研究分析

（1） 小葉輪式風速儀：由于小葉輪式風速儀為長桿形狀，低氣壓條件下測試時小葉輪風速儀測試桿一端需固定到低氣壓箱擱架上，另一端懸空對準待測試風機出風口（圖5），在熱風機轉動時產生振動，導致小葉輪在低氣壓箱內抖動，不能保證在測試全過程中對準測試風口。因此需要通過固定小葉輪風速儀風速探頭端，來解決因小葉輪桿探頭端自身抖動導致的測試結果有誤的問題，測試方法改進前的測試數據見表2。

圖5 低氣壓箱內小葉輪風速測試試驗裝置示意圖（改進前）

（2）畢托管：由于畢托管本身材質問題，在穿過低氣壓箱的側孔時被密封泥擠壓變形（圖6），導致箱內外壓差大于真實值，測試數據見表2。以所得某組數據為例說明計算過程：現差壓計測得壓差值（p0-p）為80.0Pa，將ρ=PM/RT代入公式（4），其中P=101325 Pa，M=29，R=8.314J/（mol·K），T=273.15K，經計算得出u=11.1m/s。

圖6 畢托管測試試驗裝置（改進前）

（3）熱式風速儀：由于空氣稀薄，測量探頭的溫度會逐漸升高，增加了對自然對流和輻射的影響，導致測試數據出現嚴重偏差，測試數據見表2，故該測試方法不適用低氣壓條件的風速測量。

表2 常溫低氣壓下有問題的測試數據

3.2.2 測試方案優化

對上述測試存在的問題進行分析并針對可改進的2種測試方法進行的測試方案改進如下：增加小葉輪式風速儀輔助固定的夾具，保證小葉輪測試桿端頭能牢固地定位在風速測試點（圖7）。畢托管測試中低氣壓箱的側孔處用材質較為硬質的PCV套管對畢托管軟管進行防護（圖8），然后再進行密封。

圖7 小葉輪風速測試試驗裝置（改進后）

圖8 畢托管測試試驗裝置（改進后）

表3 常溫低氣壓下測試數據

4 結束語

本文首先從低風速測試方法入手，詳細分析了風速測試原理；然后針對某熱風機在常溫常壓下測試數據差異性進行分析；最后對常溫低氣壓條件下的風速測試方法進行優化改進，并對測試數據差異性進行分析。分析結果：對某熱風機常溫常壓條件下低風速測量小葉輪式風速儀、畢托管及熱式風速儀均可采用；常溫低氣壓條件下低風速測量可采用畢托管、小葉輪式風速儀；從操作方面，小葉輪式風速儀較畢托管更方便快捷地可實現對某熱風機的低風速的可靠測量。