HG-1风洞高精度超声波风速测量装置设计(2)
3.3 风洞条件下实验结果分析 25
3.3.1 实验误差分析 25
3.3.2 实验结果分析 26
4 结论与展望 28
4.1 结论 28
4.2 展望 28
致谢 30
参考文献 31
1.绪论
1.1课题背景
风作为一种基本的自然现象，普遍存在于自然界中。风速作为风的基本属性之一，在生产生活中得到了越来越广泛的应用。对于航海、航空、渔业、农业、矿业、气象等部门来说，风速的测定尤为重要。在这些部门中，多采用高空风观测、光学经纬仪测风、无线电经纬仪测风、雷达测风，以及利用传统机械工具如风杯风速计、热线风速仪等进行风速的测量[1][2]。
在工业领域中，经常需要对各种人造风的风速进行高精度的测量，这就需要精度更高的测量方法和测量工具。如我国大多数燃煤电站的锅炉采用直流燃烧器和切圆燃烧方式，风粉系统的运行情况对锅炉运行的安全性、经济性影响极大[21]。要想提高锅炉的燃烧效率，就要建立良好的空气动力场，保持合理的过量空气系数。这就要求对运行中锅炉的一次风管内的风速进行精确测量[3][22]。
工业生产过程中对管道内气体流量进行精确控制的需要，也要求对风速进行高精度测量。近年来，随着石油天然气工业的发展，特别是世界各地跨地区，跨国，跨洲输气管道的大规模建设，流量计的使用越来越广泛，而流量计精度的提高很大程度取决于流体流速测量的精度[4]。
1.2普通风速测量方法
目前的流速测量方法主要使用毕托管、热线风速仪、激光多普勒流速仪和粒子图像测速仪等设备, 其他方法均是基于这些方法的基本原理演变而来的[5]。
1) 毕托管法：静止流体中任意一点上的压力,在任何方向上都是相同的。可是,当流体以同样大小、一定的速度流动时,压力的大小将发生变化。压力的变化和流体的运动有关,压力变化的大小取决于流速和流体的密度[6]。最后由压力变化的大小和流体的密度可以推算出流体流速。其工作原理决定了被测流体需存在一定的压差，即需要达到一定的流速。流速过低时毕托管将无法测量。而且大空间内压力变化频繁，将给测量带来较大误差。
2）热线热膜风速仪：该仪器主要工作原理是热平衡原理。将通有加热电流的细金属丝放置在流场中，流速的变化会改变换热速度，使金属丝的温度产生变化，从而产生电信号而测出流体流速[7]。但热线热膜风速仪的探头比较小，在非均匀流场中无法反映流体的整体流速。且温度变化相对于流速变化有较大延迟，在变流速流场中测量误差较大。
3）粒子图像法（PIV）和激光多普勒法：PIV技术是在流场中撒入示踪粒子，用成像的方法记录下粒子2次或多次曝光时的位置，结合曝光的时间可得粒子的运动速度，以粒子的运动速度代表流场内相应位置处流体的运动速度[6]。激光多普勒法是利用多普勒效应，照射流体的激光被跟随流体一起流动的粒子散射并产生多普勒频移。频移的大小与流速有关，从而测出流速。这两类测速仪都具有较高的精度，但对于所测流体有较高的要求，其中必不可少的则是流体中需要加入（或已存在）具有反射能力的小颗粒物质伴随流体一同流动。这对于大部分流动是难以实现的。
以上方法在测量时均会对流场本身的性质造成影响，且测量设备在安装时往往需要对流体管道进行改装，这大大限制了这些方法的实际应用。
1.3超声波风速测量方法