空气湿度对矿用低速风洞的风速表检定结果影响

陈 权 张 于 卢从俊/ 北京东方计量测试研究所

0 引言

矿用风速测量仪表是国家强制检定的计量器具之一。为了保证其技术性能和技术指标符合规定的要求,在初次使用前或使用一段时间及修理后,都应进行计量检定。因此，其检测方法是否科学可靠直接关系到矿井生产的安全性。

通常情况下，湿度对于空气密度的测量结果有着很大的影响，而空气密度是测量风速很重要的参数，空气密度测量的准确性直接影响风速测量结果的准确性。本文探讨湿度因素对检定结果的影响。

采用风洞式检定方法进行测量，对不同湿度条件下的空气密度进行分析和计算，发现检定时环境湿度越大，湿度对空气密度的影响越大，即对风速值影响越大。此外，对不同温度条件下的空气密度进行了分析计算，发现在湿度相同的条件下，检定温度越高，湿度对空气密度的影响越大，即对风速值影响越大。

1 矿用低速风洞

能造成气流流动并能在其中进行空气动力学实验的装置叫风洞。根据其结构形式分为闭口直路式、闭口单回流式和开式等。

本文着重介绍当前我国用于风速仪表检测的几种风洞。用于风速仪表检测等工程流体力学实验的低速风洞，习惯称矿用低速风洞。它是当前世界各国检定风速表、风速传感器和皮托管的主要装置。

1.1 闭口直路式风洞

分为单工作段和双工作段两种[1]。为了提高风速表检定结果的准确度,我国目前普遍采用双工作段风洞。双工作段风洞的组成如图1所示。

图1 闭口直路式风洞示意图

1.2 闭口单回流式风洞

闭口单回流式风洞同样分单工作段和双工作段两种。用于风速表、皮托管检定的风洞是闭口单回流式双工作段风洞，组成如图2所示。

闭口直路式与闭口单回流式双工作段风洞主要组成基本相同，工作面都是封闭的，不同点是回流式是环形，气流在风洞内循环;直路式是流入试验室，试验室是一个不很规则的回流道。

图2 闭口单回流式风洞示意图

目前规程要求的矿用风速表检定装置为矿用低速风洞，包括闭口直路式或闭口回流式、双工作段风洞。

2 主要设备及相关参数

实验使用的是闭口回流式双工作段风洞[2]。

主要性能：风速表在工作段内的阻塞比不大于5%，总收缩比不小于10。

检验用风洞的风速范围应大于风速表的测量范围，气流均匀性不大于1.50%，气流稳定性不大于0.50%。

实际风速值计算：

式中：VS—实际风速值，m/s；

p—实际动压值，Pa；

ρ—空气密度，kg/m3；

ξ—皮托管校准系数；

N—第二工作段与第一工作段内平均风速比

3 空气密度的计算方法

根据JJG（煤炭） 01—96《矿用风速表》的要求[3]，空气密度ρ的计算公式为

式中：ρ—空气密度，kg/m3；

p0—大气压力，Pa；

t—温度，℃

事实上，空气湿度对于空气密度的影响很大，下文从理论上推导湿度的影响，并通过实验来比较两种测量结果的差别。

3.1 空气密度的计算方法及相关步骤

3.1.1 空气密度

空气密度ρ 是指单位容积中的空气的质量：

式中：M—空气的质量，kg；

V—空气占有的空间(或容积)，m3

3.1.2 空气密度的计算

空气由干空气和水蒸气组成。在某一温度下,空气的密度ρ 应为相同温度下干空气的密度ρ空和水蒸气的密度ρ水之和。

根据理想气体的状态方程，pV=RT，则

式中：R—气体常数，J/（kg·K）；

V—比容，m3/ kg；

p—绝对静压，Pa；

T—绝对温度，K

因ρ=1/V，则ρ=p/ RT。干空气的气体常数R空=287.041 J/（kg·K），水蒸气的气体常数R水=461.393 J/（kg·K）。

故得干空气的密度为

水蒸气的密度为

式中：p空、p水—分别为干空气和水蒸气的绝对静分压(Pa)

根据道尔顿定律知,这两项分压力之和等于湿空气的绝对静压(帕斯卡)。即

若已知湿空气的相对湿度Φ、饱和水蒸气的绝对静分压为p饱(饱和水蒸气的绝对静分压可在表1中查得)，在相对湿度为Φ的湿空气中，水蒸气的绝对静分压为p水＝Φ p饱，代入式（7）得：

所以

因为 p空=p0，由式（2）、（8）可得出：

式中：t—实测的温度，℃

式（11）表明：湿空气密度的影响因素是摄氏温度、绝对静压，湿度。

3.2 数据记录及处理

如上所述，在其他条件均不变的情况下，相对湿度分别为30%，35%，40%，45%，50%，55%时，用闭口回流式双工作段风洞对一块风速表进行检定，数据如表2所示。

在其他条件均不变的情况下，检定温度分别为15 ℃，17 ℃，19 ℃，20 ℃，21 ℃，23 ℃，25 ℃时，用闭口回流式双工作段风洞对一块风速表进行了检定，数据如表3所示。

3.3 结果与讨论

使用origin 专业绘图软件对上述数据进行分析。（如图3、图4所示）。

由图3可知，相对湿度越大，考虑与不考虑湿度影响的空气密度的差值越大，湿度对空气密度的影响越大。

表1 水蒸气的绝对静分压换算表

表2 温度20℃、大气压力8000 Pa 检定时的测量结果

图3 检定温度20℃时的湿度影响

由图4可知，检定温度越高，考虑湿度影响的空气密度与不考虑湿度影响的空气密度的差值越大，湿度对空气密度的影响越大。这可能是由于温度的改变导致了水蒸气的绝对静压的改变而造成的。

表3 湿度50 %RH、检定大气压力8000 Pa时的测量结果

图4 检定湿度50%RH时的湿度影响

4 结语

1）湿度的改变对空气密度的大小确实有影响。湿度越大，影响越大。

2）湿度对空气密度的影响程度会随着温度的升高而升高。这是由于温度的改变导致了水蒸气的绝对静压的改变而造成的。当检定温度在15℃时已有这种影响，而随着温度的升高，这种影响越来越明显。

3）空气密度直接影响着风速表的检定结果，因此不考虑湿度对空气密度的影响，会影响风速表检定结果的准确性。

[1]恽起麟.风洞实验[M].北京：国防工业出版社，2000.

[2]郑建光，任海洋，聂年晓.回流式低速风洞流动特性的研究[J].中国计量学院学报，2006，03：0212-0217.

[3]煤炭工业部科技教育司.JJG（煤炭）01—96[S].北京：中国计量出版社，1996.

[4]张也影.流体力学，2版[M].北京：高等教育出版社，2003.