低风速条件下风速测试技术研究

马柏慧，王洪玮

（1.天津航空机电有限公司，天津 300308；2.空装驻天津地区第二代表室，天津 300308）

0 引言

传统热风机工作产生的风速很低，低气压条件由于受到模拟低气压环境的限制，严重影响风速测试设备的可操作性，尤其是为实现其在常温常压下和常温低气压下产生的风速的测量，因此有必要开展低风速条件下风速的测量研究。本文对某型热风机的风速测量进行理论分析及实验研究。通过开展某型热风机不同气压条件下的（常压、低气压）下风速测试，对比分析测试数据的差异性，最终优选出对应条件下最适的测试方法。

1 风速测试原理

1.1 热式风速仪

热式风速仪利用流场中融入电流的加热细金属丝来实现风速的测量。当风速变化时，金属丝的温度就随之改变，由于温度的偏差反馈到风速仪后引起了电信号的变化，鉴于电信号和风速之间具有一一对应的关系，因此可测得风速数据。

热式风速仪是建立在热平衡原理基础上，利用运动流体中发热体的热耗散平衡条件随流速改变这一原理来测量流速的仪器。根据热平衡原理，在金属丝没有热传导的情况下，加热电流在金属丝中所产生的热量应该等于流体所带走的热量[1]。根据焦耳定律、热耗散规律、热平衡原理及热线的克英定律计算公式，即可将热平衡关系表示为：

式中，A、B是由热线尺寸、流体特性和流动条件决定的系数。对于给定的热线风速仪和给定的被测流体，A、B为常数，写成一般函数关系形式为u=f（Iw，Tw）。即流体速度的变化可在加热电流Iw，热线温度Tw两者的变化中表现出来，从而形成了两种不同工作方式的风速仪——恒流风速仪与恒温风速仪。

本文选择使用的热式风速仪是恒流风速仪的一种，测量时电热丝通入恒定直流，气流吹过热球表面时，从热球表面带走热量。当产生的热量和散失的热量相等时，热球就稳定在某一温度，达到动态平衡，最终通过测量探头的温度就可以确定气流的速度[3]。根据能量守恒，在稳定条件下其能量平衡方程为：

式中Qj为探头中电热丝产生的焦耳热，Qc为球形探头向周围流体的对流热损失，Qd为电热丝和热电偶丝上的导热热损失，Qr为探头的热辐射引起的热损失。

由式（2）可以推断，随着风速降低，自然对流的影响比例增大，导致由辐射引起的热损失所占的比例也变大[5]。在减压条件下，稀薄的空气使得测量探头的温度进一步升高，不仅增加了对自然对流和辐射的影响，同时还会加快探头的老化。通过上述分析，说明球形风速探头更适用于常压下的风速测量。

1.2 毕托管

“毕托-静压管流速计”包括两部分：毕托管和微差压计。图1是该测量系统的示意图。

图1 毕托管流速计示意图

在毕托管流速计中，毕托管的作用是将流速转变为差压，而微差压计的作用是对差压进行检测[2]。目前使用的毕托管是一根弯成直角的双层结构金属小管，如图2（a）所示。在毕托管的头部迎流方向开有一个小孔（1），称总压孔。在毕托管头部下游某处又开有若干小孔（2），称为静压孔。毕托管所测得的流速是毕托管头部顶端所对应的流速。设定流场中某一点（1）的流速为u，静压为p。为了测得该点流速，应将毕托管顶端的小孔（1）置于此点，并使毕托管轴线与流向平行。这时，由于插入了毕托管，A点的流速被滞止为零，压力由原来的静压p上升到滞止压力p0（或称总压p0）。p0包含流体初始静压力p和由流体动能转化为静压力部分（含流速u）。从p0中将原来的静压p减去，就可得到流速值u。

图2 毕托管的结构

为了建立总压和静压之差与流速的关系，假设流体流动为理想不可压缩的定常流动，根据理想不可压缩流体的伯努利方程，总压孔（1）点及静压孔（2）点可列出如下关系式：

所以

式中ρ为被测流体的密度（kg/m3），p0为总压，p静压。

1.3 叶轮式风速仪

叶轮式风速仪：把叶轮转动转换成电信号，对叶轮的转动进行“计数”，转动过程中产生一个周期的脉冲系列，经检测仪转换处理即得到风速值[4]。叶轮式风速仪是一种恒温风速仪，利用风车转动的测试原理，可以在常温常压下及空气稀薄的低气压条件下实现风速的测试，该方法也适用于测量管道出口的紊流流速[6]。

2 实验方法

热风机流量测试方法：将风速仪测速部分置于热风机出气口中央，测量热风机出气口流速，按公式（5）计算热风机流量。

式中V为出气口单位时间的流量，m3/h；v为出气口单位时间的流速，m/s；S为出气口截面积，m2。

常温常压下热风机风速测试示意图见图3，低气压条件下热风机风速测试示意如图4。

图3 常压环境下热风机风速测试示意图

图4 低气压环境下热风机风速测试示意图

为保证热风机流量计算的准确性，热风机出口风速的测量必须保证热风机出口风速达到基本稳定时再读取风速值，即风速稳定后风速仪传感器显示的风速数值代表被测风机的风速值。在空气流动工况下，由于风速仪传感器需要一定时间才能反映出被测风机的风速，而被测风机的风速反应时间与测试方法直接相关，因此本文采用的风速测试仪器为热线风速仪、毕托管及叶轮式风速仪三种风速测试手段，对某型热风机产品在低气压环境下产生的低风速进行测试分析。

3 结果与讨论

3.1 常温常压下风速测试差异性分析

本节针对上述三种风速测试方法测得某热风机常温常压下数据情况进行计算及研究分析。

三种测试方法测得数据结果见表1，由测试数据可知，小叶轮式风速仪、毕托管及热式风速仪测试结果均很接近。从操作层面，小叶轮式风速仪及热式风速仪均可直接读取数据，相对简单快捷，而毕托管需搭建风速测试管路并进行数据计算，尽管可实现低风速下的风速测量，但是测试流程相对复杂，故常温常压下推荐使用小叶轮式风速仪或热式风速仪。

表1 常温常压下测试数据

3.2 常温低气压下风速测试差异性分析

3.2.1 测试中问题研究分析

（1） 小叶轮式风速仪：由于小叶轮式风速仪为长杆形状，低气压条件下测试时小叶轮风速仪测试杆一端需固定到低气压箱搁架上，另一端悬空对准待测试风机出风口（图5），在热风机转动时产生振动，导致小叶轮在低气压箱内抖动，不能保证在测试全过程中对准测试风口。因此需要通过固定小叶轮风速仪风速探头端，来解决因小叶轮杆探头端自身抖动导致的测试结果有误的问题，测试方法改进前的测试数据见表2。

图5 低气压箱内小叶轮风速测试试验装置示意图（改进前）

（2）毕托管：由于毕托管本身材质问题，在穿过低气压箱的侧孔时被密封泥挤压变形（图6），导致箱内外压差大于真实值，测试数据见表2。以所得某组数据为例说明计算过程：现差压计测得压差值（p0-p）为80.0Pa，将ρ=PM/RT代入公式（4），其中P=101325 Pa，M=29，R=8.314J/（mol·K），T=273.15K，经计算得出u=11.1m/s。

图6 毕托管测试试验装置（改进前）

（3）热式风速仪：由于空气稀薄，测量探头的温度会逐渐升高，增加了对自然对流和辐射的影响，导致测试数据出现严重偏差，测试数据见表2，故该测试方法不适用低气压条件的风速测量。

表2 常温低气压下有问题的测试数据

3.2.2 测试方案优化

对上述测试存在的问题进行分析并针对可改进的2种测试方法进行的测试方案改进如下：增加小叶轮式风速仪辅助固定的夹具，保证小叶轮测试杆端头能牢固地定位在风速测试点（图7）。毕托管测试中低气压箱的侧孔处用材质较为硬质的PCV套管对毕托管软管进行防护（图8），然后再进行密封。

图7 小叶轮风速测试试验装置（改进后）

图8 毕托管测试试验装置（改进后）

表3 常温低气压下测试数据

4 结束语

本文首先从低风速测试方法入手，详细分析了风速测试原理；然后针对某热风机在常温常压下测试数据差异性进行分析；最后对常温低气压条件下的风速测试方法进行优化改进，并对测试数据差异性进行分析。分析结果：对某热风机常温常压条件下低风速测量小叶轮式风速仪、毕托管及热式风速仪均可采用；常温低气压条件下低风速测量可采用毕托管、小叶轮式风速仪；从操作方面，小叶轮式风速仪较毕托管更方便快捷地可实现对某热风机的低风速的可靠测量。