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(qū)第二代表室，天津 300308）

0 引言

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

1 風(fēng)速測試原理

1.1 熱式風(fēng)速儀

熱式風(fēng)速儀利用流場中融入電流的加熱細(xì)金屬絲來實現(xiàn)風(fēng)速的測量。當(dāng)風(fēng)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(fēng)速儀后引起了電信號的變化，鑒于電信號和風(fēng)速之間具有一一對應(yīng)的關(guān)系，因此可測得風(fēng)速數(shù)據(jù)。

熱式風(fēng)速儀是建立在熱平衡原理基礎(chǔ)上，利用運動流體中發(fā)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(jù)熱平衡原理，在金屬絲沒有熱傳導(dǎo)的情況下，加熱電流在金屬絲中所產(chǎn)生的熱量應(yīng)該等于流體所帶走的熱量[1]。根據(jù)焦耳定律、熱耗散規(guī)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(guān)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(shù)。對于給定的熱線風(fēng)速儀和給定的被測流體，A、B為常數(shù)，寫成一般函數(shù)關(guān)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(xiàn)出來，從而形成了兩種不同工作方式的風(fēng)速儀——恒流風(fēng)速儀與恒溫風(fēng)速儀。

本文選擇使用的熱式風(fēng)速儀是恒流風(fēng)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(dāng)產(chǎn)生的熱量和散失的熱量相等時，熱球就穩(wěn)定在某一溫度，達(dá)到動態(tài)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(jù)能量守恒，在穩(wěn)定條件下其能量平衡方程為：

式中Qj為探頭中電熱絲產(chǎn)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(dǎo)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(fēng)速降低，自然對流的影響比例增大，導(dǎo)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(jìn)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(fēng)速探頭更適用于常壓下的風(fēng)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(tǒng)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(zhuǎn)變?yōu)椴顗?，而微差壓計的作用是對差壓進(jìn)行檢測[2]。目前使用的畢托管是一根彎成直角的雙層結(jié)構(gòu)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(yīng)的流速。設(shè)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(yīng)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(zhuǎn)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(jié)構(gòu)

為了建立總壓和靜壓之差與流速的關(guān)系，假設(shè)流體流動為理想不可壓縮的定常流動，根據(jù)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(guān)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(fēng)速儀

葉輪式風(fēng)速儀：把葉輪轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)換成電信號，對葉輪的轉(zhuǎn)動進(jìn)行“計數(shù)”，轉(zhuǎn)動過程中產(chǎn)生一個周期的脈沖系列，經(jīng)檢測儀轉(zhuǎn)換處理即得到風(fēng)速值[4]。葉輪式風(fēng)速儀是一種恒溫風(fēng)速儀，利用風(fēng)車轉(zhuǎn)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(xiàn)風(fēng)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(fēng)機流量測試方法：將風(fēng)速儀測速部分置于熱風(fēng)機出氣口中央，測量熱風(fēng)機出氣口流速，按公式（5）計算熱風(fēng)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(fēng)機風(fēng)速測試示意圖見圖3，低氣壓條件下熱風(fēng)機風(fēng)速測試示意如圖4。

圖3 常壓環(huán)境下熱風(fēng)機風(fēng)速測試示意圖

圖4 低氣壓環(huán)境下熱風(fēng)機風(fēng)速測試示意圖

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

3 結(jié)果與討論

3.1 常溫常壓下風(fēng)速測試差異性分析

本節(jié)針對上述三種風(fēng)速測試方法測得某熱風(fēng)機常溫常壓下數(shù)據(jù)情況進(jìn)行計算及研究分析。

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

表1 常溫常壓下測試數(shù)據(jù)

3.2 常溫低氣壓下風(fēng)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(fēng)速儀：由于小葉輪式風(fēng)速儀為長桿形狀，低氣壓條件下測試時小葉輪風(fēng)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(zhǔn)待測試風(fēng)機出風(fēng)口（圖5），在熱風(fēng)機轉(zhuǎn)動時產(chǎn)生振動，導(dǎo)致小葉輪在低氣壓箱內(nèi)抖動，不能保證在測試全過程中對準(zhǔn)測試風(fēng)口。因此需要通過固定小葉輪風(fēng)速儀風(fēng)速探頭端，來解決因小葉輪桿探頭端自身抖動導(dǎo)致的測試結(jié)果有誤的問題，測試方法改進(jìn)前的測試數(shù)據(jù)見表2。

圖5 低氣壓箱內(nèi)小葉輪風(fēng)速測試試驗裝置示意圖（改進(jìn)前）

（2）畢托管：由于畢托管本身材質(zhì)問題，在穿過低氣壓箱的側(cè)孔時被密封泥擠壓變形（圖6），導(dǎo)致箱內(nèi)外壓差大于真實值，測試數(shù)據(jù)見表2。以所得某組數(shù)據(jù)為例說明計算過程：現(xiàn)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(jīng)計算得出u=11.1m/s。

圖6 畢托管測試試驗裝置（改進(jìn)前）

（3）熱式風(fēng)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(dǎo)致測試數(shù)據(jù)出現(xiàn)嚴(yán)重偏差，測試數(shù)據(jù)見表2，故該測試方法不適用低氣壓條件的風(fēng)速測量。

表2 常溫低氣壓下有問題的測試數(shù)據(jù)

3.2.2 測試方案優(yōu)化

對上述測試存在的問題進(jìn)行分析并針對可改進(jìn)的2種測試方法進(jìn)行的測試方案改進(jìn)如下：增加小葉輪式風(fēng)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(fēng)速測試點（圖7）。畢托管測試中低氣壓箱的側(cè)孔處用材質(zhì)較為硬質(zhì)的PCV套管對畢托管軟管進(jìn)行防護(hù)（圖8），然后再進(jìn)行密封。

圖7 小葉輪風(fēng)速測試試驗裝置（改進(jìn)后）

圖8 畢托管測試試驗裝置（改進(jìn)后）

表3 常溫低氣壓下測試數(shù)據(jù)

4 結(jié)束語

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