葉燕平 劉友勤 顧 文 鐘昌文

一種可變徑微風(fēng)速標(biāo)定裝置及標(biāo)定方法的研究

葉燕平 劉友勤 顧 文 鐘昌文

上海理工大學(xué)環(huán)境與建筑學(xué)院

通過理論分析，研制了一種可變徑負(fù)壓式微風(fēng)速標(biāo)定裝置，通過確定標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)風(fēng)速，實(shí)現(xiàn)風(fēng)速的高精度標(biāo)定與校正，并根據(jù)不同大小的標(biāo)定風(fēng)速通過變管徑的方式進(jìn)一步提高標(biāo)定準(zhǔn)確度，并且實(shí)現(xiàn)微風(fēng)速（0.2～2.0m/s）的標(biāo)定與校正。通過對其在不同風(fēng)機(jī)頻率、不同標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)道管徑下進(jìn)行了6種工況的標(biāo)定試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明：該標(biāo)定裝置中，測試段管徑為99.7mm的標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)道用于標(biāo)定2m/s以上的風(fēng)速，測試段管徑為196.7mm的標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)道用于對0.2～2.0m/s的微風(fēng)速進(jìn)行標(biāo)定。兩種管徑下的標(biāo)定誤差均在5%以內(nèi)。

可變徑負(fù)壓式風(fēng)速標(biāo)定裝置標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)道標(biāo)定準(zhǔn)確度

0 引言

室內(nèi)氣流組織是保證室內(nèi)空調(diào)效果的重要手段之一[1]。在通常情況下，室內(nèi)居留區(qū)空氣流速控制在1.0m/s之內(nèi)[2]。而在熱環(huán)境現(xiàn)場測試中，很難用熱線風(fēng)速儀準(zhǔn)確測得該范圍內(nèi)的微小風(fēng)速[3～4]，為提高室內(nèi)氣流組織的測試精度，需對微風(fēng)速條件下的熱線風(fēng)速儀進(jìn)行標(biāo)定。

目前行業(yè)中較為普遍采用的風(fēng)速計(jì)標(biāo)定方法有兩種：一種是旋臂機(jī)法，此方法結(jié)構(gòu)復(fù)雜，易擾動(dòng)靜止的空氣，從而影響標(biāo)定精度；另一種是相對標(biāo)定法[5]，此方法不易實(shí)現(xiàn)1.0m/s以下的低風(fēng)速標(biāo)定和校正，且皮托管本身標(biāo)定也會(huì)帶來一定的誤差，另外，風(fēng)速改變引起風(fēng)管內(nèi)速度場的不穩(wěn)定也會(huì)對標(biāo)定精度帶來影響。如何準(zhǔn)確且方便快捷地實(shí)現(xiàn)風(fēng)速儀在微風(fēng)速（0.2～2.0m/s）范圍內(nèi)的標(biāo)定、校正，同時(shí)保證標(biāo)定的精確度和準(zhǔn)確度，是建環(huán)專業(yè)測試技術(shù)領(lǐng)域亟需解決的問題之一[7]。故課題組研發(fā)了一種可變徑負(fù)壓式微風(fēng)速標(biāo)定裝置實(shí)現(xiàn)微風(fēng)速的高精度標(biāo)定，標(biāo)準(zhǔn)流量管為一可變徑式標(biāo)準(zhǔn)流量管，可以根據(jù)不同標(biāo)定風(fēng)速范圍選取最合適的管徑以進(jìn)一步提高標(biāo)定準(zhǔn)確度。

1 實(shí)驗(yàn)裝置及原理

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

可變徑負(fù)壓式微風(fēng)速標(biāo)定裝置如圖1所示。該裝置采用負(fù)壓引入空氣，并通過靜壓箱連接標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)道和風(fēng)機(jī)，保證了標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)道內(nèi)壓力場和速度場的穩(wěn)定，有利于克服風(fēng)機(jī)變頻時(shí)引起的不穩(wěn)定影響，提高標(biāo)定精度。采用漸擴(kuò)整流段實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)量到微風(fēng)速的轉(zhuǎn)變，保證氣流均勻和穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)微風(fēng)速的標(biāo)定。

圖1 可變徑負(fù)壓式微風(fēng)速標(biāo)定裝置

1.2 實(shí)驗(yàn)原理分析

標(biāo)準(zhǔn)流量管是通過大氣壓力、空氣溫度、空氣相對濕度和某截面的壁面靜壓4個(gè)參數(shù)測試流量[8]。裝置的試驗(yàn)原理是用伯努利方程計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)流量管流量，根據(jù)質(zhì)量守恒定律，由標(biāo)準(zhǔn)流量獲得標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)道平均風(fēng)速，再根據(jù)流體在管道內(nèi)流動(dòng)分布的特點(diǎn)，經(jīng)理論計(jì)算得出風(fēng)道軸心風(fēng)速作為標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)風(fēng)速，即風(fēng)速計(jì)標(biāo)定時(shí)的參照標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)速。

由伯努利方程得到：

式中：△P為壓差，Pa；P0為大氣壓力，Pa；P1為標(biāo)準(zhǔn)流量管喉部的壁面靜壓，Pa；ρ為被測空氣的密度，kg/m3，在考慮空氣溫度，空氣相對濕度和大氣壓力的情況下計(jì)算得到；v1為標(biāo)準(zhǔn)流量管的平均流速，m/s。

由式（1）得：

則標(biāo)準(zhǔn)流量可由下式計(jì)算得：

式中：A1為標(biāo)準(zhǔn)流量管的喉部面積，m2；ε為空氣膨脹系數(shù)。

當(dāng)風(fēng)機(jī)頻率為10Hz時(shí)，測得壓差△P=4.0Pa，v1=假定標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)道內(nèi)風(fēng)速為0.2m/s，根據(jù)質(zhì)量守恒定律q2= q1即A1v1=A2v2，則：

得大管徑為196.7mm。同理當(dāng)風(fēng)機(jī)頻率為10Hz，假定標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)道內(nèi)風(fēng)速為2.5m/s，可得小管徑為99.7mm。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

為說明該試驗(yàn)裝置中不同管徑適用于不同大小風(fēng)速的標(biāo)定，實(shí)驗(yàn)小組對其進(jìn)行了試驗(yàn)研究。試驗(yàn)分6個(gè)工況，以不同風(fēng)機(jī)頻率為變工況條件，詳見表1～2。

表1 管道一測試結(jié)果（風(fēng)速范圍1.5～12m/s）

表2 管道二測試結(jié)果（風(fēng)速范圍0.2～1.5m/s）

圖2不同測試段管徑下風(fēng)機(jī)頻率與理論風(fēng)速值的關(guān)系曲線

圖2 、圖3分別為不同測試段管徑下風(fēng)機(jī)頻率與理論風(fēng)速值、雷諾數(shù)的關(guān)系曲線。由圖2、圖3可以看出，測試段軸心處理論風(fēng)速值大小與風(fēng)機(jī)頻率大小幾乎呈線性關(guān)系，且呈正比。測試段管徑R=99.7mm管段內(nèi)的風(fēng)速范圍＞2m/s，在此管段內(nèi)很難實(shí)現(xiàn)微小風(fēng)速的標(biāo)定；測試段管徑R=196.7mm管段內(nèi)則可以實(shí)現(xiàn)對微小風(fēng)速（0.2～2m/s）的標(biāo)定。雷諾數(shù)的變化趨勢與理論風(fēng)速值基本相同，由于風(fēng)速范圍大小的差異造成不同管徑雷諾數(shù)數(shù)量級的差異。

圖3不同測試段管徑下風(fēng)機(jī)頻率與雷諾數(shù)的關(guān)系曲線

圖4 是標(biāo)定裝置理論計(jì)算值與熱線風(fēng)速儀實(shí)測值的比較，由圖看出理論風(fēng)速曲線與實(shí)測值曲線幾乎重合，說明了該標(biāo)定裝置的精確性。

圖4不同測試段管徑下風(fēng)速理論值與實(shí)測值比較

圖5 是實(shí)測風(fēng)速誤差曲線，小管徑管段內(nèi)對大風(fēng)速的標(biāo)定誤差都在2%以內(nèi)，達(dá)到了較高的精度，且隨著風(fēng)機(jī)頻率增大、被標(biāo)定風(fēng)速的增大而增大；大管徑管段內(nèi)對微小風(fēng)速的標(biāo)定誤差除了極小風(fēng)速處最大誤差達(dá)到4%，其余點(diǎn)標(biāo)定誤差也均在2%以下，也隨被標(biāo)定風(fēng)速增大而增大。

圖5 不同測試段管徑下實(shí)測風(fēng)速誤差曲線

3 結(jié)論

通過對試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理分析可以得到：

1）該標(biāo)定裝置通過小管徑測試管段能精確地標(biāo)定大風(fēng)速，精度在2%內(nèi)；通過大管徑測試管段可以標(biāo)定0.2～2m/s之間的微小風(fēng)速，除了對某些極小風(fēng)速標(biāo)定誤差達(dá)到4%，微小風(fēng)速的標(biāo)定精度也都在2%內(nèi)。

2）理論計(jì)算風(fēng)速與風(fēng)機(jī)頻率呈線性關(guān)系，且呈正比。實(shí)測風(fēng)速與理論風(fēng)速一致，但由于管段內(nèi)增加了整流金屬網(wǎng)，使得實(shí)測風(fēng)速比理論風(fēng)速略小。

3）通過實(shí)驗(yàn)，當(dāng)被標(biāo)定的風(fēng)速大于2m/s的時(shí)候，用小管徑測試管段進(jìn)行標(biāo)定；當(dāng)標(biāo)定風(fēng)速為0.2～2m/s之間的微風(fēng)速時(shí)，用大管徑測試管段進(jìn)行標(biāo)定。通過可變徑的風(fēng)速標(biāo)定，實(shí)現(xiàn)操作更方便，測試結(jié)果更加精確的目的。

[1]周正平,董凱軍,連之偉.空調(diào)房問氣流組織與人體熱舒適關(guān)系的初步探討[J].制冷空調(diào)與電力機(jī)械,2006,27(1):17-20

[2]黃晨.建筑環(huán)境學(xué)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2005

[3]Abdullah M Al-Garni.Low speed calibration of hot-wire anemom -eters[J].Flow Measurement and Instrumentation,2007,18:95-98

[4]Santiago Pezzotti.A wind tunnel for anemometer calibration in the range of 0.2～1.25 m/s[J].Flow Measurement and Instrumenta -tion,2011,22:338-342

[5]路建嶺.一種負(fù)壓式微風(fēng)速標(biāo)定裝置的試驗(yàn)研究[J].流體機(jī)械, 2009,37(10):7-10

[6]郎四維.使用激光流速計(jì)的風(fēng)速標(biāo)定裝置簡介[J].暖通空調(diào). 1982,(4):29-31

[7]李殿璽,王世安,游克全,等.一種新的流量管標(biāo)定方法[J].熱能動(dòng)力工程,2004,19(3):316-317

[8]工業(yè)通風(fēng)機(jī)——用標(biāo)準(zhǔn)化風(fēng)道進(jìn)行性能試驗(yàn)(GB/T1236-2000) [S]

Study of Ca libra tion Equipm e nt w ith Va ria ble Dia m e te r for Bre e ze a nd Its Ca libra tion Me thod

YE Yan-ping,LIU You-qing,GU Wen,ZHONG Chang-wen
School of Environment and Architecture,University of Shanghai for Science and Technology

Based on theoretical analysis,a negative pressure calibration equipment for breeze with variable diameter was developed.The high-precision calibration can be realized by assure the speed of the standard piont.According to the different wind speed which is to be calibrated,the calibration accuracy can be further improved by variable diameter and the calibration for breeze speed(0.2～2.0m/s)will be realized.Six calibration experiments were accomplished in different fan frequency and standard duct diameter.The results are showed as follows:in this calibration equipment,when pipe diameter of the standard duct is 99.7 mm,it is used to calibrate the speed over 2m/s.when pipe diameter of the standard duct is 196.7 mm,it is used to calibrate the speed between 0.2 and 2m/s.Calibration error is less than 4%in these two pipe.

calibration equipment with variable diameter negative pressure for breeze,speed of the standard piont, standard duct,calibration accuracy

1003-0344（2014）04-081-3

2013-5-23

葉燕平（1991～），女，本科；上海理工大學(xué)環(huán)境與建筑學(xué)院（200129）；E-mail:yeyanpinggxp@sina.com基金項(xiàng)目：上海理工大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新活動(dòng)計(jì)劃項(xiàng)目；國家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金項(xiàng)目（51108263）