Термоанемометрия

Термоанемометрия основана на измерении скорости потока жидкости или газа через влияние потока на тепловой баланс нагретого датчика. Основным элементом термоанемометра является тонкий проводник или пленка, нагреваемая электрическим током. Поток жидкости охлаждает датчик, а изменение температуры фиксируется и преобразуется в сигнал, пропорциональный скорости потока.

Существует два основных режима работы термоанемометров:

  1. Режим постоянной температуры (CTA, Constant Temperature Anemometry) – в этом режиме поддерживается постоянная температура датчика. Поток жидкости изменяет теплоотдачу, что вызывает изменение электрического тока, поддерживающего температуру. Сигнал измеряется по величине тока и пропорционален скорости потока.
  2. Режим постоянного тока (CCA, Constant Current Anemometry) – датчик нагревается постоянным током. Изменение температуры датчика фиксируется по изменению сопротивления и преобразуется в скорость потока. Этот метод проще по схеме, но имеет меньшее динамическое разрешение по сравнению с CTA.

Основные элементы термоанемометра

Датчик:

  • Изготавливается из вольфрама, платиновой или никелевой нити диаметром 1–10 мкм или из тонкопленочных материалов.
  • Длина нити обычно составляет 1–5 мм для уменьшения влияния инерции и обеспечения локальности измерений.

Поддерживающая структура:

  • Обеспечивает механическую прочность нити и минимизирует теплопотери через крепления.
  • Часто используются микроизолирующие стержни или мембраны.

Электронная схема:

  • Для CTA применяется мостовая схема с обратной связью для поддержания температуры.
  • Для CCA используется простой источник постоянного тока и измеритель сопротивления.
  • Цифровые системы позволяют оцифровывать сигнал с высокой частотой, до сотен кГц, что важно для анализа турбулентных пульсаций.

Физика взаимодействия потока и датчика

Теплопередача от нити к жидкости описывается законом Ньютона для охлаждения:

Q = h ⋅ A ⋅ (Ts − T∞)

где Q — тепловой поток, h — коэффициент конвективного теплообмена, A — площадь поверхности датчика, Ts — температура датчика, T∞ — температура потока.

Коэффициент h зависит от локальной скорости потока U и может быть приближенно выражен через эмпирическую зависимость:

h ∝ Un

где n обычно находится в диапазоне 0.4–0.5 для ламинарного потока и уменьшается для турбулентного. Именно этот закон позволяет преобразовывать измеренное изменение температуры или тока в скорость потока.

Диапазон измерений и чувствительность

  • Низкие скорости (<0,1 м/с): чувствительность ограничена тепловыми шумами и флуктуациями температуры окружающей среды.
  • Высокие скорости (>50 м/с): появляются эффекты сдвига сопротивления нити, инерционные задержки и турбулентные пульсации высокой частоты.
  • Чувствительность современных термоанемометров позволяет регистрировать изменения скорости потока до 0,01 м/с при частотах до 100 кГц.

Применение в исследовании турбулентности

Термоанемометрия является ключевым инструментом для экспериментальных исследований турбулентного потока, поскольку позволяет:

  • Измерять локальные мгновенные скорости с высокой временной разрешающей способностью.
  • Строить статистические характеристики турбулентности: среднюю скорость, дисперсию, автокорреляционные функции и спектры.
  • Анализировать структуру турбулентных пульсаций, включая интенсивность, перекос и корреляции потоковых компонент.

Особенно эффективен CTA-режим для регистрации турбулентных вихрей малых масштабов, благодаря высокой частоте отклика датчика и малой тепловой инерции нити.

Проблемы и ограничения метода

  1. Инерционность датчика – ограничивает верхнюю частоту регистрируемых пульсаций. Тонкие нити уменьшают инерцию, но повышают механическую хрупкость.
  2. Тепловая связь с креплениями – паразитные теплопотери могут искажать измерения.
  3. Калибровка – требуется точная зависимость между сигналом и скоростью потока, которая часто является эмпирической и зависит от температуры и вязкости среды.
  4. Влияние свойств среды – вязкость, плотность и теплоемкость жидкости изменяют конвективное охлаждение и должны учитываться при анализе.

Калибровка и обработка данных

Калибровка проводится в потоке известной скорости, часто с использованием трубки с ламинарным профилем или стандартного ветрового канала. Полученная зависимость между измеренным сигналом и скоростью потока может аппроксимироваться полиномами или формулами вида King’s Law:

E2 = A + B ⋅ Un

где E — напряжение датчика, A, B, n — калибровочные коэффициенты.

Обработка сигналов включает фильтрацию шумов, интеграцию для средних значений и спектральный анализ для турбулентных флуктуаций. Высокочастотные составляющие позволяют определить энергию мелкомасштабных вихрей, а низкочастотные — крупномасштабные структуры.

Оглавление