第7章流速測量

1、動態(tài)流場測試技術(shù)動態(tài)流場測試技術(shù)1 皮托管測速皮托管測速2 熱線測速熱線測速3 激光多普勒測速激光多普勒測速(LDV)4 粒子成像粒子成像(PIV)一 皮托管測速v皮托管測速原理：利用流體的總壓和靜壓之差，即動壓來測量流速，也稱動壓管。也稱風(fēng)速管。一 皮托管測速一 皮托管測速一 皮托管測速v1 優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單、制造實用方便、價格低優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單、制造實用方便、價格低 廉。廉。v2 缺點：屬于接觸式測量，對流場有一定影缺點：屬于接觸式測量，對流場有一定影響。測量范圍較小響。測量范圍較小530m/s，流體馬赫數(shù)不大，流體馬赫數(shù)不大于于0.8.二二 熱線測速儀熱線測速儀Hot Wire Anemom

2、eter1. 1. 熱線測速儀的工作原理熱線測速儀的工作原理2. 2. 熱線測速儀的靜態(tài)特性熱線測速儀的靜態(tài)特性3. 3. 兩種運行方式兩種運行方式4. 4.熱線測速儀的標(biāo)定熱線測速儀的標(biāo)定二二 熱線風(fēng)速儀熱線風(fēng)速儀v熱線測速儀熱線測速儀（Hot Wire Anemometer，簡稱，簡稱HWA），發(fā)明），發(fā)明于于2020世紀(jì)世紀(jì)2020年代。它是年代。它是將流體速度信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柕囊粚⒘黧w速度信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柕囊环N測速儀器，也可用于測量流體的溫度。種測速儀器，也可用于測量流體的溫度。v其其基本原理基本原理是，將一根細(xì)的金屬絲放在流體中，通過電流是，將一根細(xì)的金屬絲放在流體中，通過電流加熱金

3、屬絲，使其溫度高于流體的溫度，因此將金屬絲稱加熱金屬絲，使其溫度高于流體的溫度，因此將金屬絲稱為為“熱線熱線”。當(dāng)流體沿垂直方向流過金屬絲時，將帶走金。當(dāng)流體沿垂直方向流過金屬絲時，將帶走金屬絲的一部分熱量，使金屬絲溫度下降。屬絲的一部分熱量，使金屬絲溫度下降。熱線在氣流中的熱線在氣流中的散熱量與流速有關(guān)，散熱量導(dǎo)致熱線溫度變化而引起電阻散熱量與流速有關(guān)，散熱量導(dǎo)致熱線溫度變化而引起電阻變化，流速信號即轉(zhuǎn)變成電信號。變化，流速信號即轉(zhuǎn)變成電信號。二二 熱線風(fēng)速儀熱線風(fēng)速儀v熱線長度一般為熱線長度一般為2mm，直徑，直徑5m ，最小的探頭直徑僅最小的探頭直徑僅1m，長為，長為0.2 mm。v材料

4、為鉑、鎢或鉑銠合金等材料為鉑、鎢或鉑銠合金等熔點熔點高、延展性好的金屬高、延展性好的金屬。v根據(jù)不同的用途，熱線探頭還做根據(jù)不同的用途，熱線探頭還做成雙絲、三絲、斜絲及成雙絲、三絲、斜絲及V形、形、X形形等。等。USTC二二 熱線風(fēng)速儀熱線風(fēng)速儀v若以一片很薄若以一片很薄(厚度小于厚度小于0.1微米微米)的金屬膜代替金屬絲，即為熱膜的金屬膜代替金屬絲，即為熱膜測速儀，功能與熱絲相似，但多測速儀，功能與熱絲相似，但多用于測量液體流速。用于測量液體流速。二二 熱線風(fēng)速儀熱線風(fēng)速儀v熱線測速儀的熱線測速儀的優(yōu)點優(yōu)點是：是：（1）體積小，對流場干擾??；）體積小，對流場干擾??；（2）頻率響應(yīng)高，可達(dá)）頻

5、率響應(yīng)高，可達(dá)1 MH z。測速量程可達(dá)到。測速量程可達(dá)到500m/s（3）測量精度高，重復(fù)性好。）測量精度高，重復(fù)性好。（4）適用范圍廣。不僅可用于氣體也可用于液體，在氣體）適用范圍廣。不僅可用于氣體也可用于液體，在氣體的亞聲速、跨聲速和超聲速流動中均可使用；可以測量的亞聲速、跨聲速和超聲速流動中均可使用；可以測量平均速度，也可測量脈動值和湍流量；還可以測量多個平均速度，也可測量脈動值和湍流量；還可以測量多個方向的速度分量。方向的速度分量。v熱線測速儀的熱線測速儀的缺點缺點是：是： 探頭對流場有一定干擾，熱線容易斷裂。探頭對流場有一定干擾，熱線容易斷裂。USTC二二 熱線風(fēng)速儀熱線風(fēng)速儀強迫

6、對流傳熱強迫對流傳熱-占主導(dǎo)地位。占主導(dǎo)地位。金（金（King, 1914）公式：）公式：TTdlhQwfViwQQ0.5ueNABRuehdNkvdR強迫對流傳熱氣體熱傳導(dǎo)慣性力粘性力二二 熱線風(fēng)速儀熱線風(fēng)速儀0.52211/fuewffwfwWWWWwfQNABRKingk A l TTtdQk A l TTt ABvQI R tI RTTABv強迫對流傳熱公式氣體熱傳導(dǎo)強迫對流傳走的熱電流加的熱熱平衡時：二二 熱線風(fēng)速儀熱線風(fēng)速儀金屬絲電阻隨溫度變化：金屬絲電阻隨溫度變化：vBARRRRIRRRTTKKKKTTTTRRfwwwwwfwfww110020000102713027130210

7、0,1100 . 7,1102 . 51105 . 5,1105 . 31得熱平衡方程：鎢絲：鉑絲：二二 熱線風(fēng)速儀熱線風(fēng)速儀熱線有兩種熱線有兩種工作模式工作模式： 恒流式。通過熱線的電流保持不變，溫度變化時，恒流式。通過熱線的電流保持不變，溫度變化時，熱線電阻改變，因而兩端電壓變化，由此測量流速；熱線電阻改變，因而兩端電壓變化，由此測量流速； 恒溫式。熱線的溫度保持不變，如保持恒溫式。熱線的溫度保持不變，如保持150，根據(jù)，根據(jù)所需施加的電流可度量流速。恒溫式比恒流式應(yīng)用更廣所需施加的電流可度量流速。恒溫式比恒流式應(yīng)用更廣泛。泛。二二 熱線風(fēng)速儀熱線風(fēng)速儀恒流式：恒流式：ER2R1RWe1R

8、2 RwVBARIVBARRwfIw1100211二二 熱線風(fēng)速儀熱線風(fēng)速儀恒恒溫溫式：式：R2R1R3RwI1I2IBe0V , Tw , Rw , e1 , e2 - e1 , e0 , IB , eB , I1 , Tw , RW0011RRRRVBAIwfwRww二二 熱線風(fēng)速儀熱線風(fēng)速儀v熱線測速儀的熱線測速儀的主要用途主要用途是：是：（1）測量平均流動的速度和方向。）測量平均流動的速度和方向。（2）測量來流的脈動速度及其頻譜。）測量來流的脈動速度及其頻譜。（3）測量湍流中的雷諾應(yīng)力及兩點的速度相關(guān)性、時間）測量湍流中的雷諾應(yīng)力及兩點的速度相關(guān)性、時間相關(guān)性。相關(guān)性。（4）測量壁面切

9、應(yīng)力（通常是采用與壁面平齊放置的熱）測量壁面切應(yīng)力（通常是采用與壁面平齊放置的熱膜探頭來進(jìn)行的，原理與熱線測速相似）。膜探頭來進(jìn)行的，原理與熱線測速相似）。（5）測量流體溫度（事先測出探頭電阻隨流體溫度的變）測量流體溫度（事先測出探頭電阻隨流體溫度的變化曲線，然后根據(jù)測得的探頭電阻就可確定溫度。除化曲線，然后根據(jù)測得的探頭電阻就可確定溫度。除此以外還開發(fā)出許多專業(yè)用途。此以外還開發(fā)出許多專業(yè)用途。三三 激光多普勒測速儀激光多普勒測速儀(LDV)Laser Doppler Velocimeter v激光測速的激光測速的原理原理是：是測量通過激光束的示蹤粒子的多是：是測量通過激光束的示蹤粒子的多普

10、勒信號，再根據(jù)速度與多普勒頻率的關(guān)系得到粒子速普勒信號，再根據(jù)速度與多普勒頻率的關(guān)系得到粒子速度。測得了粒子的速度，也就是流動的速度。度。測得了粒子的速度，也就是流動的速度。v激光測速的最主要的激光測速的最主要的優(yōu)點優(yōu)點是對流動沒有任何擾動，測量是對流動沒有任何擾動，測量的精度高，測速范圍寬，而且由于多普勒頻率與速度是的精度高，測速范圍寬，而且由于多普勒頻率與速度是線性關(guān)系，和該點的溫度，壓力沒有關(guān)系，是目前世界線性關(guān)系，和該點的溫度，壓力沒有關(guān)系，是目前世界上速度測量精度最高的儀器。上速度測量精度最高的儀器。三激光多普勒測速儀三激光多普勒測速儀(LDV)v基本光路基本光路V三三 激光多普勒測

11、速儀激光多普勒測速儀(LDV)v條紋模型條紋模型fxzyzyyx三三 激光多普勒測速儀激光多普勒測速儀(LDV)v條紋模型條紋模型V12d2sin22sin20VdVfdD三三 激光多普勒測速儀激光多普勒測速儀(LDV)v基本布置基本布置V激光電源激光電源聲光調(diào)制聲光調(diào)制器電源器電源計算機計算機光電倍增光電倍增管電源管電源信號處理器信號處理器放大器放大器v技術(shù)指標(biāo)：技術(shù)指標(biāo)：測速范圍：測速范圍：mm/s-1000m/s測速維數(shù)：測速維數(shù)：1維，維，2維或維或3維維測速精度：測速精度：0.1%工作光譜：工作光譜：514.5，488，476.5nm三激光多普勒測速儀三激光多普勒測速儀(LDV)1激

12、光器：水冷氬離子激光器激光器：水冷氬離子激光器 輸出功率：輸出功率：5W 光束直徑：光束直徑：1.5mm 光束發(fā)散角：光束發(fā)散角：0.5mrad2分光器、光纖耦合器分光器、光纖耦合器最大輸入光功率：最大輸入光功率：10W分光光譜：分光光譜：514.5，488，476.5nm內(nèi)置布拉格盒內(nèi)置布拉格盒3處理器處理器 最大輸入多普勒頻率：最大輸入多普勒頻率：FSA3500 100MHz FSA4000 175MHz最低可處理信噪比：最低可處理信噪比：-12dB數(shù)據(jù)傳輸速率：數(shù)據(jù)傳輸速率：400Mbps能夠進(jìn)行周期性流動測量能夠進(jìn)行周期性流動測量具備外部模擬具備外部模擬/數(shù)字信號輸入功能數(shù)字信號輸入功

13、能三三 激光多普勒測速儀激光多普勒測速儀(LDV)4數(shù)據(jù)處理、顯示軟件數(shù)據(jù)處理、顯示軟件在線實時采集顯示數(shù)據(jù)；支持?jǐn)?shù)據(jù)回放；支持周期性流在線實時采集顯示數(shù)據(jù)；支持?jǐn)?shù)據(jù)回放；支持周期性流動測量；支持各種速度統(tǒng)計：平均速度、均方根、剪應(yīng)動測量；支持各種速度統(tǒng)計：平均速度、均方根、剪應(yīng)力、湍流度；支持粒徑統(tǒng)計：平均粒徑、力、湍流度；支持粒徑統(tǒng)計：平均粒徑、D32、體積通量；、體積通量；各統(tǒng)計參數(shù)關(guān)聯(lián)分布；提供各參數(shù)的自相關(guān)、互相關(guān)、各統(tǒng)計參數(shù)關(guān)聯(lián)分布；提供各參數(shù)的自相關(guān)、互相關(guān)、功率譜分析；支持?jǐn)?shù)據(jù)導(dǎo)出功率譜分析；支持?jǐn)?shù)據(jù)導(dǎo)出5移動坐標(biāo)架、探頭安裝導(dǎo)軌及控制器移動坐標(biāo)架、探頭安裝導(dǎo)軌及控制器行程：行

14、程：600X600X600mm；含探頭安裝支架及控制器；電；含探頭安裝支架及控制器；電纜長度：滿足工作場地要求；位置分辨率：纜長度：滿足工作場地要求；位置分辨率：0.01mm；承；承重：重：50公斤以上；控制方式：完全計算機控制公斤以上；控制方式：完全計算機控制三三 激光多普勒測速儀激光多普勒測速儀(LDV)三三 相位多普勒粒子分析儀（相位多普勒粒子分析儀（ PDPA） Phase Doppler Particle Analyzerv相位多普勒粒子分析儀顧名思義是利用多普勒效應(yīng)來測量運動粒子的相相位多普勒粒子分析儀顧名思義是利用多普勒效應(yīng)來測量運動粒子的相位特性。它是由激光多普勒測速儀發(fā)展而來

15、的，至今已有近二十年的歷位特性。它是由激光多普勒測速儀發(fā)展而來的，至今已有近二十年的歷史。史。vPDPAPDPA所依據(jù)的所依據(jù)的基本光學(xué)原理基本光學(xué)原理是是LorenzLorenzMieMie散射理論。如同聲波的多普散射理論。如同聲波的多普勒效應(yīng)一樣，光源與物體相對運動也具有多普勒效應(yīng)。在勒效應(yīng)一樣，光源與物體相對運動也具有多普勒效應(yīng)。在PDPAPDPA中，依靠中，依靠運動微粒的散射光與照射光之間的頻差來獲得速度信息，而通過分析穿運動微粒的散射光與照射光之間的頻差來獲得速度信息，而通過分析穿越激光測量體的球形粒子反射或折射的散射光產(chǎn)生的相位移動來確定粒越激光測量體的球形粒子反射或折射的散射光產(chǎn)

16、生的相位移動來確定粒徑的大小。徑的大小。三三 相位多普勒粒子分析儀（相位多普勒粒子分析儀（ PDPA） Phase Doppler Particle Analyzerv儀器包括儀器包括320mw320mw氬離子風(fēng)冷激光器、激光耦合器、氬離子風(fēng)冷激光器、激光耦合器、RSARSA信號信號處理器、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)以及激光發(fā)射和接收器等。一般情處理器、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)以及激光發(fā)射和接收器等。一般情況下，它的測速范圍是況下，它的測速范圍是-90-90283m/s283m/s，可測粒徑范圍是，可測粒徑范圍是0.50.59090m m，此范圍還可通過更換發(fā)射鏡頭加以擴大。，此范圍還可通過更換發(fā)射鏡頭加以擴大。三三

17、相位多普勒粒子分析儀（相位多普勒粒子分析儀（ PDPA）處理器處理器激光器激光器發(fā)射器發(fā)射器接受透鏡接受透鏡光電倍增管光電倍增管三三 相位多普勒粒子分析儀（相位多普勒粒子分析儀（ PDPA）mP=2P=0P=1四四 粒子成像速度計粒子成像速度計( PIV) Particle Image Velocimeterv 什么是什么是PIV 1. PIV是一種在流場中同時多點（如數(shù)千點）是一種在流場中同時多點（如數(shù)千點）測量流體或粒子速度矢量的光學(xué)圖象技術(shù)。測量流體或粒子速度矢量的光學(xué)圖象技術(shù)。 2. 通常在流場的通常在流場的“平面薄片平面薄片”中進(jìn)行測量。中進(jìn)行測量。 3. 精度和空間分辨率可與精度和

18、空間分辨率可與LDV及及HWA比較。比較。四粒子成像速度計四粒子成像速度計( PIV) v PIV 原理原理YX粒子第一粒子第一個的像個的像 t 后，后，粒子粒子第二個的像第二個的像121212lim,lim12ttYYVttXXUt2t1t2t1四四 粒子成像速度計粒子成像速度計( PIV)v 典型系統(tǒng)典型系統(tǒng): : CCD電子同步器電子同步器計算機計算機Nd:YAG激光器激光器四四 粒子成像速度計粒子成像速度計( PIV)v 激光器激光器 雙雙YAG激光器的光路系統(tǒng)示意圖激光器的光路系統(tǒng)示意圖CCDYAG激光器激光器四四 粒子成像速度計粒子成像速度計( PIV)v 算法算法雙曝光的圖象雙曝光的圖象第一次曝光的圖象第一次曝光的圖象第二次曝光的圖象