現(xiàn)代流動測試技術

1、現(xiàn)代流動測試技術流動測試技術簡介摘要：水利工程是國民經(jīng)濟的基礎設施，水泵是水利工程中最重要的組成部分。提高水泵效率，有利于節(jié)約能源，提高經(jīng)濟效益。因此，知曉泵內(nèi)流體的流動特性，流速分布尤為重要。水泵幾何結構及內(nèi)部流動的復雜性， 對內(nèi)部流動的測量 技術提出了苛刻的要求。本文就水泵內(nèi)部流場測試常用的三種現(xiàn)代測試方法進行 總結介紹。關鍵詞：流動測試技術；五孔探針；LDV ; PIV1、三種測量技術介紹五孔探針技術探針測定恒定流場，具穩(wěn)定性好、重復性好，對現(xiàn)場條件要求不高，適應性 好，設備費用低，簡便易行，測量精度高。雖然近年來出現(xiàn)了許多現(xiàn)代流場測定 方法，但探針在流場壓力測定和條件復雜的現(xiàn)場流場測定

2、方面，以及其簡便易行的特點仍具有不可替代的地位。五孔探針測流場原理畢托管的構造如圖1所示，由圖可以看出這種畢托管是由兩根空心細管組 成。細管1為總壓管，細管2為測壓管。量測流速時使總壓管下端出口方向正對 水流流速方向，測壓管下端出口方向與流速垂直。在兩細管上端用橡皮管分別與 壓差計的兩根玻璃管相連接。畢托管/皮托管 原理示意酊號壓圖1畢托管示意圖如圖，畢托管有兩根細管。一管孔口正對液流方向，90轉彎后液流的動能 轉化為勢能，液體在管內(nèi)上升的高度是該處的總水頭 z+4+Y；而另一根管g 2g開口方向與液流方向垂直，只感應到液體的壓力，液體在管內(nèi)上升的高度是該處的測壓管水頭（就是相應于勢能的那部分

3、水頭）PZ ,兩管披面的局差就是g現(xiàn)代流動測試技術v2Hi =AH ,2g2該處的流速水頭 ,量出兩管液面的高差 2g從而間接地測出該處的流速 V。五孔探針應用該原理，利用頭部感應部位上的五個感應孔，測量系統(tǒng)如圖 2 所示，不僅可測出流場的流速分布，還可測出測點的靜壓、全壓分布，根據(jù)軸向 速度對面積的積分，即可間接測出測量斷面的流量 1-3。圖2五孔探針測量系統(tǒng)提高測量精度的措施及誤差分析測量系統(tǒng)選擇探針系統(tǒng)的組成對針孔壓差測量反應時間和測量誤差有很大影響。合理選擇連接管管徑、材料彈性有利于節(jié)省測量時間，提高測量精度。用差壓變送器測量 針孔壓差,反應速度較水柱測壓計快5080倍，針孔壓差測量精

4、度為0 p = 0.5%時 p的反應時間為26s,但需保證差壓變送器的零點漂移滿足要求。探針桿撓曲影響與修正由于水體對針桿的繞流阻力大，當針桿插入流場的長度較長時，針桿會產(chǎn)生 較大撓度，針頭撓度最大，產(chǎn)生轉角，從而造成測點位置誤差和流速分量測量誤 差。計算表明，標準探針測定軸向流速為6.0m/s左右的流場，插入長度為355mm 時，軸向流速誤差為1.0%。因此，對該誤差需要進行修正。探針桿共振影響針桿繞流會產(chǎn)生周期性的卡門渦，當探針固有頻率等于或接近卡門渦脫落頻 率時，探針就會發(fā)生發(fā)生共振，影響測量結果，甚至造成針桿的塑性彎曲，損壞 探針。因此，施測前對平均流速進行近似預估，選擇合理的探針剛度

5、，預測探針 共振長度，布置測點時應該避開共振區(qū)域。泵吸水室渦帶影響測量斷面位于水泵葉輪前，壓力較低。有些進水流道設計不良的泵站，如采 用X形流道的抽水站，葉片進口處會發(fā)生陣發(fā)性渦帶。渦帶發(fā)生時，泵吸水室 會發(fā)出低頻振動，渦帶區(qū)壓力急劇下降，此時應暫停測量，待渦帶過后再進行測 量3-6。LDV技術激光多普勒測速儀技術（LDV）有50多年的歷史，是實驗流體力學技術發(fā)展的 一個飛躍。現(xiàn)代流動測試技術LDV技術原理(D在流場中加入微粒充當隨流體運動的示蹤粒子， 當激光束聚焦到示蹤粒子上 時，會發(fā)生散射現(xiàn)象，用檢測器接受散射光。散射光和入射光的頻率差就是激光 多普勒頻移。多普勒頻移是速度的函數(shù)，如公式1

6、所示，測得頻移就可以得到速 度?，F(xiàn)在的（LDV）系統(tǒng)均建立在上述原理之上7,8。cos 中十 isin - I2)22)式中：u為粒子運動速度；n為介質(zhì)的折射率；切為入射激光法線與粒子速度的 夾角；山為接收器與入射激光的夾角。隨著光纖技術、集成技術、光電技術和計算機技術的發(fā)展，已出現(xiàn)了高頻響 的光纖集成LDV系統(tǒng)，以及集成型一維和二維光纖探頭。二者組合可以測量三 維速度?，F(xiàn)在正在向微小化、低成本、多功能及便攜型方向發(fā)展8,9。LDV測量特點1）激光多普勒測量儀應用多普勒頻差效應的原理，結構緊湊、重量輕、容 易安裝操作、容易對光調(diào)校；2）激光多普勒測量儀可以在恒溫，恒濕，防震的計量室內(nèi)檢定量塊，

7、量桿, 刻尺和坐標測量機等；3）激光多普勒測量儀既可以對幾十米甚至上百米的大量程進行精密測量， 也可以對手表零件等的微小運動進行精密測量；既可以對幾何量如長度、角度、 直線度、平行度、平面度、垂直度等進行測量，也可以用于特殊場合，諸如半導 體光刻技術的微定位和計算機存儲器上記錄槽間距的測量等等10。LDV具有高頻響、高精度、不干擾流場、易于判別流向等優(yōu)點。缺點是信 號隨機采樣、信號不連續(xù)、單點測量、需示蹤粒子、系統(tǒng)價格昂貴等。PIV技術粒子圖像速度場儀技術（PIV）有30多年的歷史，它能夠測量流體流動空 問某一平面上的瞬時速度矢量場7。PIV技術原理基本原理是：用一個脈沖式激光片光源照射流場，

8、 用攝像機同步拍照，適當 設置脈沖時間問隔，得到一系列互相關聯(lián)的流場示蹤粒子圖像，然后進行圖像互 相關分析，就可以得到該時刻成像位置的速度矢量場。 PIV技術的出現(xiàn)是現(xiàn)代流 體力學實驗技術的又一個重大發(fā)展是流動測試技術不斷發(fā)展的產(chǎn)物，是激光、數(shù)字成像、計算機、光學等技術發(fā)展的結晶。PIV技術需要的相機具有很高的要求，特別是在流體的速度很快，區(qū)域很小， 具有反光粒子的情況下。測量時，需要相機在很短的時間內(nèi)拍攝兩張照片， 可以 讓同一個粒子同時出現(xiàn)在兩張照片上，利用能夠以幾kHz的速度連續(xù)記錄圖像的高速攝影機或逐行掃描構架的相機可以達到要求。由于高速攝像機采集圖像的 時間間隔最短大約為10仙s,這

9、是讓第一束脈沖激光在第一次曝光的末尾時到達， 并讓第二束激光在第二次曝光的初始時到達。如果使用具有先進掃描結構的相機 能在1仙s的時間間隔內(nèi)拍兩張照片。圖 4顯示的就是具有這樣布局的一個傳感 器，第一張圖片被記錄以后，每個像素被直接轉移到位于隔行掃描位移寄存器中， 然后就可以獲取新的圖片，直到第一幅圖片被移出去以后才會接收到第二幅圖現(xiàn)代流動測試技術片，之后以同樣的方式寄出。因為第二張的曝光時間比較長所以可以在攝像機鏡 頭前安裝智能透過激光的濾光器來防止環(huán)境曝光過度網(wǎng)。PIV測量特點1）無接觸測量速度矢量，同時測量一個面上的速度場；2）測量精度高；3）測速范圍寬：0超音速；4）原理簡單，受外界影

10、響?。?）應用面廣，可以用于微尺度流動測量（微米量級），也可用于風、水洞 測量，多相流測量11;2、三種測量技術比較三種測量技術，在實際流場測量中，都有著較高的實用價值，各自具有自己 不可替代的優(yōu)點，當然也存在一定的缺點，下表1對三種測量技術進行了詳細的 比較。表1三種測量技術比較五孔探針LDVPIV測量內(nèi)容速度，壓力速度速度測量方式接觸，單點測量非接觸、單點測量非接觸、多點測量動態(tài)響應差差測量范圍廣0-560m/s1mm/s-600m/s測量精度1%0.2%1%工程應用成熟廣泛、成熟廣泛、成熟3、結論本文所介紹的流動測試技術并不能代表流動測試技術的全部，例如HWA技現(xiàn)代流動測試技術相對已較為

11、成熟， 但是，流體機械內(nèi)部流動機理及流動細 節(jié)的研究是目前該領域的前沿性熱點研究領域， 發(fā)達國家一直沒有間斷這方面的 試驗研究工作；同時，這又是一項非常艱巨的工作，需要多方進行合作網(wǎng)。本文主要將幾種測量技術進行介紹，并作了對比。參考文獻1王濤,李飛行.五孔探針結構和校準J.現(xiàn)代機械.2012, 4: 19-22.2Wendt and Reichert. A New Algorithm for Five-hole Probe Calibration, Data Reduction, and Uncertainty Analysis. NASA, Lewis Research Center, 19

12、94, E-8319.現(xiàn)代流動測試技術3仇寶云.大中型水泵裝置理論與關鍵技術M.北京：中國水利水電出版社，2005: 89-101.4仇寶云，劉超，等.五孔測球在水泵流場測試技術中的應用J.排灌機械.1992, 10(1): 23-27.5錢涵欣，李啟文，等.五孔測球測流速場的數(shù)據(jù)采集與處理J.水利水電技術. 1999, 30(5): 72-74.6仇寶云，劉超.探針桿撓曲對水流場測量的影響研究J.水利學報.1999(11):7-11.7宮武旗，黃淑娟，徐忠.現(xiàn)代流動測試技術在流體機械流動分析中的應用J.通用機械.2003, 7: 53-56.8宮武旗.幾種特種測試技術在流體機械內(nèi)流場測試中的應用J.燃氣渦輪試驗與研究.2004, 17(3): 51-55.9Rao Jiang, Ge Manchu, Xu jiangzhong. Experiment Study of the Interaction of the Particle and the Wa