第7章流速测量

1、动态流场测试技术动态流场测试技术1 皮托管测速皮托管测速2 热线测速热线测速3 激光多普勒测速激光多普勒测速(LDV)4 粒子成像粒子成像(PIV)一 皮托管测速v皮托管测速原理：利用流体的总压和静压之差，即动压来测量流速，也称动压管。也称风速管。一 皮托管测速一 皮托管测速一 皮托管测速v1 优点：结构简单、制造实用方便、价格低优点：结构简单、制造实用方便、价格低 廉。廉。v2 缺点：属于接触式测量，对流场有一定影缺点：属于接触式测量，对流场有一定影响。测量范围较小响。测量范围较小530m/s，流体马赫数不大，流体马赫数不大于于0.8.二二 热线测速仪热线测速仪Hot Wire Anemom

2、eter1. 1. 热线测速仪的工作原理热线测速仪的工作原理2. 2. 热线测速仪的静态特性热线测速仪的静态特性3. 3. 两种运行方式两种运行方式4. 4.热线测速仪的标定热线测速仪的标定二二 热线风速仪热线风速仪v热线测速仪热线测速仪（Hot Wire Anemometer，简称，简称HWA），发明），发明于于2020世纪世纪2020年代。它是年代。它是将流体速度信号转变为电信号的一将流体速度信号转变为电信号的一种测速仪器，也可用于测量流体的温度。种测速仪器，也可用于测量流体的温度。v其其基本原理基本原理是，将一根细的金属丝放在流体中，通过电流是，将一根细的金属丝放在流体中，通过电流加热金

3、属丝，使其温度高于流体的温度，因此将金属丝称加热金属丝，使其温度高于流体的温度，因此将金属丝称为为“热线热线”。当流体沿垂直方向流过金属丝时，将带走金。当流体沿垂直方向流过金属丝时，将带走金属丝的一部分热量，使金属丝温度下降。属丝的一部分热量，使金属丝温度下降。热线在气流中的热线在气流中的散热量与流速有关，散热量导致热线温度变化而引起电阻散热量与流速有关，散热量导致热线温度变化而引起电阻变化，流速信号即转变成电信号。变化，流速信号即转变成电信号。二二 热线风速仪热线风速仪v热线长度一般为热线长度一般为2mm，直径，直径5m ，最小的探头直径仅最小的探头直径仅1m，长为，长为0.2 mm。v材料

4、为铂、钨或铂铑合金等材料为铂、钨或铂铑合金等熔点熔点高、延展性好的金属高、延展性好的金属。v根据不同的用途，热线探头还做根据不同的用途，热线探头还做成双丝、三丝、斜丝及成双丝、三丝、斜丝及V形、形、X形形等。等。USTC二二 热线风速仪热线风速仪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)的金属膜代替金属丝，即为热膜的金属膜代替金属丝，即为热膜测速仪，功能与热丝相似，但多测速仪，功能与热丝相似，但多用于测量液体流速。用于测量液体流速。二二 热线风速仪热线风速仪v热线测速仪的热线测速仪的优点优点是：是：（1）体积小，对流场干扰小；）体积小，对流场干扰小；（2）频率响应高，可达）频

5、率响应高，可达1 MH z。测速量程可达到。测速量程可达到500m/s（3）测量精度高，重复性好。）测量精度高，重复性好。（4）适用范围广。不仅可用于气体也可用于液体，在气体）适用范围广。不仅可用于气体也可用于液体，在气体的亚声速、跨声速和超声速流动中均可使用；可以测量的亚声速、跨声速和超声速流动中均可使用；可以测量平均速度，也可测量脉动值和湍流量；还可以测量多个平均速度，也可测量脉动值和湍流量；还可以测量多个方向的速度分量。方向的速度分量。v热线测速仪的热线测速仪的缺点缺点是：是： 探头对流场有一定干扰，热线容易断裂。探头对流场有一定干扰，热线容易断裂。USTC二二 热线风速仪热线风速仪强迫

6、对流传热强迫对流传热-占主导地位。占主导地位。金（金（King, 1914）公式：）公式：TTdlhQwfViwQQ0.5ueNABRuehdNkvdR强迫对流传热气体热传导惯性力粘性力二二 热线风速仪热线风速仪0.52211/fuewffwfwWWWWwfQNABRKingk A l TTtdQk A l TTt ABvQI R tI RTTABv强迫对流传热公式气体热传导强迫对流传走的热电流加的热热平衡时：二二 热线风速仪热线风速仪金属丝电阻随温度变化：金属丝电阻随温度变化：vBARRRRIRRRTTKKKKTTTTRRfwwwwwfwfww110020000102713027130210

7、0,1100 . 7,1102 . 51105 . 5,1105 . 31得热平衡方程：钨丝：铂丝：二二 热线风速仪热线风速仪热线有两种热线有两种工作模式工作模式： 恒流式。通过热线的电流保持不变，温度变化时，恒流式。通过热线的电流保持不变，温度变化时，热线电阻改变，因而两端电压变化，由此测量流速；热线电阻改变，因而两端电压变化，由此测量流速； 恒温式。热线的温度保持不变，如保持恒温式。热线的温度保持不变，如保持150，根据，根据所需施加的电流可度量流速。恒温式比恒流式应用更广所需施加的电流可度量流速。恒温式比恒流式应用更广泛。泛。二二 热线风速仪热线风速仪恒流式：恒流式：ER2R1RWe1R

8、2 RwVBARIVBARRwfIw1100211二二 热线风速仪热线风速仪恒恒温温式：式：R2R1R3RwI1I2IBe0V , Tw , Rw , e1 , e2 - e1 , e0 , IB , eB , I1 , Tw , RW0011RRRRVBAIwfwRww二二 热线风速仪热线风速仪v热线测速仪的热线测速仪的主要用途主要用途是：是：（1）测量平均流动的速度和方向。）测量平均流动的速度和方向。（2）测量来流的脉动速度及其频谱。）测量来流的脉动速度及其频谱。（3）测量湍流中的雷诺应力及两点的速度相关性、时间）测量湍流中的雷诺应力及两点的速度相关性、时间相关性。相关性。（4）测量壁面切

9、应力（通常是采用与壁面平齐放置的热）测量壁面切应力（通常是采用与壁面平齐放置的热膜探头来进行的，原理与热线测速相似）。膜探头来进行的，原理与热线测速相似）。（5）测量流体温度（事先测出探头电阻随流体温度的变）测量流体温度（事先测出探头电阻随流体温度的变化曲线，然后根据测得的探头电阻就可确定温度。除化曲线，然后根据测得的探头电阻就可确定温度。除此以外还开发出许多专业用途。此以外还开发出许多专业用途。三三 激光多普勒测速仪激光多普勒测速仪(LDV)Laser Doppler Velocimeter v激光测速的激光测速的原理原理是：是测量通过激光束的示踪粒子的多是：是测量通过激光束的示踪粒子的多普

10、勒信号，再根据速度与多普勒频率的关系得到粒子速普勒信号，再根据速度与多普勒频率的关系得到粒子速度。测得了粒子的速度，也就是流动的速度。度。测得了粒子的速度，也就是流动的速度。v激光测速的最主要的激光测速的最主要的优点优点是对流动没有任何扰动，测量是对流动没有任何扰动，测量的精度高，测速范围宽，而且由于多普勒频率与速度是的精度高，测速范围宽，而且由于多普勒频率与速度是线性关系，和该点的温度，压力没有关系，是目前世界线性关系，和该点的温度，压力没有关系，是目前世界上速度测量精度最高的仪器。上速度测量精度最高的仪器。三激光多普勒测速仪三激光多普勒测速仪(LDV)v基本光路基本光路V三三 激光多普勒测

11、速仪激光多普勒测速仪(LDV)v条纹模型条纹模型fxzyzyyx三三 激光多普勒测速仪激光多普勒测速仪(LDV)v条纹模型条纹模型V12d2sin22sin20VdVfdD三三 激光多普勒测速仪激光多普勒测速仪(LDV)v基本布置基本布置V激光电源激光电源声光调制声光调制器电源器电源计算机计算机光电倍增光电倍增管电源管电源信号处理器信号处理器放大器放大器v技术指标：技术指标：测速范围：测速范围：mm/s-1000m/s测速维数：测速维数：1维，维，2维或维或3维维测速精度：测速精度：0.1%工作光谱：工作光谱：514.5，488，476.5nm三激光多普勒测速仪三激光多普勒测速仪(LDV)1激

12、光器：水冷氩离子激光器激光器：水冷氩离子激光器 输出功率：输出功率：5W 光束直径：光束直径：1.5mm 光束发散角：光束发散角：0.5mrad2分光器、光纤耦合器分光器、光纤耦合器最大输入光功率：最大输入光功率：10W分光光谱：分光光谱：514.5，488，476.5nm内置布拉格盒内置布拉格盒3处理器处理器 最大输入多普勒频率：最大输入多普勒频率：FSA3500 100MHz FSA4000 175MHz最低可处理信噪比：最低可处理信噪比：-12dB数据传输速率：数据传输速率：400Mbps能够进行周期性流动测量能够进行周期性流动测量具备外部模拟具备外部模拟/数字信号输入功能数字信号输入功

13、能三三 激光多普勒测速仪激光多普勒测速仪(LDV)4数据处理、显示软件数据处理、显示软件在线实时采集显示数据；支持数据回放；支持周期性流在线实时采集显示数据；支持数据回放；支持周期性流动测量；支持各种速度统计：平均速度、均方根、剪应动测量；支持各种速度统计：平均速度、均方根、剪应力、湍流度；支持粒径统计：平均粒径、力、湍流度；支持粒径统计：平均粒径、D32、体积通量；、体积通量；各统计参数关联分布；提供各参数的自相关、互相关、各统计参数关联分布；提供各参数的自相关、互相关、功率谱分析；支持数据导出功率谱分析；支持数据导出5移动坐标架、探头安装导轨及控制器移动坐标架、探头安装导轨及控制器行程：行

14、程：600X600X600mm；含探头安装支架及控制器；电；含探头安装支架及控制器；电缆长度：满足工作场地要求；位置分辨率：缆长度：满足工作场地要求；位置分辨率：0.01mm；承；承重：重：50公斤以上；控制方式：完全计算机控制公斤以上；控制方式：完全计算机控制三三 激光多普勒测速仪激光多普勒测速仪(LDV)三三 相位多普勒粒子分析仪（相位多普勒粒子分析仪（ PDPA） Phase Doppler Particle Analyzerv相位多普勒粒子分析仪顾名思义是利用多普勒效应来测量运动粒子的相相位多普勒粒子分析仪顾名思义是利用多普勒效应来测量运动粒子的相位特性。它是由激光多普勒测速仪发展而来

15、的，至今已有近二十年的历位特性。它是由激光多普勒测速仪发展而来的，至今已有近二十年的历史。史。vPDPAPDPA所依据的所依据的基本光学原理基本光学原理是是LorenzLorenzMieMie散射理论。如同声波的多普散射理论。如同声波的多普勒效应一样，光源与物体相对运动也具有多普勒效应。在勒效应一样，光源与物体相对运动也具有多普勒效应。在PDPAPDPA中，依靠中，依靠运动微粒的散射光与照射光之间的频差来获得速度信息，而通过分析穿运动微粒的散射光与照射光之间的频差来获得速度信息，而通过分析穿越激光测量体的球形粒子反射或折射的散射光产生的相位移动来确定粒越激光测量体的球形粒子反射或折射的散射光产

16、生的相位移动来确定粒径的大小。径的大小。三三 相位多普勒粒子分析仪（相位多普勒粒子分析仪（ PDPA） Phase Doppler Particle Analyzerv仪器包括仪器包括320mw320mw氩离子风冷激光器、激光耦合器、氩离子风冷激光器、激光耦合器、RSARSA信号信号处理器、数据处理系统以及激光发射和接收器等。一般情处理器、数据处理系统以及激光发射和接收器等。一般情况下，它的测速范围是况下，它的测速范围是-90-90283m/s283m/s，可测粒径范围是，可测粒径范围是0.50.59090m m，此范围还可通过更换发射镜头加以扩大。，此范围还可通过更换发射镜头加以扩大。三三

17、相位多普勒粒子分析仪（相位多普勒粒子分析仪（ PDPA）处理器处理器激光器激光器发射器发射器接受透镜接受透镜光电倍增管光电倍增管三三 相位多普勒粒子分析仪（相位多普勒粒子分析仪（ PDPA）mP=2P=0P=1四四 粒子成像速度计粒子成像速度计( PIV) Particle Image Velocimeterv 什么是什么是PIV 1. PIV是一种在流场中同时多点（如数千点）是一种在流场中同时多点（如数千点）测量流体或粒子速度矢量的光学图象技术。测量流体或粒子速度矢量的光学图象技术。 2. 通常在流场的通常在流场的“平面薄片平面薄片”中进行测量。中进行测量。 3. 精度和空间分辨率可与精度和

18、空间分辨率可与LDV及及HWA比较。比较。四粒子成像速度计四粒子成像速度计( PIV) v PIV 原理原理YX粒子第一粒子第一个的像个的像 t 后，后，粒子粒子第二个的像第二个的像121212lim,lim12ttYYVttXXUt2t1t2t1四四 粒子成像速度计粒子成像速度计( PIV)v 典型系统典型系统: : CCD电子同步器电子同步器计算机计算机Nd:YAG激光器激光器四四 粒子成像速度计粒子成像速度计( PIV)v 激光器激光器 双双YAG激光器的光路系统示意图激光器的光路系统示意图CCDYAG激光器激光器四四 粒子成像速度计粒子成像速度计( PIV)v 算法算法双曝光的图象双曝光的图象第一次曝光的图象第一次曝光的图象第二次曝光的图象