第一章--流动测试技术概述.ppt

1、1,测试是具有试验性质的测量，是以确定被测对象属性值为目的的探索性认识过程，具有探索、分析和研究的特征 测试技术是实验科学的一部分 （1）研究各种物理量的测量原理 （2）研究分析处理所测量信号的方法 测试技术是进行各种科学实验研究和生产过程参数测量必不可少的手段。 流体测试技术概念：研究流体流动的测量原理及测试信号分析方法的学科，是一门综合性很强的工程应用学科 介绍最新发展的流动测试技术及流动信号分析理论和方法（傅里叶分析、小波分析等）： （1）流动测量（flow measurement)：获得流体传输的定量信息，主要包括流速、浓度、流量等流动参数 （2）流动显示（flow visualiza

2、tion）：将流体流动状况的物理现象，用特定设备（摄像头、片光源、示踪剂、计算机）等方法显示出来，进行定性或定量分析，给出物理解释。,第一章 现代流动测试技术概述,1.1 流动测试技术的基本概念,2,第一章 现代流动测试技术概述,1.1 流动测试技术的基本概念,3,第一章 现代流动测试技术概述,1.1 流动测试技术的基本概念,4,测试系统的基本组成 一般说来，测试系统由传感器、中间变换装置和显示记录装置三部分组成 传感器将被测物理量（如压力、速度、噪声、温度及其导出物理量）检出并转换为电量 中间变换装置对接收到的电信号用硬件电路进行分析处理或经过A/D变换后用软件进行信号分析 显示装置将测量结

3、果显示出来，提供给观察者。 信号分析方法：以傅里叶分析为主 涉及的理论：概率论与随机过程理论、分形理论、小波理论等 特征参数：时均值、脉动量均方根值；由自相关、互相关函数导出的时间尺度和积分长度、分维数、多重分形谱、时频谱分析等,流动测试技术的基本概念,5,流动测试技术的研究方法主要概括为以下几种： 直观物理现象观察分析 基本物理特性的样本试验和局部试验 基本运动数学物理方程的建立和分析 现场实体观测 物理比尺模型试验 物理模型数值计算 物理模型与数学模型相互耦合的交叉模型试验 实际的流动现象极为复杂，如多相流体，无法用定量的理论分析，数学模型在边界条件、初始条件和参数的确定、三维问题等方面存

4、在众多困难，实验研究仍是解决多数流体测量问题的主要方法。 流体测试技术发展的历史也是流体测量仪器的发展历史，尤其是对于紊流瞬时流场的测量问题。 探索准确、全面获取流体运动信息的测试技术,第一章 现代流动测试技术概述,1.2 流动测试技术的研究意义,6,（1）推动相关学科的发展：的实验技术和实验手段出现后，观察到新现象，了解新机理，推动学科发展，产生新学科分支。 （2）从应用的对象，部门和行业： 应用广泛：跨学科、跨行业、跨部门的物理 现象 （3）解决流体力学及流体工程中的关键问题： Almost all industrial flows are turbulent. Almost all na

5、turally occurring flows on earth, in oceans, and atmosphere are turbulent. Turbulent motion is 3D, vortical, and diffusive governing Navier-Stokes equations are very hard(or impossible) to solve. Measurements are difficult Industrial: investigate technical problems; check technical specifications；ve

6、rify performance，improve performance Engineering: determine parameters in turbulence mode；develop，extend, refine models ； investigate model limits Theoretical fluid mechanics：verify model predictions；verify theoretical prediction，verify new concepts Conceptual ideas: search for new ideas,第一章 现代流动测试技

7、术概述,1.2 流动测试技术的研究意义,7,一、层流和湍流的2种形态： 1883年雷诺的流动可视化实验：水平管道的水流中引入有色液体或染料显示流动，观察到由层流到时湍流的现象，推动了相似定律和雷诺数概念的提出。,第一章 现代流动测试技术概述,1.3流体流动信号的特征,8,一、层流和湍流的2种形态：,第一章 现代流动测试技术概述,1.3 流体流动信号的特征,9,二、湍流特性 不规则性或随机性。不可预测， 用统计的方法 2. 扩散性。湍流传热、传质和阻力（动量传递）与湍流的扩散有关 3. 大雷诺数。只有在大雷诺数下才出现湍流。 4. 涡旋性。充斥大大小小的涡，以高频扰动涡为主要特征 5. 耗散性。

8、分子粘性耗散能量，平均动能供给。耗散系统。 6. 连续性。满足连续性介质方程，NS方程 7. 动特性依赖于边界条件。湍流边界层和尾迹流，工程上没有统一的模式处理，但其本质是普适的，寻找它正是湍流研究的中心任务。 8. 记忆特性。 在不同时刻不同空间上是互相关联的 9. 间歇特性。 湍流中某些高阶物理量并不在空间的每一个点都存在；边界层边缘的情况 10. 猝发与拟序结构。 湍流中的某些涡量凝结的团，相干结构，猝发现象。无序（随机）中叠加有序（拟序涡),第一章 现代流动测试技术概述,1.3 流体流动信号的特征,10,第一章 现代流动测试技术概述,二、湍流特性,1.3 流体流动信号的特征,11,第一

9、章 现代流动测试技术概述,1.3 流体流动信号的特征,二、湍流特性,12,第一章 现代流动测试技术概述,1.3 流体流动信号的特征,二、湍流特性,13,第一章 现代流动测试技术概述,1.3 流体流动信号的特征,二、湍流特性,14,第一章 现代流动测试技术概述,1.3 流体流动信号的特征,二、湍流特性,15,第一章 现代流动测试技术概述,1.4 流动测试技术的发展历程,常用的流动测速技术对比,16,第一章 现代流动测试技术概述,1.4 流动测试技术的发展历程,皮托管测速,原理：以其发明者，法国工程师Henri Pitot的名字命名，它由总压探头和静压探头组成，利用 流体总压与静压，即动压来测量流

10、速，故也称为动压管。 特点：结构简单、制造使用方便、价格低廉，而且只要精心制造并经过严格标定和适当修正，即可在一定的速度范围内达到较高的测量精度。 皮托管测取的是流场空间某点的平均速度，且是接触式测量，因而探头的尺寸决定了皮托管测速的空间分辨率。目前皮托管头部直径约为0.1-0.2mm。,使用：一端弯曲的细管，将其开口放在流场中，并正对着流体方向，当液体注入细管不再流动，其全部动能转换为势能。,皮托管测速,它由总压探头和静压探头组成，利用 流体总压与静压，即动压来测量流速，故也称为动压管。,18,第一章 现代流动测试技术概述,1.4 流动测试技术的发展历程,原理：机械能转换，动水压力产生转动，

11、流速越大，旋桨转动越快。一般分为 电阻式、电感式及光电式。 特点：结构简单、制造使用方便、性价比较高。 旋桨流速仪测取的是流场空间某点的平均速度，且是接触式测量，无法获得脉动量，且测量精度难以满足较高要求。,使用：将固定在传感器支架上的旋桨置于水流中测速点，旋桨正对水流方向，由动水压力产生 转动。,旋桨流速仪,19,第一章 现代流动测试技术概述,1.4 流动测试技术的发展历程,原理：1902年由Shakepear在伯明翰完成，1914年由King提出无限长线和流体之间的热对流理论，推出King公式，奠定HWFA基础。一般分为 热线、热膜。 特点：空间分辨率高、背景噪声低、测量范围大、对流体干扰

12、小，仅限于低温、低速、低紊流度、常特性检测。 热线热膜测速测取的是流场空间某点的平均速度，且是接触式测量，且受探头大小限制，对测量空间分辨率有要求。 上述方法均是接触式测量,使用：在流场中旋转一根通有电流的细而短的金属丝，在只考虑强迫对流的热交换条件下，金属丝温度随着流体流速改变。,热线热膜测速（Hot wire/film anemometry,HWFA）,热线热膜测速,基于无限长线和流体之间的热对流理论，在只考虑强迫对流的热交换条件下，金属丝温度随着流体流速改变,21,第一章 现代流动测试技术概述,1.4 流动测试技术的发展历程,激光多普勒原理：利用激光的多普勒效应。只要物体散射光线，应可以

13、利用多普勒频移效应测量流速，利用流场中粒子的Mie 散射，测量散射光相对于原入射激光的多普勒频移，计算粒子运动速度。 特点：空间、时间分辨率高，不影响场，不受温度、密度和成分影响，响应速度快，但需要示踪粒子，对研究条件（透光度、颗粒浓度等 ）有较高要求。 上述方法均是单点测量,激光/声学多普勒测速技术 （Laser/Acoustic Doppler velocimeter, LDV）,（1）多普勒效应,（1）多普勒效应,当光源和运动物体发生相对运动时，从运动物体散射回来的光会产生多普勒频移，这个频移量的大小与运动物体的速度，入射光和速度方向的夹角都有关系,（2）声学多普勒测速原理,（3）激光多

14、普勒测速（LDV）原理,系统组成：,相对论,激光器：氦氖激光器（mW）、氩离子激光器（W） 入射光学单元：将激光束分成多束互相平行的入射光，再通过聚焦透镜聚到测量点。 接收光学单元：收集运动微粒通过测量体时的散射光，再转换成多普勒频移频率的光电流信号。 多普勒信号处理器：对多普勒信号进行处理，如频率跟踪器、计数式处理器等，将频率量转换成数字量 数据处理系统：得到各种流动参数,（3）激光多普勒测速（LDV）原理,激光多普勒测速的检测方法主要有两种：直接检测和外差检测。,外差检测：参考光模式，单光束-双散射模式和双光束-双散射模式,直接检测：可见光波的频率通常在1014Hz左右，有实用意义的多普勒

15、频移最高不过108-109Hz。常用的光电器件不能响应光波的频率，对探测器的光电器件性能要求太高，基本不用。,（3）激光多普勒测速的进一步发展应用,1.激光相位多普勒测量系统（PDA/ PDPA ）,频率差,速度,相位差,粒径,27,第一章 现代流动测试技术概述,1.4 流动测试技术的发展历程,原理：20世纪70年代发展起来，测量基础是荧光信号与物质浓度之间存在线性关系。将荧光物质添加到时流体中，在激光 的激发下，产生反映流动特性的荧光信号。与图像处理方法相结合，可用于浓度场、温度场、压力场 等定量测量。 特点：定性揭示流动内部结构，但荧光物质大多有毒，且在定量测量时只能通过标定曲线完成，测量

16、精度不高。,激光诱导荧光技术（Laser induced fluorescence, LIF),28,第一章 现代流动测试技术概述,1.4 流动测试技术的发展历程,原理：基于粒子跟踪的光学流体测量 技术，利用在液体中散播跟随性好的示踪粒子，在片光的照射下，通过图像记录装置获得包含粒子运动信息的图像，经过图像处理得到粒子的速度，粒子的信息反映了对应流体质点的运动信息。 特点：精度与空间分辨率高，能够瞬间测量某一时刻的面或整个流场，非接触式测量，测速范围大，能够测量两相流，但对示踪粒子的跟随性要求较高，示踪粒子在流场中的浓度分布影响相关运算效果,粒子图像测速技术（Particle image ve

17、locimetry, PIV),粒子图像测速技术原理,原理,30,第一章 现代流动测试技术概述,1.4 流动测试技术的发展历程,过程层析成像技术（Process Tomograph, PT),层析成像（Tomography）或计算机辅助层析成像（Computer Assisted Tomography， 简记为CAT）：在不损伤研究对象内部结构的条件下，利用某种探测源，根据对象外部设备获得的投影数据，运用一定的数学模型和重建技术，使用计算机生成对象内部的二维/三维图像，重现对象内部特征。 注意：层析成像不同于从“图像到图像”的常规计算机图像处理技术，而是由投影数据重建反映对象内部特征的图像，是

18、一类特殊的图像处理技术，常称为“图像重建”。,1、层析（断层）成像技术（Computerized Tomography，简记为CT）及其发展,31,理论基础建立：1917年奥地利科学家J. Radon在“天线数学”杂志上发表著名的论文“论如何根据某些流形上的积分以确定函数”，证明了一个二维或三维的物体能够通过其无限个或连续的投影数据来重建，并提出了图像重建理论，奠定了层析成像的数学基础，现称该理论为Randon变换及其逆变换。 初步应用：Radon的理论首先应用于射电天文学，第一幅重建图像是由射电天文学家于1956年获得的太阳图。 1961年美国神经外科医生W. H. Oldendorf采用旋

19、转-迁移法实现了具有医学应用价值的图像重建，阐明了医学重建断层扫描的可能性。 1963年美国物理学家A. M. Cormack教授在Radon变换的基础上发展了投影重建图像理论，提出了从X射线投影重建图像的解析数学方法，即医学中应用的Randon变换。 1967年英国EMI公司的G. N. Housfield博士研制出世界上第一台可用于临床的X-射线CT扫描仪 1971年G. N. Housfield研制的头部X-射线CT扫描仪安装在英国的一家医院中。 1974年美国的R. S. Ledley等研制成功全人体扫描CT并投入实际应用。 1979年CT的发明者G. N. Hounsfield博士和

20、A. M. Cormack教授共同获得了诺贝尔医学奖。 评价-“1895年发现X-射线以来，在这个领域，没有能与CT相比拟的发明了。” 层析成像技术在医学工程上的成功应用在世界范围内产生了深远的影响，目前一般概念意义上的CT指的就是医学CT，医学上CT作为一种成熟的技术广泛地应用于临床诊断和病理研究。,层析成像技术的发展,应用范围扩大：医学CT不仅促进了现代医学技术的发展，而且对计算机科学、电子学、应用数学、生物电子学及生物基础理论的发展也起了积极的推动作用。同时，医学CT中的一些成熟理论和方法还被应用于雷达探测、无损探伤、地震学、地质勘探、气象及环境工程等非医学领域。,32,第一章 现代流动

21、测试技术概述,1.4 流动测试技术的发展历程,过程层析成像技术技术也常称为流动成像技术(Flow imaging)， 是本世纪80年代后期开始正式形成和发展起来的，以CT技术为基础，一种以两相流或多相流为主要对象的过程参数二维或三维分布状况的在线实时检测技术。 PT是CT技术与工业要求相结合的产物：它的产生和发展与科学研究和工程实践中对两相流或多相流流动系统过程内部(相分布)信息获取的迫切需求密切相关，是目前多相流检测技术研究发展的主要趋势和前沿研究课题。,、过程层析（断层）成像技术（Process Tomography，简记为PT）及其发展,过程层析成像技术（Process Tomograp

22、h, PT),33,过程层析成像系统的基本构成,PT成像系统一般构成,第一章 现代流动测试技术概述,34,PT成像系统主要由： 传感器：围绕在被成像的管道或容器外围的极板阵列组成。其基本原理是在流体流动管道沿管道外侧均匀地粘贴若干检测极板，任意两个极板均可组成一个两端检测值，对管截面上不同区域进行扫描测量。 数据采集系统：负责数据的采集、滤波、A/D转换和扫描控制，以获得反映多相流体相分布信息的测量数据 ( 投影数据 )，对于多相流动的快速动态系统，要求采样速度足够快，保证一次完整扫描时间间隔内多相流各相组分分布无变化。 图像重建：根据图像重建算法，利用扫描测量数据，实现由投影重建图像，获得反

23、映被测多相流体相组分分布的信息。为减少误差以提高重建图像的质量，一般图像重建算法中均包含有对原始重建图像进行修正的滤波程序。,第一章 现代流动测试技术概述,图像分析和特征提取：根据图像重建后获得的关于多相流各相组分局部分布的原始信息，通过相应的数学分析和处理，给出测量所需的各种测量参数值 (例如空隙率或分相含率、流型等) 、反映被测流体流动特性的各特征量和表征被测流体各相组分分布状况的数字图像各像素的灰度值。 PT知识库：为图像重建模块与图像分析和特征提取模块提供有关的各类模型、重建算法和先验知识以适应测量过程中被测对象多种变化和要求。知识库本身具有学习能力并在测量过程中不断补充和完善。 实时

24、图像显示：图像显示单元是根据给出的数字图像灰度值和所需的各检测参数值，在计算机显示屏上显示出反映多相流体各相分布的实时图像以及其他有关的测量信息等。,35,工业PT与医学CT,PT和CT的数学原理相同，利用Randon变换及其逆变换得到物料的截面分布图像，但由于成像对象的不同，要将医学工程上已成功应用的CT技术应用于多相流参数检测，PT检测系统在技术上必须解决与多相流系统特点相关的技术问题： (1)、快速：多相流动系统是一快速动态系统，管道或装置中流体的流动特性变化迅速，在某些应用场合甚至处于剧烈运动变化状态，而非医学CT中相对“静止”人体或其中某一部分。这应要求PT成像系统具有较医学成像系统

25、高得多的数据采集、处理及图像重建和显示速度。 (2) 对象复杂：医学CT的成像对象(人体或其中某一部分)特性较容易掌握，而PT系统的成像对象特性复杂多变，难以对此作出可行的预测和估计，且被测物场往往是高度非线性，故要求PT系统的信息获取手段(涉及传感方法的选择和传感器的研制)和图像重建算法应能适应多相流系统种类、特性和不同操作条件的多种要求和变化。,(3) 应用环境恶劣：实际多相流工艺装置所处的工业现场条件非常恶劣、客观上要求PT系统必须能与工艺装置的物理、化学特性及其变化相匹配，具有抗干扰、抗腐蚀、抗磨损等特性。 (4) 需进行后处理：在大多数情况下，仅依据重建的原始图像难以实现多相流体各参

26、数的检测和多相流工业过程状态监控的。对所获原始图像进行分析处理并从图像中获取反映被测多相流体流动状态的定量或定性特征信息是PT系统需要具备的重要功能。 PT技术能够在不破坏或不干扰多相流体流动的情况下提供有关多相流体流经管道或装置各相分分布局部的微观的分布信息。 该信息为从根本上解决多相流体各相分布等因素对多相流参数测量的影响问题提供了一条途径，使系统各参数的准确测量成为可能。,36,工业PT与医学CT主要区别,目前，相对于CT许多PT（ 例如电容 PT、电阻PT和超声PT等）中采用的图像重建算法是较为粗糙和不甚精确的，其重建出的图像质量也不高，主要原因： (1)、有些PT技术的检测机理研究和

27、图像重建算法研究还不够充分，目前还未找到能有效克服电学PT“软场”特性的传感器设计方法和和图像重建算法。 (注 ：“软场”这一概念是相对于射线CT或PT的测量场不受介质分布影响的特性而言的。所谓“软场”是指受测量介质分布影响的测量场，如电容PT中的测量场就是“软场”，相应地射线CT或PT中的测量场就称为“硬场”。) (2)、PT的实时性要求很高，客观上希望图像重建算法越简单越快速越好，而高精度的图像重建算法往往是计算量大、复杂且费时的算法，对系统实时性能不利。,37,三、过程层析成像系统的研究现状,依据信息获取手段和传感机理不同，PT 经分类有 X射线层析成像； 射线层析成像； 正电子发射层析成像； 中子射线层析成像； 核磁共振成像； 光学层析成像； 电容层析成像； 电阻(导)层析成像； 超声层析成像； 电磁感应层析成像； 微波层析成像； 电荷感应层析成像等十余种。,38,三、过程层析成像系统的研究现状,39,三、过程层析成像系统的研究现状,流动显示方法简介,表面流动显示技术 壁面丝线技术 油流技术 升华技术 空间流动显示技术 色线技术、氢气泡技术、烟线技术、蒸汽屏技术、阴影技术和纹影技术等， 现代流动显示技术 PIV、LIF、激光分子测速(LMV)、PT,40,第一章 现代流动测试技术概述,流动显示方法简介,41,第一章 现代流动测试技术概述,