流速测量的实验研究方法
仪器网 · 2012-07-18 10:29 · 33129 次点击
为了了解流场(气相和气固两相)特性,常用的实验仪器有:
1.热线测速仪,HWA;
2.激光多普勒测速仪,LDV;
3.激光多普勒动态粒子分析仪,PDA;
4.粒子图像测速系统,PIV;
1.热线测速仪(HWA)
热线测速仪(HotwireAnemometer,简称HWA),发明于20世纪20年代。其基本原理是将一根细的金属丝放在流体中,通电流加热金属丝,使其温度高于流体的温度,因此将金属丝称为“热线”。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。通过测量热线两端的电压,即可确定流速。
热线测速仪的优点是(1)体积小,对流场干扰小;(2)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;除了测量平均速度外,还可测量脉动值和湍流量;除了测量单方向运动外还可同时测量多个方向的速度分量。(3)频率响应高,可高达1MHz。(4)测量精度高,重复性好。热线测速仪的缺点是探头对流场有一定干扰,热线容易断裂。
热线测速仪的主要用途是(1)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。(3)测量湍流中的雷诺应力及两点的速度相关性、时间相关性。(4)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)。(5)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。除此以外还开发出许多专业用途。
2.激光多普勒测速仪(LDV)
激光多普勒测速仪是测量通过激光探头的示踪粒子的多普勒信号,再根据速度与多普勒频率的关系得到速度。由于是激光测量,对于流场没有干扰,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,是目前世界上速度测量精度最高的仪器。
LDV/PDPA测速工作原理可以用干涉条纹来说明。当聚焦透镜把两束入射光以?角会聚后,由干激光束良好的相干性,在会聚点上形成明暗相间的干涉条纹,条纹间隔正比干光波波长,而反比干半交角的正弦值。当流体中的粒子从条纹区的方向经过时,会依次散射出光强随时间变化的一列散射光波,称为多普勒信号。这列光波强度变化的频率称为多普勒频移。经过条纹区粒子的速度愈高,多普勒频移就愈高。将垂直于条纹方向上的粒子速度,除以条纹间隔,考虑到流体的折射率就能得到多普勒频移与流体速度之间线性关系。LDV/PDPA系统就是利用速度与多谱勒频移的线性关系来确定速度的。各个方向上的多普勒频率的相位差和粒子的直径成正比,利用监测到的相位差可以来确定粒径。
LDV/PDPA系统从功能上分为:光路部分、信号处理部分。光路部分:采用He-Ni激光器或Ar离子激光器,是因为它们能够提供高功率的514.5nm,488nm,476.5nm三种波长的激光。带有频移装置的分光器将激光分成等强度的两束,经过单模保偏光纤和光纤耦合器,将激光送到激光发射探头,调整激光在光腰部分聚焦在同一点,以保证最小的测量体积,这一点就是测量体即光学探头。接受探头将接受到的多普勒信号送到光电倍增管转化为电信号以及处理并发大,再至多普勒信号分析仪分析处理后至计算机记录,配套系统软件可以进行数据处理工作。在流场中存在适当示踪粒子的倩况下,可同时测出流动的三个方向速度及粒子直径。FSA4000可以处理高达175MHz的多普勒频率,加上40MHz的频移,可以处理1000m/s以上的流场。
技术指标:
测速范围:mm/s-1000m/s
测速维数:1维,2维或3维
测速精度:0.1%
工作光谱:514.5,488,476.5nm
3.激光多普勒动态粒子分析仪(PDA)
PDA由以下几部分构成:发射光路系统、接收光路系统、信号处理系统、全自动一到三维位移系统、计算机及应用软件。可对液体流动或气体流动中的球形粒子、液滴或气泡的尺寸、速度和浓度的实时测量。对粒子尺寸、一维到三维流动速度和粒子浓度进行同步、无接触实时测量。它可以对以超音速、几乎静止不动或环流湍流中作反向流动的粒子的特性进行测量。可进行测量的粒子尺寸范围从微米级更可大到厘米量级。
相位多普勒原理是用于流速测量的LDA系统的多普勒原理的引伸;多普勒原理是根据从运动的粒子发出的散射光频率与照射在此粒子上光的频率之间所产生的频差,而这一频差正比于流动速度。采用探测器接收这个频差并对其进行处理,就可得出速度量。放置多个探测器,每个探测器接收相同的多普勒频差,而每个探测器之间存在相位差,这个相位差正比于粒子的直径。对相位进行处理,就可以得到粒径的信息。
它具有精度高、可信度高和易于使用的特点,使其适用于科技和工业上绝大多数的应用场合。
1、可迅速安装和进行设置;
2、无接触实时测量;
3、极宽的尺寸测量范围;
4、一维到三维速度测量;
5、出色的信号处理技术可保证在噪音比较强的情况下,如燃烧方面的研究、发动机内流的测量、旋转机械和大型风洞中的流动进行精确测量;
6、回流及边界层内的流动测量;
7、可在粒子浓度很高的情况下,如燃油喷嘴、雾化及喷射流动等方面进行测量;
8、质量和体积流动的测量;
9、可自动进行测量过程监测;
10、动态比:1:50
Dantec公司PDA应用领域:
1、微滴尺寸的测试
2、喷射特性的研究
3、喷嘴的研究
4、燃烧系统的研究
5、燃油喷射器的研究
6、气泡的动态特性研究
7、两相流的研究
8、粒子输运方面的研究
9、一至三维速度场的测量
10、湍流的研究
11、边界层的研究
12、空穴流的研究
测量范围与精度:
a).粒子尺寸测量范围:0.5-13000微米(根据光路配置与布置而定)
b).粒子尺寸测量精度:0.5%
c).速度测量范围:根据光路系统的布置可达到音速以上或更高
d).速度测量精度:0.5%
e).浓度测量范围:最大为106/cm3(根据光路配置与布置而定)
4.粒子图像测速系统(PIV)
PIV是粒子图像测速仪的简称,它是九十年代后期成熟起来的流动显示技术的
发展。它能够同时测量一个面上几万个点的速度,是激光技术、数字信号处理技术、
芯片技术、计算机技术、图像处理技术等高新技术发展的综合结果。
其原理如下:由脉冲激光器发出的激光通过由球面镜和柱面镜形成的片光源
镜头组,照亮流场中一个很薄的(1-2mm)面;在于激光面垂直方向的PIV专用
跨帧CCD相机摄下流场层片中的流动粒子的图像,然后把图像数字化送入计算机,
利用自相关或互相关原理处理,可以得到流场中的速度场分布。
基本组成:脉冲激光器,染料激光器(PLIF系统),显微镜以及配套物镜片
(MicroPIV系统),光源镜头组,光臂,PIV专用跨帧CCD相机,3维标定系统,
配套镜头,处理软件。
技术参数
1.无接触测量速度矢量,同时测量一个面上的速度场
2.测量精度高,片光源面上速度精度0.1%,穿过片光源面方向0.2%
3.测速范围宽:0-1000m/s
4.原理简单,受外界影响小
5.应用面广,可以用于微尺度流动测量(微米量级),也可用于风、水洞测量,多相流测量
6.新推出的HighFramePIV系统响应频率能够到达10kHz,大大提高了PIV系统观测流场时序变化的能力。
7.PIV可以升级到PLIF系统,同时观察流动的速度场和温度、浓度场。
备注:
其中HWA和LDV只能用来测单相流场的风速,而PDA和PIV可以用来测气固两相流场;另外HWA、LDV和PDA用来测量点浓度,而PIV用来测量面浓度。