第六章 流速測量

1、第六章第六章 流速測量流速測量第6章6.1畢托管6.1.1畢托管的工作原理6.1.2畢托管的形式6.1.3畢托管的使用6.2葉輪風速儀6.3熱電風速儀6.3.1工作原理及其組成6.3.2結構特點及性能6.4熱線、熱膜風速儀6.4.1工作原理與熱線方程6.4.2平均流速的測量6.4.3脈動氣流的測量第6章6.5風速儀表的校驗6.5.1風洞的原理結構6.5.2風速儀表的校驗6.6激光多普勒測速技術6.6.1多普勒頻移6.6.2激光多普勒測速原理6.6.3激光多普勒測速光學系統6.6.4激光多普勒測速的信號處理系統6.6.5激光多普勒測速中的散射粒子6.6.6激光多普勒測速方法與實用舉例6.7粒子圖

2、像測速技術6.7.1粒子圖像測速原理第6章6.7.2粒子圖像測速的信號處理6.7.3方向模糊性及解決辦法6.7.4示蹤粒子的選擇6.7.5取得好結果的五條重要準則6.1畢托管6.1.1畢托管的工作原理6.1.2畢托管的形式6.1.3畢托管的使用6.1.1畢托管的工作原理圖6-1用畢托管測量流速示意圖6.1.2畢托管的形式1.標準畢托管2.S形畢托管3.均速管1.標準畢托管圖6-2動壓測壓管構造(基本型)a)錐形頭b)球形頭c)橢圓頭2.S形畢托管圖6-3S形畢托管(單位：mm)3.均速管1)結構簡單、價格便宜、便于安裝，如使用帶截止閥的動壓平均管，其安裝和拆卸均不必中斷工藝流程。2)壓力損失小

3、，能耗少，其不可恢復的壓力損失僅占差壓的215，而常用的孔板要占4080。3)準確度及長期穩(wěn)定性較好，準確度可達1，穩(wěn)定性為實測值的0.1。4)適用范圍廣，除不適用于臟污、有沉淀物的流體外，適用于液體、氣體和蒸汽等多種流體以及高溫高壓介質的流量測量。5)適用管徑范圍大，約為259000mm，尤其適用于大口徑管道的流量測量，管徑越大，其優(yōu)越性越突出。6)對直管段的要求比孔板低。7)產生的差壓信號較低，需要配用低量程差壓計。3.均速管圖6-4均速管1總壓孔2總壓導管3靜壓導管4靜壓孔5管道6均速管6.1.3畢托管的使用1.畢托管使用條件2.測點選擇3.平均流速的計算1.畢托管使用條件圖6-5畢托管

4、壓差與方向差的關系2.測點選擇流體在管道中流動時，同一截面上的各點流速并不相同，但常常需要知道流體平均速度。如果在測量位置上流體流動已經達到典型的湍流速度分布，則測出管道中心流速，按照一定公式或圖表便可求得流體平均速度?；蛘邷y出距離管道內壁0.2420.08R(R為管道內截面半徑)處的流速，作為流體平均速度。但是，當管道內流體流動沒有達到充分發(fā)展的湍流時，則應該在截面上多測幾點的流速，以便求得平均速度。那么，在管道截面上哪一點的流速，或者哪幾點流速平均值可以作為該截面上流速平均值呢？關于這一點作過許多實驗研究，并按照實驗資料建立了流速分布的數學模型。在此基礎上選擇測點并求取平均流速。由于建立的

5、數學模型存在一定的差異，因此測點的選擇也有所不同。僅介紹一種常用的中間矩形法。3.平均流速的計算應該指出，求流體平均速度時，需要計算各測點動壓平方根的平均值，而不是各測點動壓平均值的平方根。6.2葉輪風速儀圖6-6葉輪風速儀a)翼形風速儀b)杯形風速儀6.3熱電風速儀6.3.1工作原理及其組成6.3.2結構特點及性能6.3.1工作原理及其組成圖6-7熱球風速儀原理圖6.3.2結構特點及性能熱球風速儀反應靈敏，使用方便，特別是數字熱球風速儀體積小，功耗低，調節(jié)旋鈕少，質量輕，并且可以同時測量被測風速和風溫。其量程下限值可達0.05m/s，分辨率 0.01m/s，標定誤差小于5%。風溫測量分辨率為

6、0.1，標定誤差為0.5。熱球風速儀的測頭是在變溫變阻狀態(tài)下工作的，測頭容易老化，使性能不穩(wěn)定，而且在熱交換時測頭的熱慣性對測量也有一定的影響。此外，尚有熱敏電阻恒溫風速儀，它是利用溫度恒定的原理工作的。因此，可以克服熱球風速儀由于變溫變阻所產生的上述缺點。但由于它存在功耗大等問題而未能廣泛使用，因此，這里不詳細介紹熱敏電阻恒溫風速儀。6.4熱線、熱膜風速儀6.4.1工作原理與熱線方程6.4.2平均流速的測量6.4.3脈動氣流的測量6.4.1工作原理與熱線方程1.基本原理2.熱線方程1.基本原理熱線風速儀的基本原理是基于熱線對氣流的對流換熱，所以它的輸出和氣流的運動方向有關。當熱線軸線與氣流速

7、度的方向垂直時，氣流對熱線的冷卻能力最大，即熱線的熱耗最大，若二者的交角逐漸減小，則熱線的熱耗也逐漸減小。根據這一現象，原則上可確定氣流速度的方向。2.熱線方程圖6-9恒溫式熱線風速儀工作原理圖6.4.2平均流速的測量圖6-10典型的熱線探頭校準曲線a)速度特性b)方向特性6.4.3脈動氣流的測量盡管熱線風速儀對測量氣流平均流速有重要的實際意義，但它的主要應用是測量氣流的脈動流速。當氣流在平均流速u上迭加一個脈動速度u時，熱線風速儀的橋頂電壓E就含有兩個分量：直流電壓E和交流電壓e。由于熱線風速儀的校準曲線是在穩(wěn)定氣流中得到的，不能直接用于測定氣流的脈動速度。6.5風速儀表的校驗6.5.1風洞

8、的原理結構6.5.2風速儀表的校驗6.5.1風洞的原理結構圖6-11風速校驗裝置(風洞)原理示意圖1風機段2擴散段3測量段4細收縮段5工作段6粗收縮段7穩(wěn)定段6.5.2風速儀表的校驗1)中風速儀表校驗中風速儀表校驗在工作段進行。2)微風速儀表校驗由于畢托管測量微風速時，測量誤差較大，為減小誤差，在校驗微風速儀表時，將標準畢托管放入測量段，被校風速儀表放入工作段，以標準風速儀表讀數除以測量段與工作段風速之比為真值作被校風速儀表校驗曲線。3)風速儀表校驗高風速儀表校驗在測量段進行。4)畢托管校驗畢托管校驗是指確定畢托管動壓校正系數，此值稱為畢托管系數。6.6激光多普勒測速技術6.6.1多普勒頻移6

9、.6.2激光多普勒測速原理6.6.3激光多普勒測速光學系統6.6.4激光多普勒測速的信號處理系統6.6.5激光多普勒測速中的散射粒子6.6.6激光多普勒測速方法與實用舉例6.6.1多普勒頻移1.基本多普勒頻移方程2.移動源的多普勒頻移3.散射物的多普勒頻移1.基本多普勒頻移方程圖6-12移動觀察者感受到的多普勒頻移2.移動源的多普勒頻移圖6-13波源移動的多普勒頻移現象3.散射物的多普勒頻移圖6-14由光程變化計算散射多普勒頻移3.散射物的多普勒頻移圖6-15由移動物體P產生的多普勒頻移計算簡圖6.6.2激光多普勒測速原理圖6-16差動多普勒技術中照射光束的布置6.6.3激光多普勒測速光學系統

10、1.光路系統2.干涉條紋3.方向模糊性及解決辦法4.主要光學部件1.光路系統(1)參考光束系統圖6-17所示是參考光束系統光路圖。(2)雙光束系統圖6-18所示是一個典型的雙光束光路。(3)單光束系統把光源發(fā)出的激光光束Ki聚集于測點A上，流經測點的微粒接收入射光的照射，并將入射光向四周散射，在與系統軸線對稱的兩個地方安置接收孔，再通過反光鏡和分光鏡將頻率分別為fD1和fD2的兩束散射光送入光檢測器，如圖6-19所示。(1)參考光束系統圖6-17所示是參考光束系統光路圖。圖6-17參考光束系統光路(2)雙光束系統圖6-18所示是一個典型的雙光束光路。圖6-18雙光束系統光路(3)單光束系統圖6

11、-19單光束系統光路2.干涉條紋圖6-20干涉條紋3.方向模糊性及解決辦法圖6-21速度與多普勒頻移的關系3.方向模糊性及解決辦法圖6-22用不同頻率的兩束光相交得到運動的干涉條紋3.方向模糊性及解決辦法圖6-23頻移后的速度與多普勒頻移的關系4.主要光學部件(1)激光光源根據多普勒效應測量流速，要求入射光的波長穩(wěn)定而且已知。(2)分光器雙光束系統和參考光束系統都要求把同一束激光分成兩束，雙光束系統要求等強度分光，參考光束系統則要求不等強度分光，這些要求由分光器完成。(3)發(fā)射透鏡兩束入射光需要聚焦，以便更好地相交。(4)接收透鏡接收透鏡的主要作用是收集包含多普勒頻移的散射光。(5)光檢測器光

12、檢測器的作用是將接收到的差拍信號轉換成同頻率的電信號。(1)激光光源根據多普勒效應測量流速，要求入射光的波長穩(wěn)定而且已知。(2)分光器圖6-24由透鏡聚焦的交叉部位和測點形狀圖(3)發(fā)射透鏡兩束入射光需要聚焦，以便更好地相交。(4)接收透鏡接收透鏡的主要作用是收集包含多普勒頻移的散射光。(5)光檢測器光檢測器的作用是將接收到的差拍信號轉換成同頻率的電信號。6.6.4激光多普勒測速的信號處理系統1.頻譜分析儀2.頻率計數器3.頻率跟蹤器1.頻譜分析儀用頻譜分析儀對輸入的多普勒信號進行頻譜分析，可以在所需要的掃描時間內給出多普勒頻率的概率密度分布曲線。將頻域中振幅最大的頻率作為多普勒頻移，從而求得

13、測點處的平均流速，而根據頻譜的分散范圍，可以粗略求得流速脈動分量的變化范圍。由于頻譜儀工作需要一定的掃描時間，它不適于實時地測量變化頻率較快的瞬時流速，只用來測量定常流動下流場中某點的平均流速。2.頻率計數器圖6-25頻率計數器原理方框圖3.頻率跟蹤器圖6-26頻率跟蹤器系統方框圖6.6.5激光多普勒測速中的散射粒子利用激光多普勒效應測量流速，實際上是測量懸浮在流體中跟隨流體一起運動的微粒的速度。所以，為了能準確地測量，要求流體中的散射粒子有良好的跟隨性和較強的散射光的能力，這都與微粒的形狀、尺寸、濃度等因素有關。微粒的形狀最好是球狀的。6.6.6激光多普勒測速方法與實用舉例圖6-27動葉速度

14、矢量圖及激光干涉條紋的方位圖6-28動葉通道內的軸向速度分布a)軸向速度分布b)等速度線6.6.6激光多普勒測速方法與實用舉例6.7粒子圖像測速技術6.7.1粒子圖像測速原理6.7.2粒子圖像測速的信號處理6.7.3方向模糊性及解決辦法6.7.4示蹤粒子的選擇6.7.5取得好結果的五條重要準則6.7.1粒子圖像測速原理1.PIV系統的組成2.PIV的成像系統3.PIV的分析顯示系統6.7.1粒子圖像測速原理圖6-30PIV測速原理1.PIV系統的組成圖6-31典型的PIV系統2.PIV的成像系統圖6-32典型的PIV光路系統3.PIV的分析顯示系統分析顯示系統的主要任務是通過對圖像的數據處理得

15、到二維速度分布。在高像密度的PIV系統中，數據處理是一個很重要的環(huán)節(jié)。當N11時，在查問區(qū)域內找不到粒子的可能性是很小的，它有足夠的粒子可用于獲得速度信息，但由于粒子像太多，一般不能用跟蹤單個粒子軌跡(PTV)的方法來獲得速度信息，只能用統計法來獲得。對于一個高像密度的互相關PIV分析來講，每一個查問區(qū)內圖像密度至少應滿足N17，而自相關方式則要求N110。現在PIV系統主要采用數字圖像技術來分析處理數據。數字圖像法包括傅里葉變換法、直接空間相關法、粒子像間距概率統計法。6.7.2粒子圖像測速的信號處理1.自相關分析2.互相關分析1.自相關分析(1)第一次傅里葉變換(2)第二次傅里葉變換(1)

16、第一次傅里葉變換(2)第二次傅里葉變換2.互相關分析(1)第一次FFT變換(2)第二次FFT變換(3)第三次FFT變換2.互相關分析圖6-34PIV互相關分析示意圖(1)第一次FFT變換(2)第二次FFT變換圖6-33自相關第二次FFT變換(3)第三次FFT變換6.7.3方向模糊性及解決辦法當觀察PIV照片時，第一和第二個粒子的圖像看起來是一樣的。這和LDV相類似，存在著180的方向模糊。如果沒有反相流存在，那么流動方向可以很容易利用實際的流動條件來判別。例如管道內流動就是如此。如果有反相流存在，那么就會有方向的不確定性存在。換句話說原始照片沒有辦法告訴你成對粒子圖像哪一個是由頭一個光脈沖發(fā)生的。所以和激光多普勒測速一樣，粒子圖像測速技術也存在著方向模糊問題。圖6-35旋轉鏡法圖解說明圖6-36顆粒位移矢量圖解6.7.4示蹤粒子的選擇1.粒子的跟隨性2.光散射和信噪比3.顆粒濃度1.粒子的跟隨性表6-1單位密度球的沉降速度和張弛時間2