流速测试技术现状与发展

扬州大学测速技术现状与展望试验流体力学第1页共8页流速测试技术现状与展望张丽萍（扬州大学水利科学与工程学院，江苏扬州225009）摘要：目前流速测试技术在不断的发展，本文就目前的流速测量技术进行总结，对毕托管、热线（热膜）、激光多普勒、粒子成像等测速技术从原理、特点、应用等方面展开叙述，通过对各种仪器的分析及应用要求，提出测速技术的发展方向.关键字：流速测试；毕托管；热线（热膜）；激光多普勒；粒子成像；展望1．流速测试技术概述流速是指气体或液体流质点在单位时间内所通过的距离.质点流速是描述液体质点在某瞬时的运动方向和运动快慢的矢量.其方向与质点轨迹的切线方向一致.紊流中点流速随时间作不规则的变化，一般取某一段时间内的平均值即时均流速，以及瞬时流速与时均流速之差即脉动流速作为研究对象.根据不同情况和要求，采用不同的方法和仪器进行量测，常用的方法和仪器如下：毕托管、热线(热膜)风速计、激光多普勒测速仪、粒子成像测速等，下面以上述四种仪器为例，介绍其测试原理、特点及应用等.2．流速测试技术仪器2．1．毕托管2．1．1．毕托管概述图1毕托管流速计示意图[6]Fig.1Pitottubetachometerschematicdiagram[six]早在1732年，法国工程师毕托(H.Pitot)为了测量水流的流速就发明了毕托管[1].我扬州大学测速技术现状与展望试验流体力学第2页共8页们所指的“毕托-静压管流速计”包括两部分：一部分是毕托管，另一部分是微差压计.使用时，将毕托管插入所要测量的流场，然后将毕托管根部的两个输出接头用管与微差压计连接，这样就可以从微差压计的指示来了.图2-1是这一测量系统的示意图.在毕托管流速计中，毕托管的作用是将流速转变成差压，而微差压计是对差压进行检测.2．1．2．毕托管的测速原理设水流中某点A处的流速为u，如将一根两端开口的直角弯管插入水流并使其下端管口方向正对A点流速方向，则A点的流速由原来的u值变为零，而弯管中的液面将比测压管中的液面升高Δh（测压管液面为未受毕托管干扰时A点的测压管液面），弯管中液面的升高是由于水流的动能转化为势能所引起的.对于A点处质量为dm，重量为gdm的微小水体，在弯管未插入前具有的动能是0.5dmu2.当弯管插入水流后，A点的流速由原来的u值变为零，该微小水体的动能0.5dmu2全部转化为势能Δhdmg，即0.5dmu2=gΔhdm于是可得Δh=u2/(2g).将关系式Δh=u2/(2g)改写为u=2gΔh则只要量测出毕托管中的液面高差Δh，即可按上式计算出A点的流速值.考虑到水流机械能在相互转化过程中存在能量损失，毕托管对水流有干扰以及毕托管与测压管的进口有一定距离等影响，所以上式需加以修正，即将上式写为：u=φ2gΔh.其中：φ称为毕托管流速校正系数.2．1．3．毕托管测速特点毕托管这样一种古老的流速计，经长期应用，不断改进，已十分完善.具有结构简单，使用方便，坚实可靠、价格低廉等优点.而且，只要经过精心设计和制造，细心地标定和修正，在一定的测速范围内，它还可以达到很高的测量精度.用毕托管测流速时，仪器本身对流场会产生扰动，这是使用这种方法测流速的一个缺点[6].2．1．4．几种具有代表性的毕托管（1）普朗特设计的毕托管[2]它的特征是，头部为半圆球形，静压孔采用狭缝.普朗特曾对毕托管表面的压力分布进行过分析，还建议用流体力学中均匀流与源的叠加作为毕托管理论设计的基础[2].（2）早期的NPL型标准毕托管[3]这是英国1943颁布年的标准毕托管，它包括截锥头形和半圆球头形两种.1973年英国颁布了新的标准，主要是将头形改为半椭球形[4].（3）国际标准推荐约三种毕托管[5]在1977年颁布的国际标准ISO3966中，推荐了三种毕托管：AMCA型、修改椭球头NPL型和CET1AT型.它们的头部形状分别是半圆球、扬州大学测速技术现状与展望试验流体力学第3页共8页半椭球和截锥形.其中，修改椭球头NPL型毕托管与英国的新标准BS1042[4]中所规定的完全相同.而AMCA型和CETIAT型的头形虽与早期的NPL标准毕托管相象，但静压孔的位置和其它结构尺寸却有很大不同.2．2．热线(热膜)风速计(HWA)2．2．1．热线(热膜)风速计概述[12]热线(热膜)风速计(HWA)发明于20世纪初，曾经推动了流体力学的发展和湍流研究的进步.自从1902年英国人Shakepear提出初步方案并且进行实际测量和后来的King提出强迫对流换热模型从而推导出King公式，热线风速仪伴随20世纪电子学的飞速发展，迅速在流体力学研究中特别是湍流的测量中发挥主导作用.2．2．2．热线(热膜)风速计测速原理图2热线风速仪工作原理图[13]Fig.2hotanemoscopeworkschematicdiagram[thirteen]热线(热膜)风速计的工作原理是利用放置在流场中具有加热电流的细金属丝(直径1μm-10μm)来测量风速的仪器.由于金属丝中通过了加热电流,因而当风速变化时,金属丝的温度就随之而改变,从而产生了电信号的变化,这种变化和风速之间具有单调的一一对应关系,因此通过预先的校准过程,测量该电信号的变化就可以得到实际流场的速度大小.其原理如图2-2所示.2．2．3．热线(热膜)风速计测速特点[7]早期的热线（热膜）风速仪，由于其频率相应高、测量布置简单，在风洞和湍流研究中有很多应用结果，不过由于热线（热膜）风速仪发展早期，存在试验前方波调试工作繁琐，标定工作量大等原因，使其应用对应试验人员的经验有较高的要求，一直到北京大学力学系的盛森芝教授的预相位原理的发展，TSI公司采用其专利技术，才大大减轻了试验人员的工作量.但是，其固有的接触式测量，影响流场、单点测量的确定，也扬州大学测速技术现状与展望试验流体力学第4页共8页使得其在很多应用场合有很多局限性.其优点是:体积小；对流场干扰小；适用范围广；频率响应高；灵敏度高；重复性好；价格相对低廉；故实用性较强.2．2．4．热线(热膜)风速计展望[6]综上所述，热线风速计是流速测量的-种重要工具，它历史悠久，资料丰富，便于使用者参考和借鉴.但是它具有易脆性，容易引起污染和漂移，性能稳定性欠佳.圆柱形热膜风速计在一定程度上克服了热线敏感元件凤速计的上述弱点，而且无论在理论上和实践上都已有了较为深入的了解，今后有可能在许多场合取代热线敏感元件.非圆柱形热膜风速计具有很好的抗污染能力，结构上也比较坚固，但难于正确地说明它的动态响应规律.目前热线（热膜）风速计正在向更为复杂的流动中进军，其中包括超音速流动，极低速流动，三维边界层，加热流，多相流，非牛顿流等等.在这些流动领域中的流速测量问题，常常没有多少前人经验可以借鉴，因而更需要使用者自己作出独立分析.一个值得注意的动向是发展智能化热线（热膜）风速计.大家知道传统的热线（热膜）风速计在操作上相当麻烦，使用效率比较低，精度也很难提高，特别是在多通道测量中更是如此，而且信能价格比也较差.智能化使流速计具备了自动选择量程、自寻故障、自动控制数据采集和通道转换、自动提取予存参数、自动进行数据处理等功能，从而大大提高了测量速度和精度.很明显它代表了测量仪器的发展方向.2．3．激光多普勒测速仪(LDV)2．3．1．激光多普勒测速仪概述[8]图3激光多普勒测速仪外观图[7]Fig.3laserDopplervelometeroutsideviewdrawing[seven]利用光波的多普勒效应来测量流速的技术，是继热线热膜测速技术之后流速测量技术的又一重大进展.自从1964年HYeh和HZCummins发明第一台激光多普勒流速计以来，近二十年中，无论在原理、品件直至产品结构方面还是在激光流速计的应用方面，扬州大学测速技术现状与展望试验流体力学第5页共8页都取得了丰富的成果.尽管这种测速术有它本身的缺点，但越来越多的人们在自己的科研、实验中使用激光流速计，实践证明它的确比托管和热线风速计在不少地方具有优越性.图2-3为激光多普勒测速仪外观图.2．3．2．激光多普勒测速仪测速原理图4激光多普勒测速仪测速原理图Fig.4laserDopplervelometerschematicdiagram激光测速的原理[10]大致是这样：激光束射向流动着的粒子，粒子发出的散射光的频率改变了，通过光电装置测出频率的变化，就测得了粒子的速度，也就是流动的速度.其原理如图2-4所示.设一束散射光与另一束参考光（或两束均为散射光，但散射方向不同）的频率分别为fs1，fs2，它们到达光探测器阴极表面的电场强度分别为：E1=E01COS（2πfs1t+φ1）E2=E02COS（2πfs2t+φ2）式中：E01，E02分别为两束光在光阴极表面处的振幅；φ1，φ2分别为两束光的初始相位.两束光在光阴极表面混频，其合成的电场强度为：E=E1+E2=E01COS（2πfs1t+φ1）+E02COS（2πfs2t+φ2）光强度与光的电场强度的平方成正比：I(t)=k(E1+E2)2=0.5k(E012+E022)+kE01E02COS[2π(fs1-fs2)t+φ]式中：k为常数，φ为两束光初始相位差，φ=φ1−φ2，如两束光相干，则φ为常数.其中，—第一项是直流分量，可用电容器隔去，第二项是交流分量，其中（fs1−fs2）正是我们希望得到的多普勒频移.多普勒频移与物体运动速度V的关系为：扬州大学测速技术现状与展望试验流体力学第6页共8页fs1−fs2=｜Vλ[COS(Ki,υ)-COS(Ks,υ)]｜式中：Ki是激光的传播矢量，Ks是散射光传播矢量，υ是物体运动速度方向单位矢量，V是物体运动速度.2．3．3．激光多普勒测速仪测速特点[6]由上述可知，激光测速的主要优点在于非接触测量、线性特性、较高的空间分辨率和快速动态响应.采用近代光—电子学和微处理机技术的LDV系统，可以较容易的实现二维、三维等流动的测量，并获得各种复杂流动结构的定量信息.当然LDV也有它的局限性，主要表现在对流体和试验设备的窗口有透明的要求.其次，为了得到高质量的多普勒信号，往往需要(特别在气体中)在流体中人为地加入符合一定要求的粒子.此外，由于光学仪器精度高，故有一定的防振要求.2．3．4．激光多普勒测速仪展望[9]在“激光多普勒测速在流体力学中的应用”国际讨论会上我们得知LDV正在向现场实测的方向发展.值得注意的是数字数据处理技术已经广泛被采用.这次会议上所报告的研究工作，几乎都使用了微处理机数据采集和处理系统，主要是因为微处理机的普遍被应用.此外，大量的数据处理、计数型处理器的直接数字输出以及各种偏置的修正问题，也从客观上对数字数据处理提出了迫切的要求.因此，要充分发挥LDV的作用，数字数据处理系统是不可缺少的组成部分.2．4．粒子成像测速仪2．4．1．粒子成像测速仪概述粒子成像测速（PIV）是在图像处理技术和阵列式计算机技术取得卓越进展的基础上，于80年代初提出的实现全流场流动显示和定量测试的新一代流动参数测试技术.目前PIV技术已经发展成为测量二维平面速度场的较为成熟的工具.2．4．2．粒子成像测速仪原理[11]PIV技术的原理是在流场中撒入示踪粒子，并假设示踪粒子的运动准确代表了流体的运动，应用脉冲光源照射流场中的一个平面，利用这些粒子对光的散射作用，用光学方法记录下流场中粒子的位置，测量两次或多次曝光之间的粒子位移，由此就可以得到速度矢量以及其它瞬时运动参量.2．4．3．粒子成像测速仪特点[13]粒子成像测速仪的优点是无接触测量速度矢量，可同时测量一个面上的速度场；测扬州大学测速技术现状与展望试验流体力学第7页共8页量精度高，片光源面上速度精度可达0.1%，穿过片光源面的方向可达0.2%；测速范围0～1000m/s；原理简单，受外界影响小；应用面广，可以用于微尺度流动测量(μm量级)，也可用于风、水洞的多相流测量；系统响应频率可达10kHz，大大提高了PIV系统观测流场时序变化的能力；可同时观察流动的速度场、温度场和浓度场.不足之处在于对实验流场的透光性要