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1、第六章 流速测量,第六章 流速测量,第6章,6.1毕托管6.1.1毕托管的工作原理6.1.2毕托管的形式6.1.3毕托管的使用6.2叶轮风速仪6.3热电风速仪6.3.1工作原理及其组成6.3.2结构特点及性能6.4热线、热膜风速仪6.4.1工作原理与热线方程6.4.2平均流速的测量6.4.3脉动气流的测量,第6章6.1毕托管6.1.1毕托管的工作原理6.1.,第6章,6.5风速仪表的校验6.5.1风洞的原理结构6.5.2风速仪表的校验6.6激光多普勒测速技术6.6.1多普勒频移6.6.2激光多普勒测速原理6.6.3激光多普勒测速光学系统6.6.4激光多普勒测速的信号处理系统6.6.5激光多普勒
2、测速中的散射粒子6.6.6激光多普勒测速方法与实用举例6.7粒子图像测速技术6.7.1粒子图像测速原理,第6章6.5风速仪表的校验6.5.1风洞的原理结构6,第6章,6.7.2粒子图像测速的信号处理6.7.3方向模糊性及解决办法6.7.4示踪粒子的选择6.7.5取得好结果的五条重要准则,第6章6.7.2粒子图像测速的信号处理6.7.3方向模,6.1毕托管,6.1.1毕托管的工作原理6.1.2毕托管的形式6.1.3毕托管的使用,6.1毕托管6.1.1毕托管的工作原理6.1.2毕托,6.1.1毕托管的工作原理,图6-1用毕托管测量流速示意图,6.1.1毕托管的工作原理图6-1用毕托管测量流速示意图
3、,6.1.2毕托管的形式,1.标准毕托管2.S形毕托管3.均速管,6.1.2毕托管的形式1.标准毕托管2.S形毕托管3.,1.标准毕托管,图6-2动压测压管构造(基本型)a)锥形头b)球形头c)椭圆头,1.标准毕托管图6-2动压测压管构造(基本型)a)锥形头,2.S形毕托管,图6-3S形毕托管(单位：mm),2.S形毕托管图6-3S形毕托管(单位：mm),3.均速管,1)结构简单、价格便宜、便于安装，如使用带截止阀的动压平均管，其安装和拆卸均不必中断工艺流程。2)压力损失小，能耗少，其不可恢复的压力损失仅占差压的215，而常用的孔板要占4080。3)准确度及长期稳定性较好，准确度可达1，稳定性
4、为实测值的0.1。4)适用范围广，除不适用于脏污、有沉淀物的流体外，适用于液体、气体和蒸汽等多种流体以及高温高压介质的流量测量。5)适用管径范围大，约为259000mm，尤其适用于大口径管道的流量测量，管径越大，其优越性越突出。6)对直管段的要求比孔板低。7)产生的差压信号较低，需要配用低量程差压计。,3.均速管1)结构简单、价格便宜、便于安装，如使用带截止阀的,3.均速管,图6-4均速管1总压孔2总压导管3静压导管4静压孔5管道6均速管,3.均速管图6-4均速管1总压孔2总压导管3静,6.1.3毕托管的使用,1.毕托管使用条件2.测点选择3.平均流速的计算,6.1.3毕托管的使用1.毕托管使
5、用条件2.测点选择3,1.毕托管使用条件,图6-5毕托管压差与方向差的关系,1.毕托管使用条件图6-5毕托管压差与方向差的关系,2.测点选择,流体在管道中流动时，同一截面上的各点流速并不相同，但常常需要知道流体平均速度。如果在测量位置上流体流动已经达到典型的湍流速度分布，则测出管道中心流速，按照一定公式或图表便可求得流体平均速度。或者测出距离管道内壁0.2420.08R(R为管道内截面半径)处的流速，作为流体平均速度。但是，当管道内流体流动没有达到充分发展的湍流时，则应该在截面上多测几点的流速，以便求得平均速度。那么，在管道截面上哪一点的流速，或者哪几点流速平均值可以作为该截面上流速平均值呢？
6、关于这一点作过许多实验研究，并按照实验资料建立了流速分布的数学模型。在此基础上选择测点并求取平均流速。由于建立的数学模型存在一定的差异，因此测点的选择也有所不同。仅介绍一种常用的中间矩形法。,2.测点选择流体在管道中流动时，同一截面上的各点流速并不相同,3.平均流速的计算,应该指出，求流体平均速度时，需要计算各测点动压平方根的平均值，而不是各测点动压平均值的平方根。,3.平均流速的计算应该指出，求流体平均速度时，需要计算各测,6.2叶轮风速仪,图6-6叶轮风速仪a)翼形风速仪b)杯形风速仪,6.2叶轮风速仪图6-6叶轮风速仪a)翼形风速仪b),6.3热电风速仪,6.3.1工作原理及其组成6.3
7、.2结构特点及性能,6.3热电风速仪6.3.1工作原理及其组成6.3.2,6.3.1工作原理及其组成,图6-7热球风速仪原理图,6.3.1工作原理及其组成图6-7热球风速仪原理图,6.3.2结构特点及性能,热球风速仪反应灵敏，使用方便，特别是数字热球风速仪体积小，功耗低，调节旋钮少，质量轻，并且可以同时测量被测风速和风温。其量程下限值可达0.05m/s，分辨率 0.01m/s，标定误差小于5%。风温测量分辨率为0.1，标定误差为0.5。热球风速仪的测头是在变温变阻状态下工作的，测头容易老化，使性能不稳定，而且在热交换时测头的热惯性对测量也有一定的影响。此外，尚有热敏电阻恒温风速仪，它是利用温度
8、恒定的原理工作的。因此，可以克服热球风速仪由于变温变阻所产生的上述缺点。但由于它存在功耗大等问题而未能广泛使用，因此，这里不详细介绍热敏电阻恒温风速仪。,6.3.2结构特点及性能热球风速仪反应灵敏，使用方便，特别,6.4热线、热膜风速仪,6.4.1工作原理与热线方程6.4.2平均流速的测量6.4.3脉动气流的测量,6.4热线、热膜风速仪6.4.1工作原理与热线方程6.,6.4.1工作原理与热线方程,1.基本原理2.热线方程,6.4.1工作原理与热线方程1.基本原理2.热线方程,1.基本原理,热线风速仪的基本原理是基于热线对气流的对流换热，所以它的输出和气流的运动方向有关。当热线轴线与气流速度的
9、方向垂直时，气流对热线的冷却能力最大，即热线的热耗最大，若二者的交角逐渐减小，则热线的热耗也逐渐减小。根据这一现象，原则上可确定气流速度的方向。,1.基本原理热线风速仪的基本原理是基于热线对气流的对流换热，,2.热线方程,图6-9恒温式热线风速仪工作原理图,2.热线方程图6-9恒温式热线风速仪工作原理图,6.4.2平均流速的测量,图6-10典型的热线探头校准曲线a)速度特性b)方向特性,6.4.2平均流速的测量图6-10典型的热线探头校准曲线,6.4.3脉动气流的测量,尽管热线风速仪对测量气流平均流速有重要的实际意义，但它的主要应用是测量气流的脉动流速。当气流在平均流速u上迭加一个脉动速度u时
10、，热线风速仪的桥顶电压E就含有两个分量：直流电压E和交流电压e。由于热线风速仪的校准曲线是在稳定气流中得到的，不能直接用于测定气流的脉动速度。,6.4.3脉动气流的测量尽管热线风速仪对测量气流平均流速有,6.5风速仪表的校验,6.5.1风洞的原理结构6.5.2风速仪表的校验,6.5风速仪表的校验6.5.1风洞的原理结构6.5.2,6.5.1风洞的原理结构,图6-11风速校验装置(风洞)原理示意图1风机段2扩散段3测量段4细收缩段5工作段6粗收缩段7稳定段,6.5.1风洞的原理结构图6-11风速校验装置(风洞)原,6.5.2风速仪表的校验,1)中风速仪表校验中风速仪表校验在工作段进行。2)微风速
11、仪表校验由于毕托管测量微风速时，测量误差较大，为减小误差，在校验微风速仪表时，将标准毕托管放入测量段，被校风速仪表放入工作段，以标准风速仪表读数除以测量段与工作段风速之比为真值作被校风速仪表校验曲线。3)风速仪表校验高风速仪表校验在测量段进行。4)毕托管校验毕托管校验是指确定毕托管动压校正系数，此值称为毕托管系数。,6.5.2风速仪表的校验1)中风速仪表校验中风速仪表校验,6.6激光多普勒测速技术,6.6.1多普勒频移6.6.2激光多普勒测速原理6.6.3激光多普勒测速光学系统6.6.4激光多普勒测速的信号处理系统6.6.5激光多普勒测速中的散射粒子6.6.6激光多普勒测速方法与实用举例,6.
12、6激光多普勒测速技术6.6.1多普勒频移6.6.2,6.6.1多普勒频移,1.基本多普勒频移方程2.移动源的多普勒频移3.散射物的多普勒频移,6.6.1多普勒频移1.基本多普勒频移方程2.移动源的多,1.基本多普勒频移方程,图6-12移动观察者感受到的多普勒频移,1.基本多普勒频移方程图6-12移动观察者感受到的多普勒频,2.移动源的多普勒频移,图6-13波源移动的多普勒频移现象,2.移动源的多普勒频移图6-13波源移动的多普勒频移现象,3.散射物的多普勒频移,图6-14由光程变化计算散射多普勒频移,3.散射物的多普勒频移图6-14由光程变化计算散射多普勒频,3.散射物的多普勒频移,图6-15
13、由移动物体P产生的多普勒频移计算简图,3.散射物的多普勒频移图6-15由移动物体P产生的多普勒,6.6.2激光多普勒测速原理,图6-16差动多普勒技术中照射光束的布置,6.6.2激光多普勒测速原理图6-16差动多普勒技术中照,6.6.3激光多普勒测速光学系统,1.光路系统2.干涉条纹3.方向模糊性及解决办法4.主要光学部件,6.6.3激光多普勒测速光学系统1.光路系统2.干涉条纹,1.光路系统,(1)参考光束系统图6-17所示是参考光束系统光路图。(2)双光束系统图6-18所示是一个典型的双光束光路。(3)单光束系统把光源发出的激光光束Ki聚集于测点A上，流经测点的微粒接收入射光的照射，并将入
14、射光向四周散射，在与系统轴线对称的两个地方安置接收孔，再通过反光镜和分光镜将频率分别为fD1和fD2的两束散射光送入光检测器，如图6-19所示。,1.光路系统(1)参考光束系统图6-17所示是参考光束系统,(1)参考光束系统图6-17所示是参考光束系统光路图。,图6-17参考光束系统光路,(1)参考光束系统图6-17所示是参考光束系统光路图。图6,(2)双光束系统图6-18所示是一个典型的双光束光路。,图6-18双光束系统光路,(2)双光束系统图6-18所示是一个典型的双光束光路。图6,(3)单光束系统,图6-19单光束系统光路,(3)单光束系统图6-19单光束系统光路,2.干涉条纹,图6-2
15、0干涉条纹,2.干涉条纹图6-20干涉条纹,3.方向模糊性及解决办法,图6-21速度与多普勒频移的关系,3.方向模糊性及解决办法图6-21速度与多普勒频移的关系,3.方向模糊性及解决办法,图6-22用不同频率的两束光相交得到运动的干涉条纹,3.方向模糊性及解决办法图6-22用不同频率的两束光相交得,3.方向模糊性及解决办法,图6-23频移后的速度与多普勒频移的关系,3.方向模糊性及解决办法图6-23频移后的速度与多普勒频,4.主要光学部件,(1)激光光源根据多普勒效应测量流速，要求入射光的波长稳定而且已知。(2)分光器双光束系统和参考光束系统都要求把同一束激光分成两束，双光束系统要求等强度分光
16、，参考光束系统则要求不等强度分光，这些要求由分光器完成。(3)发射透镜两束入射光需要聚焦，以便更好地相交。(4)接收透镜接收透镜的主要作用是收集包含多普勒频移的散射光。(5)光检测器光检测器的作用是将接收到的差拍信号转换成同频率的电信号。,4.主要光学部件(1)激光光源根据多普勒效应测量流速，要求,(1)激光光源根据多普勒效应测量流速，要求入射光的波长稳定而且已知。,(1)激光光源,(2)分光器,图6-24由透镜聚焦的交叉部位和测点形状图,(2)分光器图6-24由透镜聚焦的交叉部位和测点形状图,(3)发射透镜两束入射光需要聚焦，以便更好地相交。,(3)发射透镜,(4)接收透镜接收透镜的主要作用
17、是收集包含多普勒频移的散射光。,(4)接收透镜,(5)光检测器光检测器的作用是将接收到的差拍信号转换成同频率的电信号。,(5)光检测器,6.6.4激光多普勒测速的信号处理系统,1.频谱分析仪2.频率计数器3.频率跟踪器,6.6.4激光多普勒测速的信号处理系统1.频谱分析仪2.,1.频谱分析仪,用频谱分析仪对输入的多普勒信号进行频谱分析，可以在所需要的扫描时间内给出多普勒频率的概率密度分布曲线。将频域中振幅最大的频率作为多普勒频移，从而求得测点处的平均流速，而根据频谱的分散范围，可以粗略求得流速脉动分量的变化范围。由于频谱仪工作需要一定的扫描时间，它不适于实时地测量变化频率较快的瞬时流速，只用来
18、测量定常流动下流场中某点的平均流速。,1.频谱分析仪用频谱分析仪对输入的多普勒信号进行频谱分析,2.频率计数器,图6-25频率计数器原理方框图,2.频率计数器图6-25频率计数器原理方框图,3.频率跟踪器,图6-26频率跟踪器系统方框图,3.频率跟踪器图6-26频率跟踪器系统方框图,6.6.5激光多普勒测速中的散射粒子,利用激光多普勒效应测量流速，实际上是测量悬浮在流体中跟随流体一起运动的微粒的速度。所以，为了能准确地测量，要求流体中的散射粒子有良好的跟随性和较强的散射光的能力，这都与微粒的形状、尺寸、浓度等因素有关。微粒的形状最好是球状的。,6.6.5激光多普勒测速中的散射粒子利用激光多普勒
19、效应测,6.6.6激光多普勒测速方法与实用举例,图6-27动叶速度矢量图及激光干涉条纹的方位,6.6.6激光多普勒测速方法与实用举例图6-27动叶速度,图6-28动叶通道内的轴向速度分布a)轴向速度分布b)等速度线,6.6.6激光多普勒测速方法与实用举例,图6-28动叶通道内的轴向速度分布a)轴向速度分布b),6.7粒子图像测速技术,6.7.1粒子图像测速原理6.7.2粒子图像测速的信号处理6.7.3方向模糊性及解决办法6.7.4示踪粒子的选择6.7.5取得好结果的五条重要准则,6.7粒子图像测速技术6.7.1粒子图像测速原理,6.7.1粒子图像测速原理,1.PIV系统的组成2.PIV的成像系
20、统3.PIV的分析显示系统,6.7.1粒子图像测速原理1.PIV系统的组成2.PIV,6.7.1粒子图像测速原理,图6-30PIV测速原理,6.7.1粒子图像测速原理图6-30PIV测速原理,1.PIV系统的组成,图6-31典型的PIV系统,1.PIV系统的组成图6-31典型的PIV系统,2.PIV的成像系统,图6-32典型的PIV光路系统,2.PIV的成像系统图6-32典型的PIV光路系统,3.PIV的分析显示系统,分析显示系统的主要任务是通过对图像的数据处理得到二维速度分布。在高像密度的PIV系统中，数据处理是一个很重要的环节。当N11时，在查问区域内找不到粒子的可能性是很小的，它有足够的
21、粒子可用于获得速度信息，但由于粒子像太多，一般不能用跟踪单个粒子轨迹(PTV)的方法来获得速度信息，只能用统计法来获得。对于一个高像密度的互相关PIV分析来讲，每一个查问区内图像密度至少应满足N17，而自相关方式则要求N110。现在PIV系统主要采用数字图像技术来分析处理数据。数字图像法包括傅里叶变换法、直接空间相关法、粒子像间距概率统计法。,3.PIV的分析显示系统分析显示系统的主要任务是通过对图像,6.7.2粒子图像测速的信号处理,1.自相关分析2.互相关分析,6.7.2粒子图像测速的信号处理1.自相关分析2.互相关,1.自相关分析,(1)第一次傅里叶变换(2)第二次傅里叶变换,1.自相关
22、分析(1)第一次傅里叶变换(2)第二次傅里叶变换,(1)第一次傅里叶变换,(1)第一次傅里叶变换,(2)第二次傅里叶变换,(2)第二次傅里叶变换,2.互相关分析,(1)第一次FFT变换(2)第二次FFT变换(3)第三次FFT变换,2.互相关分析(1)第一次FFT变换(2)第二次FFT变换,2.互相关分析,图6-34PIV互相关分析示意图,2.互相关分析图6-34PIV互相关分析示意图,(1)第一次FFT变换,(1)第一次FFT变换,(2)第二次FFT变换,图6-33自相关第二次FFT变换,(2)第二次FFT变换图6-33自相关第二次FFT变换,(3)第三次FFT变换,(3)第三次FFT变换,6
23、.7.3方向模糊性及解决办法,当观察PIV照片时，第一和第二个粒子的图像看起来是一样的。这和LDV相类似，存在着180的方向模糊。如果没有反相流存在，那么流动方向可以很容易利用实际的流动条件来判别。例如管道内流动就是如此。如果有反相流存在，那么就会有方向的不确定性存在。换句话说原始照片没有办法告诉你成对粒子图像哪一个是由头一个光脉冲发生的。所以和激光多普勒测速一样，粒子图像测速技术也存在着方向模糊问题。,6.7.3方向模糊性及解决办法当观察PIV照片时，第一和,图6-35旋转镜法图解说明,图6-35旋转镜法图解说明,图6-36颗粒位移矢量图解,图6-36颗粒位移矢量图解,6.7.4示踪粒子的选
24、择,1.粒子的跟随性2.光散射和信噪比3.颗粒浓度,6.7.4示踪粒子的选择1.粒子的跟随性2.光散射和信噪,1.粒子的跟随性,表6-1单位密度球的沉降速度和张弛时间,1.粒子的跟随性表6-1单位密度球的沉降速度和张弛时间,2.光散射和信噪比,表6-2相对折射指数,2.光散射和信噪比表6-2相对折射指数,3.颗粒浓度,实践表明，每个查问区内多于10个粒子对是确保测量正确位移值的必要保证。但粒子对也不能太多，否则图像就会重叠，从而形成散斑。,3.颗粒浓度实践表明，每个查问区内多于10个粒子对是确保测,6.7.5取得好结果的五条重要准则,1)诊断光斑应该足够地小，使得单个矢量能够充分地描述该区域的流动状态。2)为了获得较高的有效数据率，每个诊断光斑内的粒子对应该多于10对。3)最大的粒子位移应该是诊断光斑大小的25%。4)在垂直测量平面(片光平面)方向上的位移也应小于片光源厚度的25%。5)测量平面内最小的粒子图像位移应该大于2倍的粒子图像直径。,6.7.5取得好结果的五条重要准则1)诊断光斑应该足够地小,
