（水利工程专业论文）激光多谱勒流速仪（ldv）测量参数影响实验研究.pdf

摘要 摘要 水流运动特性的研究一方面是理论分析推导，另一方面则是借助测量技术实 际测量。而理论的推导也需要实际测量的结果加以验证，因而测量技术的发展对 于推动水科学进展有重要的作用。 本文在总结对比当前常用流速仪的优缺点的基础上，着重介绍了激光多谱勒 流速仪的测量原理、系统结构以及它的使用，提出了测量准确度可以依赖数据率 来进行判定，并利用t s i 公司生产的l d v 测量系统通过实验方法对测量模式选择中 的参数及信号转换参数进行了实验对比研究，得到了系统最优化参数设置；通过 不同测量模式对测量结果的影响研究，认为在低数据率条件下利用同步模式结合 等时间间隔模式测量效果更好。 本文还着重对l d v 测量环境参数进行对比实验研究：对比不同颗粒粒径范 围下激光多谱勒测量数据率变化，当l d v 测量系统在示踪颗粒粒径大于0 4 m m 条件下测量误差难以满足测量要求；不同示踪颗粒浓度范围对比测量表明，l d v 系统只适合应用于低浓度含沙水流流速测量，据此，给出了不同测量深度条件下 系统可应用的示踪颗粒浓度范围。 关键词：l d v 、流速仪、参数影响、示踪颗粒浓度、示踪颗粒粒径 a b s t r a c t a b s t r a c t t h ec h a r a c t e r i s t i c so f f i o wm o v e m e n th a sb e e ns t u d i n gb yt h e o r yi n f - e r e n c i n ga n dm e a s u r i n 2 b ym e a s u r e m e n tt e c h n o l o g i e s t h er e s u l t sc o m i n gf r o mt h e o ui n f e r e n c i n ga l s on e e dt ob e c o i n c i d e n tw i t ht h a to fe x p e r i m e n t h e n c et h ed e v e l o p m e n to fm e a s u r e m e n tt e c h n o l o g vi n p r o m o t i n ga d v a n c e so fr e s e a r c hj nw a t e rs c i e n c eh a sa nj m p o r 拓m tr o 】e t h i s p a p e r s u m m a r i s e v e l o c i t yi n s t r u m e n tb e e nw i d e i y印p l i e di ns t u d i n go ft h e c h a r a c t e r i s t i c so f 玎o wm o v e m e n t ，c o n t r a l s t i v ea n a l y s i so fa d v a n t a g ea n dd i s a d v a n t a g ei sm a d e w i t hs o m ev e l o c i 够m e t e r s ，a n de l u c i d a t ed e t a i l e d l ym e a l s u r i n gp r i n c i p l e ，s y s t e ms t n l c t u r e ，m a i n f u n c t i o no fe a c hp a no f l dv b a s e do ns u m m 撕z i n gt h ea d v a n c e ds i g n a ip r o c e s s i n gt e c h n o j o g y a n dr e s e a r c hp r o g r e s so fa p p l i c a t i o no fm e a s u r e m e n ta n a l y s i so fl d vg e n e r a l i z e dt h a tt h e m e a s u r e m e n ta c c u r a c yo fl d vc o u l db ep e r f o m l e dd e p e n d i n go nd a t ar a t e o nt h i sb a s i s 。t h e p a r a m e t e r so fm e a s u r e m e n tm o d ea n dp h o t o e l e c t r i c t ys i g n a lc o n v e r s i o nw e r ei n v e s t i g a t e df u l l y w i t hd e t a i l e dc o m p a r ee x p e r i m e n t si nt h i sp a p e ru s i n gl d vm e a s u r e m e n ts y s t e mf r o mt h et s i c o m p 锄y t h eo p t i m a lp a r a m e t e rv a l u e sw e r eo b t a i n e da n dc tm o d e lc o m b i n e dw i t he tm o d e li s b e t t e rt h a no t h e r sw h e nd a t ar a t ei sl o w t h i sp a p e re m p h a t i c a n ys t u d ym e a s u r e m e n te n v i r o n m e n tb ye x p e r i m e n t a l t h ed a t ar a t eh a s t h er e l a t i v e l yl a r g ed i s p a r i t yo nd i f f e r e n tp a n i c l es i z e sf o rl d v s ot h el d vm e a s u r e m e ns y s t e m i sn o ta p p l i c a b l et oo 4 m mo re v e nb i g g e r l d v j u s ts u i tf o rl o w - c o n c e n t r a t i o na r e a sb yc o m p a r i n g w i t hd i 艉r e n tc o n c e n t r a t i o nr a n g e t h i sp 印e rg i v eo u td i 仃e r e n tc o n c e n t r a t i o nr a n g ef o rd i 仃e r e n t m e a s u r e m e n td e p t hf o ra p p l i c a t i o no ft h el d v k e yw o r d s ：v e l o c i t yi n s n u m e n t 、d a t ar a t e 、p a r a m e t e r se x p e r i m e n t 、t r a c e rp a r t i c l ec o n c e n t r a t i o n 、 仃a c e rp a r t i c l es i z e 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工 作的同事对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。如不实，本人负全部责任。 论文作者： 学位论文使用授权说明： 妒晕钐a 7 龟 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期 刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电 子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文 档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允 许论文被查阅和借阅。论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权 河海大学研究生院办理。 论文作者： 曙乞a ，艰 第一章绪论 l 。l 研究背景及意义 第一章绪论 我国河流众多，河流的综合利用在国家经济社会发展中占有重要位置，为了 更好更快更省的遴行水利承电建设，需要对许多重大阕题，如泥沙运行与河床演 变等问题进行深入的研究。然而这些问题能否获得满意的解决，首先取决于我们 瓣水流结构的谈识程度。对水流结构的认识一方面是理论分析推导，丽另外一个 重要研究方法就是通过测量技术来获得水流运动参数及流体结构。测量是颗粒流 体流动过程设计及系统性能计算的主要技术支撑之一，也是检验现有理论与经验 模型、发展新理论的基础。因而，开展测量新技术及应用研究对于推动水科学进 展具有重要作用。阂前的速度场标定应用中，除了上下游静压差法之外，主要应 用l d ￥系统进行稚】，可见l p ￥在流体研究中的重要作用。本文以激光多谱勒流速 仪为对象，重点开展各参数影响实验研究。 童从1 9 6 4 年第一台激光多普勒测速仪闻世以来，激光测速技术己有碡0 多年 的历史。起初的光学装置比较简单，光学性能和效率不高，调准不方便，信号处 理方面大多采用频谱分析仪，但该技术不能褥到瞬时速度。隧着光学系统和信号 处理器方面的发展，首先是集成光学单元的出现，使光路结构大为紧凑，调准也 方便，因瞩有可能发展更加复杂和高效率的光学系统，光束扩展、空间滤波、偏 振分离、频率( 色) 分离、光学频移等近代光学技术相继应用到激光测速仪中，并 成为系列化产品不可缺少的一部分。在信号处理方面，频率跟踪器、计数式处理 器以及光予相关器件都陆续成为产品并被投入市场，它们囿集成式光学系统一起 成为研究复杂流体的有用工具。从2 0 世纪8 0 年代开始，激光测速技术逐渐的从 实验室走向了实际斑用当中。由予其非接触测量和小尺度的测量，空闻分辨率高、 精度高等优点，目前已经被越来越广泛的应用到流体力学、空气动力学、燃烧学、 生物学和医学，以及工业生产中的速度测量及其它有关测量中- 。 l d v 在水流实验研究及水文量测等生产实践中应用越来越广泛，仪器测量精 度及应用环境被越来越多的研究者所关注，这类问题的探讨将直接影响该类仪器 在水流测量中的应用和推广。由于l d v 测量系统参数多两复杂，系统参数改变对 测量结果的影响作用需要进一步探讨；另外在挟沙水流中l d v 适合应用的示踪颗 粒坏境范蹰也是研究者们思考和疑惑的闯题之一，本文着重对这两个方蔼进行研 究，提高设备测量精度和确定使用范围为仪器应用提供基本参考和选择依据。 河海大学硕上学位论文 1 2 流速测试手段对比 流速分布是确定流体运动特性的主要参数之一，流速仪是测量流速分布的重 要技术手段之一。目前应用的流速测量仪器主要有：毕托管、微型旋桨流速仪、 热线流速仪、超声波测试技术、激光流速仪和粒子图像测速仪等。 1 2 1 毕托管 自1 7 3 2 年法国工程师p i t o t 发明总压管以来，人们开始由压力测量结果和著 名的b e m o u l l i 方程计算出单点水流能量( 压头) 。1 9 0 5 年，流体力学大师p r a j l d t l 发 明了总静压管，由此人们开始得到流场单点的平均速度。 从原理上说，毕托管( p i t o t t u b e ) 测速基于流体力学的能量方程，在定常、理 想无粘、不可压假设下即成为b e m o u l l i 方程。一般来说，由于受到上述条件的限 制，毕托管只用于平均速度测量或流量测量；另一方面，对总静压差的检测开始 时采用液柱式微压差计，这也使得速度量的测量仅局限于平均值的反映口1 。虽然 人们在非定常、可压等条件下对b e m o u l l i 方程在毕托管的应用中作了各种修正， 但由于探针本身制作的困难和新的测量技术的发展，加之毕托管属于单点、定常 的接触式测量，对被测流场影响较大。因而在实际测量应用中受到了一定限制。 目前，毕托管一般在工业级应用中比较普遍，或者做为其它测量方法的预估测 量方案或辅助结果验证，在流体力学实验研究中应用相对较少。目前从事研究型 流动测量仪器的专业公司并没有专门毕托管的产品，这也从一个侧面反映出它在 流速测量研究中的局限性。 毕托管是古典的流速测量仪器，它是一根一端弯曲的细管，将其开口端放在 流场中，并正对着流体流动的方向，当液体流入细管中后即不在流动，即全部动 能转换为势能。实测时，只要将毕托管测量得到的高度乃值，代入转换公式即 可算出流速“，如需考虑流体流动的能量损失，则必须将转换公式中加入矫正系 数痧，该系数与毕托管的大小、粗细、形状及加工工艺等情况有关，一般由实验 确定。测量时，毕托管必须正对水流方向，当流速小于o 1 叫s 时，其测量结果 误差较大。国内外对毕托管进行了一定的改进，配接差压变送器等电气设备，使 毕托管的测量技术电气化、自动化。 1 2 2 微型旋桨流速仪 微型旋桨流速仪基本原理是将固定在传感器支架上的旋桨置于水流中的施 2 第一章绪论 测点，旋桨正对水流方向，由于动水压力作用产生转动，流速越大，转动越快。 采用适当的传感器和计数器，记下单位时间转数n ，就可根据率定曲线求出流速。 材= 砌+ 甜o( 1 - 1 ) 式中k 为比例系数，由率定曲线得到；n 为旋桨转动频率( 次秒) ，刀= 丁，其 中为旋桨转动次数，丁为计测转数时间，、丁由计数器读出；为旋桨启 动流速，由率定实验得到。越小，旋桨灵敏度就越高。值得注意的是不同旋 桨有不同的k 和值，即使同一个旋桨使用一段时间后，k 和值也会发生变 化，需要重新进行率定。 旋桨流速仪电路包括传感器和计数器两部分，根据使用的传感器不同，一般 分为三类【3 】：电阻式、电感式、光电式。以光电式为例，该流速的主要工作原理 是在旋桨叶片边缘上贴一片极薄的反光镜片，当旋桨旋转经过支杆下端时，镜片 就将电珠发出经导光纤维传送到支杆头部的光线反射一次，该反射经另一组导光 纤维传送至光敏三极管，转换成电脉冲讯号，送至计数器进行计数。电珠与光敏 管都安装在支杆尾端，这样有利于减小对水流的干扰，提高叶轮旋转的均衡性和 对称性，改善检修的方便性。 1 2 3 热线热膜流速仪 热线热膜流速仪( h o tw i r e l l o tf i l ma i l e m o m e n y ，简称h w f a ) 是1 9 1 4 年发明 的，它是利用热对流方程的解来测量流速的仪器。作为电子仪器的热线热膜风 速仪甚至早于机械式的毕托管。自从1 9 0 2 年英国人s h a k e p e a r 提出初步方案并且 进行实际测量和后来的k i n g 提出强迫对流换热模型从而推导出k i n g 公式，热线风 速仪伴随2 0 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。由于其使用方便，频响高且不需要在流场中添加示踪颗粒，对流 场没有透光等苛刻的要求，不但在实验室环境下的流动模型研究工作中，而且在 实际流场的测量中都迅速得到广泛应用1 。 在流场中，加有电流细而短的金属丝，在只有强迫对流的热交换作用下， 金属丝的温度会随流速而变，这种变化和流速之间可以建立一一对应关系，通过 检测这种变化即可得到流速。根据使用不同的探针，可分为热线探针和热膜探针。 热线敏感元件中金属丝材料的选取具有电阻率大、电阻温度系数高、抗拉强度好、 热传导率小和最大可用温度高等特点，一般选用钨丝或镀铂钨丝。热膜敏感元件 是由沉积在热绝缘衬底( 通常为石英) 上的o 1 p m 薄的铂金膜和镍膜构成的，最 3 河海人学硕上学位论文 一般的衬底形状是圆锥性和圆柱形啼1 。 根据热学理论，由傅立叶定律确定传递的热量和换热条件间的关系如下： 日= 一kl 一驴珥以 ( 1 - 2 ) 式中，h 为热量( 大卡) ；k 为流体的导热系数( 大卡米小时) ；刚珥 为温度梯度：f 为换热面积( m 2 ) 。 为使实际计算成为可能，通常以下列牛顿公式作为基础： 日= 办f ( 乃一巧) ( 1 3 ) 式中，乃为流体温度( ) ；巧为放热面温度；办为放热系数，表征换热强 度。其因次为( 大卡米小时) ； 研究表明，办是限制整个过程的很多变量而，镌的复杂函数。即 办= 厂( 五， ) 。热线热膜在流体中的放热总量取决于流体流动的速度；热线与 流体之间的温度差；流体的物理特性；热线的几何形状和物理特性。对于热线流 速仪，热线与流体间的温度差是可被测量的，热线的几何和物理特性是己知的， 如果已知流体物理特性或使其保持为常量，那么就能测出流体的速度。 1 9 1 4 年，金氏( k i n g ) 首先导出热线流速仪的基本关系式： u 2 = ( 彳+ b 甜言) ( 瓦一乃) ( 1 4 ) 式中，么、b 、所由热线的几何形状及热线与流体的物理特性决定的常量， 一般通过实际率定予以确定。 热线热膜流速仪具有空间和时间分辨率高、背景噪声低、测量范围大、对流 体干扰小等优点，在水工水力学、空气动力学实验中得到了广泛应用嫡3 。热线风 速仪的发展经历了很多阶段。目前最为先进的仪器几乎不需要人为调节任何仪器 参数( 尤其是动态响应调节和相应的方波实验) ，面板非常简洁，大部分调节和对 信号的处理都通过软件完成。 1 2 4 超声波流速仪 1 8 4 2 年奥地利科学家多谱勒( d o p p i e r ) 发现：当观察者向着声源运动时，所 接收到的声波会较不动情况下来的频繁，因此，听到的是较高的声调；相反，如 果观察者背着声源运动，听到的音调就较低；假如声源运动而观察者不动，其效 应也相同，这就是多谱勒现象，后来把这种频率变化称为多谱勒频移。 4 第一章绪论 速度y 表征的是单位时间内改变运动粒子和接收器之间的距离，垂直于运 动粒子和接收器之间连线运动不会导致多普勒频移。如果运动粒子和接收器之间 的距离减少，则频率增加；如果运动粒子和接收器之间的距离增加，则频率减少。 通常遇到的粒子速度和声速相比要小得多，则相应的多普勒频移也就小。因此， 不能直接使用上述原理作为实用的测量方法。a d v 采用了脉冲相干( 或纯相干) 处理技术，即发射器发出两个时间滞后分离的脉冲，量测出每一个返回脉冲的相 位，两个脉冲之间的相位差正比于水中粒子的速度，据此求出水中粒子的速度， 即为水流速度。采用脉冲相干处理技术保证了a d v 测量精度耐7 1 ，1 0 m h z 的 a d v 测速范围为o o l c 州s 2 5 0 c 州s 。 1 2 5 粒子图像测速技术 p i v ( p a n i c l ei m a g ev e l o c i m e n y ) 技术源于固体应变位移测量的散斑技术， 第一次将这种技术引入流场测量的是a d r a i n ，他将p i v 技术按示踪粒子成像浓度 分为激光散斑技术( l s v ) 、粒子图像测速仪( p i v ) 和粒子跟踪测速仪( p t v ) 。 由于它可以直观反映瞬时全场流动信息，具有单点测量技术无法替代的优点。与 l d v 技术相似，p i v 技术仍然反映的是流动中示踪物的速度，但p i v 巨大的优点 是它可以得到瞬时全场速度分布，这样对流动结构的反应就不再是统计时均的 结果，而是真实的瞬态信息。 粒子图像测速技术的基础是流动显示，利用在流体散播跟随性好的示踪粒 子，在强光的照射下，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信息，粒子的速度信息即反映了对应流体质点的运动信 息。脉冲激光光源通过球面镜和柱面镜形成脉冲片光源，照亮流场中需要测量的 流动区域；在两个( 或多个) 瞬时时间点上用c c d 相机记录下流动区域中示踪 粒子的图像；将数字化的图像送入计算机，对图像矩阵进行自相关或互相关运算， 得到特定时间间隔内示踪粒子的位移，如果示踪颗粒的跟随性足够好，由此即可 获得流场各点的速度信息。为了得到比较好的粒子图像，一般采用激光器作为光 源。粒子图像测速一般包含4 部分：示踪粒子、光源及片光产生系统、图像记 录系统、图像后处理系统哺，。 p i v 技术突破了空间单点测量技术的局限性，可在瞬f b j 记录下一个平面( 激 光片光) 内的流动信息。通过对连续多个瞬态速度场和涡量场的对比和分析，可 以深入研究非定常流动的瞬态过程及其流动细节，具有空间分辨力高、获取信息 量大、不干扰被测流场和可连续测量等强大优势。利用s c h e i m p f l n g 原理( 即物平 面、c c d 镜头平面和像平面相交于一条直线时，也可以清晰成像) 通过两个c c d 5 河海大学硕士学位论文 在不同方向对同一平面的拍摄纪录，经过放大率和倾斜角度的标定，就可以得 到一个面上的三维速度场，这是目前成熟技术可以得到的最多的空间速度信息 范围，由于受到光源以及平面拍摄的技术限制，真正的体三维测量( 即实现空间 分布的三维速度场) 目前还无法实现。 目前的p i v 发展方向是高速和微流动测量，由此发展的时间分辨p i v 系统和 m i c r o p i v 系统在流场的动态研究和微观流动研究中正在发挥越来越大的作用。就 高速p i v 来说，目前的记录帧数已可以达到l o 1 0 0 k h z ，虽然c c d 高速拍摄时 空间分辨力受到影响，但对流动结构动态信息的反映是前所未有的。先进的快速 算法，如h a r t 相关技术等，利用了现代先进的图像压缩技术，加上计算机处理 能力的不断提高，使得在短时间内处理海量图像数据成为可能。m i c r o p i v 在微流 动中发挥了越来越重要的作用，在毛细血管、机械润滑、m e m s 加工等方面都给 出了重要的结果，目前商业系统在微尺度研究的流动测量尺度已可达1 0 岬量级 【7 】 1 2 6 激光多谱勒流速仪 激光多普勒测速仪( l d v l a s e rd o p p l e rv e l o c i m e 蚵) 测速的原理是利 用流体中运动微粒散射光的多普勒频移来获得流体速度信息，进一步地，利用 入射光和散射光的相位差与颗粒径尺寸呈线性关系可以同时得到颗粒的粒径信 息，由此发展的测量工具称为相位多普勒粒径分析仪( p d p a ) 。 从多普勒效应来说，构成激光多普勒测量的光路有很多种，入射光路和散 射光路可以有不同的布置。目前发展的对实际测量最为合理的双光束一双散射模 型普遍为商用系统所采用，由于其测量与散射光方向无关，这样一个光学探头就 可以同时完成激光束的发射和接收，虽然根据米式( m i e ) 散射原理，后向接收 的光强很弱，但现代光信号放大和光电倍增技术的发展，使得l d v 后向接收的 微粒散射光信号完全可以被有效地检测出来并且准确反映出颗粒速度大小。目前 的信号分析系统可以分析的颗粒运动速度大小已经超过1 5 0 0 州s ，加上频移技术 的使用，还可以对正负向速度进行准确区分口1 。特别需要提到的是，以往三维速 度分量测量由于光路布置一般采用双探头布置，其中一个探头进行二维测量， 另一个探头进行一维测量，这种光学布置对于空气速度场的测量并没有太大的 问题，但由于水折射率变化的影响，如果将这种布置用于水中的三维速度测量， 随着探头的移动，会出现测量激光探测体不一致的问题，就是说，两个探头不 能聚焦到一点，从而测量结果并不是同一个点的三维速度值。针对水中三维测量 双探头不能聚焦的问题，美国t s i 公司专门开发了单探头5 光束系统，很好地解 6 第一章绪论 决了这个问题。该探头中心光束实际上是两束光的重合，从原理上说还是利用了 双光束一双散射的光路模型。 颗粒的散射光经接收光路由光电倍增管放大转换成电信号后进入关键的多 普勒信号处理器，在这里多普勒信号被检测出来转换成最后的真实速度量。由于 一般的接收光信号中噪声非常强，所以如何有效地提取多普勒信号一直是l d v 技术发展最为关键的部分。在l d v 信号处理的发展历史上，经历了频谱分析、频 率跟踪计数、相关波群检测、离散傅里叶变换等阶段陷，目前t s i 公司最为先进 的信号处理f s a 系列采用相关波群检测和离散傅旱叶分散相结合的方法，配合 信号自动对中的专利技术，大大提高了多普勒信号的检测能力，可以把真实的 多普勒信号从强噪的背景中检测出来。 虽然l d v 技术从原理上说属于非接触式测量，测量过程对流场本身没有干 扰，然而必须注意到，测量直接得到的是颗粒的运动速度，而非流体速度，即 存在所谓跟随性的问题，也就是说颗粒是否能随时跟随当地点流体的速度。一般 来说，颗粒粒径的影响要大于其材料密度的影响。经过理论分析计算和实验结果 的对照，一般认为，水中1 0 岬左右的颗粒，空气中1 “m 左右的颗粒即可以满足跟 随性需求，在实际的选择过程中，为了保证颗粒的球形度和散射光强度，一般 在水中使用5 1 0 岬的空心镀银玻璃球，空气中使用专门的油雾发生器，可以 产生1 5 岬的油滴。以上跟随颗粒l d v 仪器厂商也会作为仪器的一部分提供给 用户，确保测量数据的可靠性。当然，在高速或强脉动的流场中对颗粒跟随性的 分析必不可少，有时会成为无法消除的系统误差之一，但需要给出合理的估计。 尽管如此，l d v 仍然是湍流研究的重要手段，尤其在一些小尺寸的结构中。 由两束相干激光交汇组成的探测体为椭球形，一般其短轴尺寸在1 0 0 m 以下， 甚至在2 0um 以下，这种测量空间分辨力是h w f a 无法企及的。 随着光学、电学、信号处理技术以及制造技术的飞速发展，l d v 仪器发展非 常迅速，今天仪器的处理能力和得到的流场信息己远非它们的发明人所能想象。 然而，从流场测量方式来说，这些方法都是点测量方法，对空间结构变化的反 映无能为力，这就对湍流研究中核心的漩涡结构的研究带来障碍。 1 2 7 流速仪对比 毕托管作为古老而经典的流体压力测量工具由于其在很多工业应用场合可 以很方便地换算出或者估计出流速的大致范围，由于原理和操作简单，毕托管是 应用最为广泛、历史最悠久的流速测量仪器，至今仍然广泛使用，特别在流量测 试领域，如室内通风、管道流量计量等方面的产品大都利用总静压差的形式测量 7 河海大学硕上学位论文 出流速大小。但只能进行一维测量，测量误差较大，一般地，毕托管测量无法达 到很高的频率响应( 低于l oh z ) ，对实际流场干扰较大，探头尺寸在毫米到厘 米量级。压力检测端大都采用压力传感器通过二次仪表显示压力变化或者直接换 算成速度值显示。由于其使用非常方便，有时在一些特殊场合，如需要考虑压缩 性的高速气流测量，通过标定和一定过程的理论修正，也可用于流速测量。而且 毕托管的进口必须深入到测量点，干扰了流体形态，不适合紊流及边界层的测量。 旋桨流速仪也只能进行一维接触式测量，干扰流体形态，不适合紊流和边 界层的测量。在测量流体速度较大，测量精度较高，流体速度小时，测量误差大； 测量流体必须达到使旋桨转动起来，否则无法测量，存在测量死区。旋桨在运行 一段时间后，旋桨转速与流体速度之间的转换关系式需要重新率定，否则误差较 大，另外，利用旋浆流速仪往往受水深的制约，在水深较浅情况下其测量的精度 很难保证或根本无法测量。 热线热膜流速仪( h w f a ) 空间、时间分辨率高，背景噪声低，可进行三 维测量。虽然热线风速仪有无法弥补的原理性缺陷h 1 ，如热丝长细比、需要标定 等，而且又是接触性测量方式，对被测流场产生干扰，然而由于测量过程对流 场特殊性要求少，测量过程相对简单，至今仍是湍流研究的重要工具，随着信 号处理技术和电子电路技术的发展，热线风速仪的应用水平也在不断发展。在流 场不透光、示踪颗粒播撒困难、大尺度实际流场测量中，热线风速仪仍然是不可 替代的。由于测量基于热丝与周围流体间的换热，对周围介质最大的要求就是污 染小，周围环境对热线探头的干扰小阳1 。当然，需要校准过程并且需要其他的测 量流速方法校准也是使用中的限制因素，在很大程度上限制了热线风速仪测量 精度的提高。 激光多普勒测速仪的最大优点在于测量的非接触性，但强调它是非接触式 测量的同时必须说明其测量结果并不是流体流动的速度，而足示踪颗粒的速度。 现代的l d v 系统的速度采样频率可以达到l m h z 以上，表面上看完全可以作为湍流 研究的最强有力的工具，然而，实际颗粒的跟随性是非常复杂的问题，很多方面 的理论问题至今也没有定论。另一方面，颗粒的播撒、实际颗粒散射光信号的强 弱都在很大程度上影响最终速度采样的质量和准确性。在实际仪器操作过程中， l d v 系统涉及激光光路、入射及接收光路、光电倍增管、信号处理器等多方面的 调整，实验过程不易掌握，不同的测试对象经常会表现出差异很大的特异性。尽 管如此，由于透光性要求相对较低，不同波长的散射光的分离容易做到，测量 范围达3 0 0 1 5 0 0n l s ( 经过特殊的光路布置测量速度还可提高) ，所以在特殊的 流场中，如燃烧、超音速等问题中仍然是不可或缺，有时几乎是唯一的流动速度 测量方法u 引。 8 第一章绪论 超声波多谱勒流速仪( a d v ) 和激光多谱勒流速仪( l d v ) 一样都是利用 多谱勒效应进行三维速度测量，时间、空间分辨率都较高，测量时无需率定，直 接得到流速数据。对于a d v ，由于声波在空气和液体中传播速度不一样，所以 在测量流体时，需要将发射和接收探头置于液体中，虽然测量点到发射和接收装 置有一定的距离，但仍会干扰流态。 上述流速仪都只能进行单点测量，p i v 技术的产生被认为是流动测量领域的 一次革命，因p i v 可进行全场瞬时测量，不干扰和不破坏流场形态，人们也终 于可以在看见结构的同时同步得到其定量的速度场信息了。但p i v 技术涉及光 学、图像处理等技术，对实验操作人员要求较高。p i v 靠测量流体中示踪粒子的 速度来获得流体速度，对示踪粒子的跟随性要求高，示踪粒子在流场中的分布浓 度也影响到相关运算效果，浓度太低，相关运算效果就差，另外示踪粒子的播撒 技术也是影响p i v 测量精度的因素之一，同时，粒子的碰撞问题也是需要克服的 关键技术之一。在p i v 进行二维测量时，测量的是片光照射平面上的流场，由 于片光始终存在一定的厚度，所以测量的结果是示踪粒子三维运动在片光平面上 的投影，存在一定的误差h 。三维测量时，仍存在很多需要改进的地方。 p i v 技术的优点和应用范围是非常清晰的，目前由于图像采集和处理速度 仍然受到限制，p i v 系统的时间采样频率仍然不能与热线和激光相比。然而，由 于原理上的巨大优势，越来越多的人开始关注并投入该技术的研究。在流速测量 技术中，p i v 的发展速度是最快的，国际上每年都有专门的会议讨论其进展和 应用；商业公司的产品的发展也非常迅速，目前对速度的测量范围已经达到 l d v 的测量上限。相信在不久的将来，随着图像采样频率的进一步提高和光学 系统的发展，体三维在空间和时间都达到对实时空间湍流结构的高分辨力测量 将很快实现，这就为人类尽早解开湍流的谜团提供了强有力的实验武器。然而我 们不能忘记的是，p i v 测量的结果仍然只是颗粒的运动速度，颗粒速度和流体速 度之间仍然存在“跟随”的问题。 从以上的介绍可以看出，目前四种基本的流速测量手段各有特点，各有应用 范围，四种方法各有优势和缺陷，都不可能互相替代。从速度量本身来说，它不是 基本量纲，是长度和时间的导出量。然而实际过程中，从准确的长度尺度和时间尺 度出发去建立速度测量标准是极为复杂的过程，特别是流体运动速度的标准。另 一方面，流体运动本身的复杂性和人们对它认识的局限性使得这种装置建立本 身就带有很大的局限性。目前在速度场标定中应用较多的方法除了上下游静压差 法之外，就是应用l d v 系统进行。 总体来说，在精度和灵敏度方面，目前最精确的仍然是l d v 系统，该系统也作 为其他仪器的标定仪器。另外由于其非接触测量和小尺度的测量，空间分辨率在 9 河海大学硕士学位论文 目前的测量仪器中也是最高的。 1 3l d v 参数及应用研究现状 激光多普勒测速仪是利用激光多普勒效应的原理测量流体或固体运动速度 的一种非接触式测量仪器。它利用流体中的示踪粒子或固体表面的散射粒子对入 射激光进行散射，并利用光电探测器检测此散射光发生的频移，根据其中所包含 的速度信息( 粒子散射光的频移与粒子速度呈严格的线性关系) 得到流体或固体 表面的运动速度。 l d v 系统分为硬件部分、信号采集部分和处理显示部分三大块。目前应用 研究工作主要可以分为四类，一是光路结构及硬件配置安装等的影响；二是软件 参数设定对测量结果和信号分析处理的影响；三是光路布置情况的影响；四是测 量环境的影响。由于l d v 实际测量的是流体中示踪颗粒的速度，示踪颗粒大小 及示踪颗粒浓度等环境参数对测量结果的影响是人们最为关心的问题之一。对 l d v 性能、结构、应用情况等的研究目前已经非常丰富，国内以应用研究为主， 国外对影响因数方面研究相对较多。 1 3 1l d v 系统散射颗粒信号区分技术 l d v 目前已经是测量透明单相流动速度的最有效的方法之一1 。它是通过测 量流体示踪粒子的速度而得到流体速度的。对两相流或者流体中含有除示踪粒子 外的其他散射颗粒，由于很小的示踪粒子和分散相粒子同时能产生散射光，因此， 直接统计得到的流速信息是各散射信号的统计值，要获得流体速度或者水流中散 射颗粒的速度，首先必须设法区分来自流体示踪粒子与分散相粒子的多谱勒信 号。大致分为四类区分方法： ( 1 ) 根据信号幅值来区分 信号幅值与粒子大小间有一定比例关系，示踪粒子和分散粒子间尺度相差很 大，其信号幅值也会有较大差别2 。，据此便可区分两相的信号。 ( 2 ) 根据粒子的遮光性来区分 在示踪粒子和分散粒子尺寸差别较大的前提下，同时用光电倍增管( p m t ) 和光电二极管测量散射粒子的d o p p l e r 信号和散射粒子对入射光束的遮挡信号。 较大分散粒子通过测量体时，入射光束被该粒子挡断，只有光电倍增管的d o p p l e r 信号有输出，光电二极管无输出，而示踪粒子很小，小于l d v 测量体它穿越测 量体时入射光束不会被挡断，光电倍增管和光电二极管都有输出，由此可区分两 1 0 第一章绪论 相速度n 朝。 ( 3 ) 根据荧光吸收来区分 将示棕粒子或者分散粒子中的一种涂上荧光颜料( 如荧光素二钠盐或者若丹 明颜料等) 。由于荧光波长( 5 2 0 5 6 0 m ) 不同于l d v 激光且不相干，接受、识别 不同波长的光，即可区分出两相信号。 ( 4 ) 根据所测的速度概率分布来区分n 铂 m 撕e 和l a l l c e 副发现，分散相浓度很低时，l d v 测得的两相流动速度和概 率密度函数有两个峰值，可分别代表流体和分散相的速度。 前3 种方法需要额外的设备和复杂的数据处理，而且，由于入射激光束的 光强分布不均匀( 高斯分布) ，分散相粒子从测量体边缘通过时也会产生一个很 底幅值的多谱勒信号或不能完全挡断入射光束，在第一、二中方法中都可能被误 认为是示踪粒子，第四中方法相对简单易行，但当两相速度相差很小，概率分布 函数重叠很多时便难以运用。若分散相含有几微米的粒子，除第三种方法外，都 难以区分开两相信号。 1 3 2 利用l d v 信号测量粒子大小 l d v 通常只用于速度测量，其实l d v 光检测器输出的多谱勒信号中不仅有 粒子速度的信息，而且同时还包含有粒子大小、浓度以及影响粒子散射光波特性 的其他信息。自f a m e r 【1 6 l 的工作以来，许多理论和实验研究人员进行过大量利 用l d v 信号来测定散射粒子大小与浓度的工作【1 7 1 引，较为著名的有信号可见度 ( v i s i b i l i t y ) 和信号基底幅值( p e d e s t a l 锄p l i t u d e ) 两种方法。根据f 锄e r 的分 析，散射粒子信号的可见度净( 最大信号强度最小信号强度) ( 最大信号强度 + 最小信号强度) 与粒子直径d 和干涉条纹间距( 万，) 之间有固定关系，当d 5 万，后，可见度便不再是粒径 的单值函数。实践表明，可见度方法只适应于粒径很小的粒子测量，动态范围很 小，只能准确到5 0 u m n 7 。 l d v 信号基底幅值法也是基于粒子散射光强的方法，但用基底幅值实现起来 往往比可见度更容易些。在粒子、光源、光路都确定下，信号的幅值便主要取决 于粒径和粒子从测量体经过的路径，因此若能知道粒子的路径，便可由信号幅值 确定粒子大小。一般都用标定法来建立信号幅值与粒径的关系。实践表明在 1 0 2 0 0 岬范围内能找到信号幅值与粒径的单值对应关系，而不通明粒子，越大 于9 0 肛m 以后也能找到令人满意的关系。u n g u t u 叫在1 9 7 8 年就利用l d v 信号峰 河海大学硕：b 学位论文 幅值测量过3 0 2 4 0 p m 的燃料油喷雾的粒子尺寸分布，a r s t o o p o u r 和y a n g 乜们根据 上述思想，用示波器记录后处理得到标定曲线，成功测量过循环流化床中不同位 置处的粒径分布。 一般来说可见度适合小于条纹间距的微小粒子，而信号基底幅值适合测定大 于条纹间距的粒子，两者都需要另外的设备记录信号幅值，都需要预先标定粒径 与信号可见度或者幅值的关系。 目前发明出最新的p d p a ，利用不同信号间的相位差技术测量颗粒大小的方 法。在利用多谱勒信号频率测量通过测量体的粒子速度的同时，利用设定接受角 度和问距的两个光电倍增管多谱勒信号间的相位差测定该粒子的大小乜，根据所 测得的粒子大小与速度的对应关系便可方便地获得两相速度。由于信号间相位差 是光束穿过粒子时的光路长度不同引起的，它不取决于信号强度，故比l d v 测 量更可靠，目前己用于旋风炉等较复杂的两相流动测量，而且得到了较好的效果 2 l 、2 2 】 1 3 3 利用l d v 系统测量粒子浓度 分散相粒子的数量密度、体积流率、体积浓度等两相流动的重要参数用l d v 也能进行测量。因为粒子到达测量体的速率是直接与粒子浓度有关的，这在文献 【1 4 、2 3 、2 4 、2 5 】中有提到。为准确测量粒子浓度，除了要准确测量粒子的大小、 速度、准确累计所有通过测量体的粒子数，还要准确地测定测量体的尺寸，但由 于激光束的光强是非均匀分布的，散射粒子的测量体大小是粒径本身的函数，目 前还没有找到散射粒子大小与其测量体尺寸间的绝对函数关系口引，因此，如果流 动中的粒子是平行于仪器的测速方向运动，那么浓度测量是可靠的，若粒径经过 测量控制体的路径与仪器的测速方向有一个夹角，则测量便会产生相当的误差， 此外所有影响粒径、速度测量的因素都会影响浓度的测量，凡是因信号质量不好 被信号处理器舍弃的粒子也将降低浓度测量的精度，总之，l d v 系统只能测量 低浓度情况，而且只能得到一个绝对浓度的粗略值。s a 胁a n 口7 1 等估计用激光多 普勒测量粒子浓度的精度最多大约只有2 5 。认为只能测量浓度小于l 的流动 流体。f m c k e 嘲1 试着利用采样得到的颗粒数来进行密度计算，其实验的粒径为 2 5 0 、3 5 0 、4 5 0 p m 三种，在固定转速的转盘周边布置上面三种颗粒，发现颗粒影 响流速在1 以内。由于其使用的浓度非常低，所以测量浓度结果并不满意。目 前t s i 公司最新的p d p a 在测量粒径的同时测量浓度，虽然理论认为可以同时测 量颗粒粒径和浓度，但目前关于浓度精确测量的研究并不多见。 1 2 第一章绪论 1 3 4 流速测量影响研究 流速测量目前主要从两个方面来考虑，一是测量流速的修正，另外一个方面 是测量点分辨率的研究。 由于不同速度的颗粒通过测量控制体的概率不同，所以在一定时间内快速粒 子获得的概率多，而慢粒子获得的概率相对比较少，这样统计分析得到的平均流 速将比实际平均流速偏小，文献 2 9 、3 0 、3 1 均给出过偏置修正说明。沈熊、于 和型3 羽认为低湍流度和高数据率数据的统计可信度较高，在高湍流度和低数据率 时就需要考虑偏置( 包括速度偏置和条纹偏置) 对数据统计的影响。g o u l d 口3 1 也 分析了偏差，其结论与前面研究类似，在快粒子数据明显比慢粒子多的时候导致 统计的结果比实际结果偏大，进行了偏差修正。m i z u e 口钉等人选择了另外一个修 j 下方式，就是对采样流速数据进行3 倍偏差修正，结论更符合理论流速分布，其 认为在高数据率统计条件下用该方法很必要。 另外一个因素是提高空间分辨率方面的研究，在l d v 系统中，确定给定的 流场的分布是非常重要的，而流速分布的空间分辨率主要受到探测体大小尺寸限 定，因为探测体占有“相当大”的体积，l d v 系统测量这个测量控制体作为一 个点单元的平均流速，这对高紊动流体紊动尺度测量有影响。来自于两个探测体 作用平滑数据的时间方法至少可以提高空间分辨率一个数量级陟3 ，并且沿着光轴 方向的小尺寸流速分布不移动探测器也可以测量。不改变光学设置也是必要的， 提高的空间分辨率将帮助在流速变化迅速的区域获得更精确的数据，在平面流 中，探测体体积有几微米的放大，在非垂直布置情况下，该方法对平面流的限定 是将需要一个二维l d v ，但这个布置在很多三维系统中也是可用的。尤其在空 气剪切流测量情况下，与激光束直径一个数量级的高分辨率比标准l d a 测量体 被更需要，因此，在过去，很多不同方法被提出来改进空间分辨率，所有的这些 方法适用于感性趣的段选择点测量的连续流速测量。后来，技术发展到即颗粒测 量粒子散射颗粒的流速，同时也可以测量探测体内局部点的流速。这个方法即减 少固定位置，增加空间分辨率，测量传统测量控制体内的小的分布。 在多维l d a 系统中，传统增加空间分辨率的方法主要是作用同步窗口技术 获得给定时间间隔内唯一的信号，和减少探测器体积。取代丢弃同步窗口外的信 号的方法是用多通道存储器同步记录所有流速信号，并发送到计算机中。每组信 号到达时间的偏差等于两个测量体中散射颗粒漂移时间，这个时间是路径的函 数。 标准l d a 信号分析并不能精确的记录在同步模式下的信号停留时间，唯一 的方法是设定两个信号