《现代流场测试技术》复习

1《现代流场测试技术》

复习

2/90现代流场测试技术基本问题测试技术的水平直接影响科学技术的发展，而科学技术的发展也推动了探测技术的变革；流场测量的物理量主要包括：速度场、温度场、密度场、压力场、粒度场等；现代流场测试技术的重要标志是激光及相关技术的应用；3/90现代流场测试技术发展现状从稳态向瞬态发展从逐点向全场发展从二维向三维发展从接触向非接触发展从非实时、非在线向实时、在线发展4/90课程主要讲授内容现代流场测试基础：激光与CCD光散射粒度测量激光多普勒测速（LDA）相位多普勒粒径测量（PDPA）粒子图像测速技术（PIV）全息干涉流场测量激光诱导荧光法（LIF）流场测量5/90激光（LASER）

－定义LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation（LASER）1964年，按照我国科学家钱学森建议将“光受激发射”改称“激光”。

6/90激光（LASER）

－激光形成过程高能级态的原子，在能量光的作用下，由高能级态跃迁到低能级态，并辐射出与入射光波的相位、偏振、频率及传播方向相同的光波。这种过程叫受激辐射。通过泵浦激励使工作物质实现粒子数反转，受激辐射产生大量特征相同的光子；通过谐振腔对所产生受激辐射光束的方向、频率等加以选择，从而产生单向性、单色性、强度等极高的光束，形成激光。7/90激光（LASER）

－激光的特点单向性好谱线窄、单色性好能量密度大、亮度高相干性好8/90激光（LASER）

－激光器通常把激活物质、激励能源和谐振腔三者一起统称为激光器。按工作物质分类

：固体激光器、气体激光器、液体激光器和半导体激光器。按激励方式分类：光泵式激光器、电激励式激光器、化学激光器等；按运转方式分类：连续激光器、脉冲激光器。9/90电荷耦合器件（CCD）英文名：ChargeCoupledDeviceCCD是一种半导体装置，能够把光学影像转化为数字信号。CCD上植入的微小光敏物质称作像素（Pixel）。CCD的工作原理由微型镜头、分色滤色片、感光层等三层；10/90CCD的构成由一系列紧密排得的MOS（金属-氧化物-半导体）电容器组成；在衬底和电极间加上偏置电压，形成一个MOS电容器；电极下半导体内的空穴被排斥，产生耗尽层，对于电子而言是一个势能特别低的区域，因此也叫“势阱”；氧化层金属栅电极GP型半导体耗尽区（势阱）反型层

UG>Uth光投射到MOS上时，衬底每吸收一个光子，就会产生一个电子-空穴对，电子被吸引到电荷反型区存储。光越强，势阱中存储电荷越多，这样把光强转换为电荷数量。11/90线阵CCD电荷包读取将一定规则变化的电压加到CCD各电极上，电极下的电荷包就能一个像素一个像素地沿半导体表面朝一个方向移动。从而实现CCD阵列内一个线阵CCD电荷包的读取。

12/90示踪粒子选择要求流体内跟随性较好良好的光散射性易于生成、价格低廉无毒、无腐蚀、无磨蚀的不挥发或蒸发得慢化学性质稳定清洁、无污染13/90激光全息流场测量14/90激光全息术

－全息照相1948年，英国的盖伯(DennisGabor)提出了新的成像原理，即全息术。全息照相是指利用光的干涉原理，记录了物光中的全部信息，包括位相，有立体感。15/90全息照相与普通照相对比16/90激光全息术

－全息照相过程全息照相是一种两步成像法：“记录过程”和“再现过程”。记录再现17/90激光全息术

－全息干板干涉条纹一张摄制的全息图记录的是一组“无规则”的条纹该条纹记录了来自被摄物体发射出的光波的振幅和位相。与光波的振幅和位相对应的是干涉条纹的灰度和条纹间距。处理完成的全息干板18/90激光全息术

－同轴全息盖伯1948年制作的全息图属同轴全息图，光源、物体和全息干版在同一轴线上；由于物光束O的存在，使得在摄制实像时，同时遇到一个由物光束O产生的离焦的孪生像，严重影响所摄的像的清晰度。19/90激光全息术

－离轴全息为了消除全息图中的孪生像问题,利思一乌帕特尼克斯提出离轴全息技术;所谓离轴全息是指参考光束同测试光束是分开的，在全息底片上测试光束和参考光束成一定夹角，便于再现。20/90同轴全息的优缺点21/90同轴全息的优缺点22/90激光全息术

－全息干涉测密度场流场密度变化将引起基底干涉条纹的平移和弯曲。基底干涉条纹的这种变化和流场密度变化之间有着定量的关系。设干涉图片测得干涉条纹之间的初始距离为d0，干涉条纹的移动量为Δd，则受扰动的流场密度ρ与未受扰动的流场密度ρ0之间有如下关系

23/90激光全息术

－全息干涉测温度场定压条件下进行测量，则气态方程为根据密度与干涉条纹间的关系得温度为24/90激光全息术

－全息干涉测温度场实例

ε=1处：N=1ε=1处：N=225/90光散射粒度测量26/90光散射光束通过不均匀介质时，部分光束偏离原来方向而分散传播，从侧向也可以看到光的现象，叫做光散射，包括反射、折射和衍射；介质中存在其它物质微粒，或介质本身密度不均匀，如密度涨落，这些是引起光散射的主要原因。27/90光散射理论1871年，瑞利(LordRayleigh)首先提出了著名的瑞利散射定律，并用电子论的观点解释了光散射的本质，指出散射光强度与入射光波长的四次方成反比。瑞利散射定律的适用条件是散射体的尺寸要比光波波长小。1908年，Mie（G.Mie）通过电磁波的麦克斯韦方程，解出了一个关于光散射的严格解，得出了任意直径、任意成分的均匀粒子的散射规律，这就是著名的米氏理论。28/90瑞利散射与Mie散射当粒子尺寸增大时，前向散射与后向散射之比增大，使粒子前半球散射增大；当粒子尺寸很小时，米散射结果可以简化为瑞利散射；当粒子尺寸很大时，它的结果与几何光学结果一致。29/90激光散射测颗粒特性

－颗粒及粒度颗粒是处于分割状态下的微小固体、液体或气体，也可以是具有生命力的微生物和细菌等。颗粒粒度是表征颗粒物粒径大小的参数。当颗粒形状不规则时，以物理特性相近的球体粒子的直径作为被测颗粒的等效粒径。30/90粒度测量基本过程从激光器发出的激光束经聚焦、滤波和准直后，变成平行光束；该光束照射到待测颗粒上，发生光散射；散射光经透镜聚焦后，照射到光电探测器阵列上；光电探测器阵列由一系列同心环带组成，能将投射到上面的散射光强转换成电压，然后输送给数据采集卡；数据采集卡将电信号放大，再进行A／D转换后送入计算机。31/90粒度测量原理图示相同粒径的粒子在同一散射光方向具有相同的散射光强；粒子粒径越大，前向散射光越强；同一方向的散射光被透镜聚焦后，能汇聚在焦平面某一对应半径的圆环上；32/90系数矩阵标定首先取若干具有特定半径的球形颗粒样本，粒径分别为：d1,d2,d3,…,dn对于第j个粒子，由于单位质量颗粒的粒子数正比于1/dj3，因此探测器第i个探测体接收到光强定义如下：θi表示第i个探测体对应的散射角33/90探测光强的线性方程组探测范围内n种不同粒径样品单位质量颗粒散射在所有探测体上的接收光能组成一个矩阵：wij表示单位质量粒径为dj的颗粒在第i个探测体上的接收光能。矩阵各列表示同一粒径在各个探测体上的接收光能；矩阵各行表示同一探测体接收不同粒径散射光的光能；34/90随着颗粒粒度增大，后向散射减弱，前向散射增强。激光散射测颗粒特性

－光散射特征35/90激光散射测颗粒特性

－粒度测量试验系统36/90当N1=1，N2=1，N3=1时，S1=2.29，N2=2.05，N3=1.92当N1=1，N2=3，N3=2时，S1=4.35，N2=4.03，N3=3.82激光散射测颗粒特性

－求解粒径浓度举例37/90小粒子的光散射粒度测量38/90激光散射测颗粒特性

－粒度测量仪欧美克粒度测量仪MZ粒度测量仪39/90激光多普勒测速40/90多普勒效应多普勒效应是指由于波源、探测器的相对运动而引起探测频率与波源发射频率不等的现象；当波源与接收器相互靠近时接收频率变高，而当波源与接收器相互远离接收频率变低。多普勒效应不仅仅适用于声波，它也适用于所有类型的波，包括电磁波。

水波的多普勒效应（波源向右运动）41/90多普勒测速基本原理激光多普勒速度仪（LDA）是利用激光多普勒效应测量某一位置的颗粒运动速度。粒子接收到光的频率光检测器接收到散射光的频率多普勒频移42/90多普勒测速基本原理通常情况下，将激光入射方向与光检测器检测方向以流向对称分布，eR

-eO方向与速度方向重合，该方向可以简化为：多普勒频移为：e为eR

-eO方向单位向量43/90激光多普勒测速技术

－外差法基本模式光学外差法是一种通用的激光多普勒检测技术。所谓外差检测简单地说就是通过两路光干涉，由光检测器的平方律效应来实现多普勒频移的判读。双光束双散射外差模式是利用两束不同方向的入射光对粒子在同一方向上的散射光汇集到光检测器进行外差的方法，该方法是目前最常用的光检测模式。44/90激光多普勒测速技术

－双光束光路-条纹模型两束入射光相交，存在着一个由明暗相间干涉条纹组成的椭圆区域，为多普勒测速的探测区域，也称为探测体。45/90双光束光路光腰处相交由于准直后的激光光束为球面波，只有在光腰处呈现为平面波，因此两束激光相交时必须在光腰处进行相交，否则会引起探测体的畸变。只有透镜焦前束腰离透镜一倍焦距处，透过透镜的束腰才能与透镜焦点重合，因此透镜里激光器光源出口不能太远，可以通过光准直器进行调节；46/90激光多普勒测速技术

－条纹模型条纹间距光强变化频率47/90激光多普勒测速技术

－条纹模型频移公式推导48/90激光多普勒测速光路示意图LaserBraggcellColoursplitterPMPMFibremanipulatorsSinglemodepolarisationpreservingfibresFlowBackscatteredlightMultimodefibreMultimodefibreInterferencefiltresColoursplitterSinglemodefibres49/90二维激光多普勒测速采用两对光，分别测得x，y方向上的多普勒频移，则可以获得这两个方向上的速度。50/90三维激光多普勒测速51/90激光多普勒测速多普勒信号电流由两部分叠加:(1)最大振幅为id呈高斯分布的基底,这是入射光强分布所致;(2)包络为高斯分布的余旋信号,这是两束散射光相干涉的结果.52/90多普勒信号处理两部分组成：(1)低频基底信号；(2)多普勒频移信号。经过傅立叶变换，可以得到多普勒信号频谱信息53/90激光多普勒测速方向判别对多普勒信号的检测是由电流信号获得，无法获知多普勒频移的正负，因此造成粒子方向的模糊；在两束入射光路中插入两个频移器件，使激光频率分别改变fs1和fs2，因此新得到的多普勒频移包括粒子速度产生的频移与设置的频差：如果正方向：fD

>fs负方向：fD

<fs54/90粒子对多普勒信号的影响A：一个粒子穿越条纹区；B：两个大小相同的粒子同时位于条纹区的亮条纹或暗条纹；C：两个粒子，分别位于亮条纹和暗条纹位置；D：三个粒子，两个在亮条纹上，一个在暗条纹上。55/90粒子大小对多普勒信号影响A：一个小粒子穿越条纹区；B：一个大粒子穿越条纹区。56/90相位多普勒测粒径57/90相位多普勒粒子分析仪PhaseDopplerParticleAnalyzer简称PDPA它是由激光多普勒测速仪（LDA）发展而来的，至今已有近二十年的历史。它是在LDA测速的基础上，同时测量粒子的粒径。58/90相位多普勒

－粒径测量基本原理光程长度随检测器位置不同而变化；倘若合理安排两个检测器，检测到散射光信号脉冲存在△t的时间延迟，则相位差为大颗粒产生的多普勒脉冲之间的相位差比小颗粒产生的相位差大。12=2f•t59/90相位多普勒

－粒径与速度测量在一台普通的激光多普勒测速器光路上增加两个光接收器，就可以用来同时测量粒子的流速与粒径。60/90PDPA的特点速度和粒径同时测量；非接触式在线测量；绝对测量技术（不需要标定）；非常高的精度；非常高的空间分辨率（小测量体积）；测量对象包括：水滴、气泡、固体颗粒；测量范围：粒子大小在0.5μm和几个毫米之间；粒子介质的同质性有要求，微小的不均匀性可以接受；粒子的折射率和连续介质通常必须已知；最大粒子数浓度有限制；61/902π周期模糊及消除当粒径增加，相位差也随之增大至2π时重新从零开始，这样造成粒径辨认的模糊，被称为2π周期模糊。不对称放置的三个检测器，13确定粒径范围，

12精确确定D值；62/90轨迹效应（Trajectoryeffect）由于激光束的光强呈高斯分布，当运动的粒子穿越测量体的边缘时，导致反射光光强高于折射光，这样在以折射光模式测量时反射光被误判为折射光，产生测量误差。这中误差在粒径在大时比较明显。63/90狭缝效应（Sliteffect）狭缝效应是指粒子在接收狭缝边缘时，由于狭缝对散射光的部分遮挡，导致接收器接收与测量模式不相对应的散射光，产生的误差。64/90双模PDA两对光检测器，垂直布置，共同确定径。提高精度，能够在一定程度上消除轨迹效应与狭缝效应；65/90相位多普勒测量的镜头摆放空气中的水滴折射：30º~75º，最佳73.7º

采用平行偏振光反射：83º~115º

采用垂直偏振光二次折射:144º~149º

采用平行偏振光66/90粒子图象测速技术67/90基本概念ParticleImageVelocimetry

简称PIV主要是通过判读粒子像的位移来换算该粒子的速度；目前PIV主要用于测量二维平面整个速度场上的速度矢量（片光源所在平面）；如果测量的是烟雾等粒子速度，可以直接获得该粒子速度；如果测量透明液体速度场，则采用示踪粒子的速度代替当地流体流速；68/90基本原理假设得知两个时刻的粒子图像，求得该粒子图像的位移△X与△Y，则可以获得该粒子速度。69/90粒子图像70/90粒子诊断PIV的粒子图像诊断不是追踪某一个粒子；是将整幅图像划分为若干判别区，在判别区内进行统计处理，从而获得一个速度矢量；因此划分多少判别区，就可以获得多少个速度矢量；对于PIV来说，在每一个判别区内像密度一般是10-20，一个粒子像点直径大约在10-20个像素。71/90粒子诊断的主要方法光学方法测量干涉条纹的间距和方向数字图像技术傅立叶变换法空间相关法72/90Dantec系统主要组成两台Nd:YAG激光器激光器片光源调节装置CCD同步装置电脑及处理软件73/90CorrelationCoefficient图像2粒子图象测速技术

－空间互相关法诊断粒子74/90粒子图象测速技术

－光路调节对焦装置槽道中对焦板激光照射对焦面对焦面图像激光片光源打到对焦面板上，调片光源位置；CCD拍摄对焦面板图像，调节焦距。75/90粒子图象测速技术

－根据粒子像调节曝光与激光能量过渡曝光曝光不足正常曝光76/90粒子图象测速技术

－可获得流场速度矢量湍流边界层绕流的卡门涡街77/90粒子图象测速技术

－三维PIV测速双CCD-PIV层析PIV全息PIV

78/90粒子图象测速技术

－目前常用的3D-PIV（立体照相法）在原二维PIV系统基础之上，利用类似于生物双目视觉原理，使用两套数字式粒子图像测速装置，空间上按照一定倾斜角度同时拍摄实验区域，通过得到的两套二维速度向量场，再合成计算三维速度向量场结果。双CCD布置速度合成79/90辛普发拉格条件在直接投影体系中物体透镜、像平面必须是共线的，才能得到清晰的焦点；该条件是摄像机配置的明确的选择，它的优点是在测量平面的所有点都被聚焦到像平面，使之有可能测量更宽范围的测量区域。具体方法：如果物平面A-A，像平面B-B和镜头平面C-C相交在一个共同点D就可以达到辛普发拉格条件。80/90粒子图象测速技术

－立体照相法PIV测速效果图81/90激光诱导荧光法流场测量82/90荧光Fluorescence自然界存在这样一类物质，当吸收了外界能量后，能发出不同波长和不同强度的光，一旦外界能源消失，则这种光也随之消失，这种光称为荧光，这种物质被称为荧光物质。荧光物质83/90荧光发射当分子处于单重激发态的最低振动能级时，发射一个光子返回基态，这一过程称为荧光发射。84/90激光诱导荧光法激光诱导荧光技术LaserInducedFluorescence，LIF是采用激光诱导产生荧光，利用荧光激发光谱与发射光谱的特性来进行显示或测量的方法。该方法能够测量流体的密度、温度、速度、压力等；荧光分