流速测量 2教材

激光多普勒流速仪测速

1．概述-激光特性与应用激光是完全新颖的光源，它以高亮度（比太阳光亮1010倍）、高纯度（单色性，比氪灯纯上万倍）、高方向性（既相干性）而著称。因为普通光源向4

立体角发散，而激光的发散角只有10-6rad，因而单位立体角单位面积的输出功率就特别大。

激光在工程中的应用

激光得到越来越广泛的应用。例如，在工艺制造方面，微孔的加工，激光切割，焊接，精密测长、定位等等。在计量科学方面，激光用于测长基准、激光测速、测距、测扭、测压、测角、测温等。在国防科学方面，激光雷达、激光制导、激光通讯、引爆、致盲、激光炮、激光枪等。在全息摄影、光学信号处理、流场显示、医疗、受控热核反应等方面。

激光在热物理测量方面应用

如激光测燃烧雾化颗粒大小和分布（PDA），用于传热传质研究，测量燃烧动力及流场温度，对高能点火中能量释放，研究点火机理，加力燃烧室流场和温度场，等离子射流的浓度场、温度场和速度场等等（LIF）。激光测速仪（LDV）常见的测量速度方法与技术

总压探针与静压探针相结合的皮托管一直是平均速度的主要测量方法。热线和热薄膜风速仪是测量流体瞬时速度、平均速度、均方根速度和速度相关量的主要方法。皮托管构造:头部为半球形，后为一双层套管。测速时头部对准来流，头部中心处小孔（总压孔）感受来流总压p0，经内管传送至压力计。头部后约3～8D处的外套管壁上均匀地开有一排孔（静压孔），感受来流静压p，经外套管也传至压力计。对于不可压缩流动，根据伯努利方程和能量方程可求出气流马赫数，进而再求速度。但在超声速流动中，皮托管头部出现离体激波，总压孔感受的是波后总压，来流静压也难以测准，因而皮托管不再适用。皮托管结构简单，使用方便，用途很广。如飞机头部或机翼前缘常装设皮托管，测量相对空气的飞行速度。机械探头将继续是实验流体力学的重要方法。但接触测量法干扰流场，不可避免地带有方法本身的误差，具有局限性。如对回流区的测量，机械探头会扰动回流图形；对于小尺寸管道中的流动，机械探头会造成堵塞。不适合特殊情况下测试（火焰）对于恶劣的环境(像燃烧火焰)，常常不能使用小尺寸探头。热线和热薄膜风速仪虽然是定量研究紊流结构的主要实验工具，但它仅限于低温、低速、低紊流度、常特性的检测，而且必须在回流区以外。光学速度测试技术具有测量灵敏度高，不干扰流场等优点，有着很强的应用前景。光学测速技术主要有全息干涉法、散斑照相法、激光多普勒测速法和激光双焦点测速法等。激光多普勒测速法(LDV)60年第一台氦-氖激光器诞生，64年世界上就出现了激光多普勒测速仪。20多年来，激光多普勒测速技术有了很大的发展，这是测量技术上的一个重大突破。多普勒测速是通过检测流体中运动微粒散射光的多普勒频移来测定速度的。激光多普勒测速属于非接触测量，激光作为测量探头不干扰流场。激光多普勒测速应用很广:可用于燃烧混合物、火焰、旋转机械、窄通道、化学反应流动、风洞或循环水洞中流动速度的测量等。激光多普勒测速有其突出的优点：

1>如不需要流动校正；

2>不取决于温度、密度和流体成份，仅对速度敏感;

3>取出量与速度成线性关系；

4>动态响应快，等等。

但激光多普勒测速也有其局限性，例如:

1>需要示踪粒子;

2>示踪粒子要与流体一起运动;

3>对介质和实验通道有光学要求，要求光能透过流动等。

1激光多普勒测速的原理

1.激光多普勒效应激光多普勒测速的基本原理：

是依据激光多普勒效应，利用运动粒子散射光的频移来测量速度.因为散射光的频移中包含有粒子速度的信息。声学中的多普勒现象

当你站在火车站台上鸣笛的火车进站时，你感到笛声变得尖了，即笛声频率变高；相反，火车鸣笛离开站台，你会感到笛声变得低沉，即笛声频率变低。这种因波源和观察者相对于传播介质的运动而使观察者接收到的波源频率发生变化的现象叫多普勒效应。

如果运动发生在波源和观察者的连线上，假设

波源相对于介质的运动速度为u，波源的波长为

，观察者相对介质的运动速度为v，波源原来的频率为f0，波源在介质中的传播速度V，对下述四种情况可分别求得观察者接收到的频率f。

（1）波源和观察者相对于介质是静止的（u=0，v=0），观察者接收到的频率即为波源原有的频率，即f=f0

（2）波源不动，观察者以速度v相对于介质运动(u=0，)，观察者接收到的频率为观察者背离波源取负号。

（3）观察者不动，波源以速度u相对于介质运动（，v=0），观察者接收到的频率f为：波源背着观察者运动时取负号。

（4）波源和观察者同时相对于介质运动（，），观察者接收到的频率f为：电磁波也存在多普勒效应，

对静止光源来说，运动着的观察者接收到的光波频率为

观察者背离波源取负号。

当一单色频率为f0的激光,照射到运动速度为v的微粒上时，运动微粒接收到的频率不等于f0，发生了一次多普勒效应。若用一个静止的光检测器，接收运动微粒的散射光，则接收到的频率又经过了一次多普勒效应。静止光源O、运动微粒P和静止光检测器S三者之间相对关系。

静止光源、运动微粒、静止光检测器根据相对论变换，运动微粒P接收到的光波频率fp近似为:

式中，为入射光方向的单位向量，c为介质中的光速。光检测器接收的粒子散射光频率：

式中，为粒子散射光指向光检测器方向的单位向量。(1)代入(2)，忽略高次项，得到：

(5-3)光检测器接收的光波频率与入射光波频率之差叫多普勒频差或频移。多普勒频移用fD表示：

(5-4)或者用波长表示为：

(5-5)

式中，

为入射光波长。

可见，如果仅知光源、运动粒子和光检测器三者之间的相对位置，那么只能确定速度上的投影大小，不能确定速度方向。一种固定的相对位置，不可能确定平面速度的方向，这就是所谓LDV的方向模糊性。若速度方向已知，如风洞，可将入射光、散射光和速度方向按下图布置：

激光多普勒测速的特殊布置由图可得：

代入前面式中，多普勒频移表达式化为：

(5-6)

PIV瞬态流场测量技术PIV瞬态流场测量技术现状及其在国内的应用PIV技术发展的背景在PIV技术出现以前，对流动结构主要停留在采用流动显示技术观察阶段。但流动显示的方法观察到的结果是观察时刻以前运动所产生的累计的结果，这个结果对非定常运动和一些周期性的过程往往是不真实的。从流体力学测量本身的角度来讲，对流场进行全场快速、准确测量始终是测量本身追求的发展目标。PIV技术的出现也是这个发展过程的一个重要的标志性阶