能源与动力工程测试技术 课件 第六章 流速测量

先进热动力测试技术AdvancedThermalandPowerEngineeringMeasurementTechnology目录PAGEDIRECTORY绪论1测量技术的基本知识2误差分析与测量不确定度3温度测量4压力测量5流量测量7液位测量8气体成分及颗粒物测量9转速、转矩及功率测量10振动与噪声测量11流速测量6先进测试技术发展1206第六章流速测量机械法测速技术动力测压法-毕托管测速技术散热率法-热线（热膜）测速技术流速测量仪表的校准激光多普勒测速技术粒子图像测速技术第一节机械法测速技术一、概述1、生活中的“风速”第一节机械法测速技术一、概述1、生活中的“风速”第一节机械法测速技术一、概述2、能源与动力工程中的“流速”被测流体包括各种气体、蒸汽、液体甚至是燃烧火焰；测量区域包括各种流体的输运管道、燃烧室；流体性质涉及一维、二维、三维、湍流、涡流、微风、超声速以及高压、低压等。第一节机械法测速技术二、机械法测量流速种类：翼式（翼形）、杯式（杯形）适用范围：以前的风速范围为15~20m/s以内，只能测量流速的平均值，不能测量脉动流。通过机械仪表用指针指示。目前的测速范围为0.25~30m/s，并且可测量流速的瞬时值。可将叶轮的转速转换成电信号。测量原理：空气通过转杯时，推动叶片转动。根据叶片的角位移推算流过的空气量，或者说根据叶片的转速推算流量流速。杯型风速仪翼型风速仪第一节机械法测速技术二、机械法测量流速1、翼形机械式风速仪可测定0.6~40m/s的气流速度，可测量脉动的气流和速度最大值、最小值及流速的平均值，测量精度为±0.2m/s。也可用于大型管道中气流的速度场，尤其适用于相对湿度较大的气流速度测定。必须保证风速仪的叶轮全部放置于气流流场中，叶轮叶片的旋转平面和气流方向之间的偏差宜在±10°角以内。翼形机械式风速仪第一节机械法测速技术二、机械法测量流速2、杯形机械式风速仪机械强度较大，测量上限大，可测定0.6~70m/s的气流速度，观测大气中的瞬时风速、平均风速。还具有风速报警设定和报警输出控制、交直流自动切换的功能，测量精度为±0.3m/s。杯形机械式风速仪第一节机械法测速技术二、机械法测量流速实时监测风速、风向、雨量、空气温度、空气湿度、光照强度、土壤温度、土壤湿度、蒸发量、大气压力等十个气象要素参数。06第六章能源与动力学院流速测量机械法测速技术动力测压法-毕托管测速技术散热率法-热线（热膜）测速技术流速测量仪表的校准激光多普勒测速技术粒子图像测速技术第二节动力测压法-毕托管测速技术一、毕托管测速原理毕托管是传统测量流速的传感器，与差压仪配合使用，可以测量被测流体的压力和差压，或者间接测量被测流体的流速。用毕托管测量流体的流速分布以及流体的平均流速。如果被测流体及其截面是确定的，还可以利用毕托管测量流体的体积流量或质量流量。毕托管工作原理歼10飞机使用的空速管第二节动力测压法-毕托管测速技术一、毕托管测速原理在一个流体以速度v均匀流动的管道里，安置一个弯成90°的细管。设管端中心的压力为p0，而与细管同一深处流体未受扰动处的处压力为p，流速为v，流体密度为ρ，则由伯努利方程得：

或式中，p0—总压力（全压），Pa；

p—静压力，Pa；ρv2/2—动压力。即动压力为总压力与静压力之差。毕托管工作原理第二节动力测压法-毕托管测速技术一、毕托管测速原理导出流速与动压之间的关系：但实际用来测量的总压力和静压力的开孔是位于不同位置的，并且位于静压孔的流体受到扰动。这样实际测量时必须根据毕托管的形状﹑结构﹑几何尺寸等因素的不同进行修正，即：毕托管工作原理Kp—毕托管速度校正系数。S型毕托管一般为0.83~0.87，标准毕托管一般为0.96左右。第二节动力测压法-毕托管测速技术一、毕托管测速原理对可压缩流体应考虑流体的压缩性，并进一步修正：式中，k—流体等熵指数；

Ma—马赫数，Ma=v/c，c为该流体中的音速。流速不大，即Ma<0.2的可压缩流体，可不进行修正；流速很大，即Ma>0.2的可压缩流体，需要进行压缩性修正；标态下空气，Ma=0.2时，相应的流速约为70m/s，如果被测的流体是高温烟气，Ma=0.2时所对应的烟气流速则更高。毕托管工作原理第二节动力测压法-毕托管测速技术二、毕托管的形式1、标准毕托管（JJG518-1998）它是一个弯成90°的同心管，主要是由感测头、管身及总压和动压引出管组成。感测头端部呈锥形，圆形或是椭圆形，总压孔位于感测头端部，与内管连通，用来测量总压。在外管表面靠近感测头端部的适当位置上有一圈小孔，称为静压孔。标准毕托管测量精度较高但是静压孔很小，用于测量清洁空气的流速，或对其他结构型式的毕托管及其他的流速仪表进行标定。标准毕托管1、总压测孔；2、感测头；3、外管；4、静压孔；5、内管；6、管柱；7、静压引出管；8、总压引出管第二节动力测压法-毕托管测速技术二、毕托管的形式1、标准毕托管（JJG518-1998）球形头椭圆头锥形头第二节动力测压法-毕托管测速技术二、毕托管的形式1、标准毕托管（JJG518-1998）L型毕托管毕托管顶端为椭圆形；前端为全压输入口，侧面的六个小孔为静压输入孔。毕托管材质为不锈钢。二、毕托管的形式1、标准毕托管（JJG518-1998）L型毕托管（内含K型热电偶）毕托管顶端为椭圆形；端为全压输入口，侧面的六个小孔为静压输入孔；内置K型热电偶温度探头，温度连接电缆长度1.5m；毕托管材质为不锈钢。第二节动力测压法-毕托管测速技术第二节动力测压法-毕托管测速技术二、毕托管的形式2、S型毕托管是由两根相同的金属管组成，感测头端部作成方向相反的两个相互平行的开口。测定时，一个开口面向气流，用来测量总压，另一个开口背对气流，用来测量静压。可用于测量含尘浓度较高的气流和黏度较大的液体。S型毕托管（单位：mm）面向气流，测量总压背对气流，测量静压第二节动力测压法-毕托管测速技术二、毕托管的形式3、直型毕托管直型毕托管使用二根相同的金属管并联在外面套一根金属管焊制而成，测端作成两个相对并相等的开口。对于厚壁风道的空气流速测定，可以使用S型毕托管，也可以使用直型毕托管。直型毕托管（单位：mm）第二节动力测压法-毕托管测速技术二、毕托管的形式4、动压平均管用标准型、S型、直型毕托管测风速，需要测出多点风速而得到平均风速，很不方便。如果使用动压平均管或阿牛巴毕托管测量平均风速则非常方便。思路是把风道截面分成若干个面积相等的部分，如分成四部分，选取合适的测点位置，测出各个小面积的总压力值，然后取四个小面积的总压力平均值作为整个测量截面上的平均总压力。动压平均管

1、总压孔；2、总压导管；4、静压孔；3、静压导管；5、管道；6、均速管第二节动力测压法-毕托管测速技术二、毕托管的形式4、动压平均管DEBIMO平均式风速风量测片第二节动力测压法-毕托管测速技术二、毕托管的形式4、动压平均管KL—测片系数；S—管道截面积，m2。第二节动力测压法-毕托管测速技术二、毕托管的形式4、动压平均管德尔塔巴均速管流量计第二节动力测压法-毕托管测速技术三、毕托管的使用1、毕托管使用条件毕托管测速的下限：要求毕托管总压力孔直径上的Re>200。S型毕托管由于测端开口较大，在测量低流速时，受涡流和气流不均匀的影响，灵敏度下降，因此一般不宜测量小于3m/s的流速。如果管道截面较小，因为相对粗糙度（K/D）增大和插入毕托管的扰动相对增大，使测量误差较大，所以一般规定毕托管直径与被测管道直径（内径）之比不超过0.02，最大不超过0.04。管道内壁绝对粗糙度K与管道直径（内径）D之比，即相对粗糙度K/D不大于0.01。管道内径一般应大于100mm。第二节动力测压法-毕托管测速技术三、毕托管的使用1、毕托管使用条件S型（或其他）毕托管在使用前必须用标准毕托管在风洞中进行校正，方法是在风洞中以不同的速度分别用标准毕托管和被校毕托管进行对比测定，两者测得的速度值之比，称为被校毕托管的校正系数KP。应使毕托管总压孔迎着与流体的流动方向，并使轴线与流速方向保持一致，否则引起测量误差。皮托管偏转角相差10°时，压差的误差约为3％。标准毕托管静压孔很小，在测量时应防止气流中颗粒物质堵塞静压孔，否则引起很大的测量误差。毕托管压差与方向差的关系第二节动力测压法-毕托管测速技术三、毕托管的使用2、测点选择010203流动状态充分紊流未达到充分紊流管道形状尺寸圆形管道矩形管道断面分区数分区数越多精度越高？第二节动力测压法-毕托管测速技术三、毕托管的使用2、测点选择（1）流动状态液体在管道中流动时，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紊流速度分布，可以利用两种方法求出平均速度：测出管道中心流速，按照公式或图表便可求得流体平均速度；测出距离管道内壁0.242±0.08R（R为管道内截面半径）处的流速，作为流体平均速度。紊流速度分布未达到充分紊流第二节动力测压法-毕托管测速技术三、毕托管的使用2、测点选择（1）流动状态当管道内流体流动没有达到充分发展的紊流时，则应该在截面上多测几点的流速，以便求得平均速度。测点是在数学模型的基础上选择的，由于数学模型的差异，选择测点也有不同。这里仅介绍一种常用的中间矩形法。中间矩形法是将管道截面分成若干个面积相等的小截面，测点选择在小截面的某一点上，以该点的流速作为小截面的平均流速，再以各小截面的平均流速的平均值作为管道内流体的平均速度。第二节动力测压法-毕托管测速技术三、毕托管的使用2、测点选择（2）管道形状尺寸对于圆形管道，将管道截面分成若干个面积相等的圆环（中间是圆），再将每个圆环（或圆）分成两个等面积圆环（或中间是圆），测点选在面积等分线上，测点位置由下式确定：考虑到流体在圆形管道中的实际流速分布并不完全轴对称，因此在以ri为半径的圆环上要选四个等分点作为测点，这样，对于一个n等分的圆形管道来说，测点数N=4n。n—圆形管道截面等分数；R—圆形管道半径（内径）；i—等分截面的序号，i=1，2，3…；ri—第i个等分截面上测点半径（圆心在管道轴线上）。r1r2r3R圆形管道的测点选择第二节动力测压法-毕托管测速技术三、毕托管的使用2、测点选择（2）管道形状尺寸对于矩形管道，可把截面分成其数量与测点数相同的等面积矩形测区。每个面积的长宽比为1~2，并将测点布置在各等面积测区的矩心上。矩形管道的测点选择第二节动力测压法-毕托管测速技术三、毕托管的使用2、测点选择（3）断面分区数量流体测定断面分区数的多少，取决于所需的准确度和流速分布的均匀性，与管道断面尺寸无关。对于速度分布相同或相近的两个管道（尽管它们的断面不同），需要以相同的测点数（当然测定方法要相同）测量，才能得到准确度相同的平均速度值。流速分布的均匀性在满足测定条件的情况下，主要与被测定流体断面的位置有关。要想达到相同的准确度，在流速分布均匀性不同时，在不同位置的被测流体断面上，所布置的测点数也不相同。第二节动力测压法-毕托管测速技术三、毕托管的使用3、平均流速的计算虽然前面已经给出了流速的基本计算公式，但是在现场测试时，为方便起见，需要变换成另外一种形式。根据波义耳−查理定律：式中，ρ—被测气体的密度，kg/m3；

p—被测气体的绝对静压力，Pa；T—被测气体的绝对温度，K；R—R=8314/M，气体常数，J/kg·K。波义耳−查理定律波义耳（Boyle，英国，1627~1691）定律：恒温下，气体的体积与压力成反比。查理（Charles，法国，1746~1823）定律：一定压力下，气体的热膨胀率与气体的种类无关，几乎保持同一值。第二节动力测压法-毕托管测速技术三、毕托管的使用3、平均流速的计算管道内流体平均速度为各测点流速的平均值，即：式中，

v—被测流体平均速度，m/s；N—测点数；i—测点序号，i=1，2，3，……。ATTENTION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。第二节动力测压法-毕托管测速技术四、例题例题7−1：用S型毕托管测烟道内烟气流速，毕托管系数Kp=0.85，烟气管道内径d=518mm，烟气静压p0=1333Pa，大气压B=101325Pa，烟气温度t=210°C，烟气气体常数R=298.59J/kg·K，烟道断面上6个测点的动压读数（微压计系数为0.2）分别为61.3，72.2，80.0，80.0，101.2mmH2O，求烟气的平均流速。解：（1）单位换算测点上烟气动压值：61.3mmH2O第二节动力测压法-毕托管测速技术四、例题解：则6个测点上烟气动压值分别为：120.23、141.61、156.91、156.91、173.00、198.49Pa。烟气的平均流速：烟气流量：06第六章能源与动力学院流速测量机械法测速技术动力测压法-毕托管测速技术散热率法-热线（热膜）测速技术流速测量仪表的校准激光多普勒测速技术粒子图像测速技术第三节散热率法-热线（热膜）测速技术一、概述利用被加热的金属丝（称为热线、热球）置于被测流体中，发热的金属丝的散热率与流体流速成比例的特点，通过测定金属丝的散热率获得流体的流速。1914年，克英（King）奠定了热线风速仪的理论基础；1934年，择娄（Ziegler）制成了第一个恒温热线风速仪。日本加野Kanomax热线风速仪第三节散热率法-热线（热膜）测速技术一、概述热球风速仪原理：若通过带热体的电流恒定，则带热体所带的热量恒定。带热体温度随其周围气流速度的提高而降低。根据带热体的温度测量气流速度。01热敏电阻恒温风速仪原理：若保持带热体温度恒定，通过带热体的电流势必随其周围气流速度的增大而增大。根据通过带热体的电流测风速。02本质：把一个通有电流的带热体置入被测气流中，流速越大，散热量越多第三节散热率法-热线（热膜）测速技术一、概述当被测流体通过被电流加热的金属丝或金属膜时，会带走热量，使金属丝的温度降低，金属丝温度降低的程度取决于流过金属丝的气流速度和气流温度。当热球向流体散热达到热平衡时，单位时间热球产生的热量QR应与热球对流体的放热量Q平衡，即：Iw—流经热球的电流，ARw—热球的电阻，Ωh—热球对流换热系数，W/(m2·°C)F—热球换热面积，m2Tw、Tf—热球和流体的温度，°C热平衡公式：热球产热量公式：热球放热量公式：第三节散热率法-热线（热膜）测速技术一、概述气流流过热球时的换热属于层流对流换热，根据层流对流换热的经验公式，可将Q=QR改写为：热球的电阻值随温度变化的规律：n、a'、b'、a、b—常数ν—流体的运动粘度，m2/su—流体的流速，m/sd—热球直径，mλ—流体的导热系数，W/(m·°C)β—热球的电阻温度系数；Rf—热球在温度Tf时的电阻值，Ω第三节散热率法-热线（热膜）测速技术一、概述对上式整理得到：总结：流体的速度只是流过热球的电流和热球电阻（热线温度）的函数，只要固定电流和电阻两个参数中的任何一个，就可以获得流体速度与另一参数的单值函数关系。热电风速仪的形式：恒流型热线风速仪（热球风速仪）恒温型热线风速仪（热敏电阻恒温风速仪）第三节散热率法-热线（热膜）测速技术二、热球风速仪的工作原理及其组成热球风速仪主要由两个独立电路组成：一是供给带热体恒定电流的回路；二是测量带热体温度的回路。使用热球风速仪时，应首先调通过带热体的电流，使其为定值，再将带热体置入被测气流中。被测风速越大，带热体散出的热量也越多，而带热体所带的热量一定，因此带热体温度降低。反之带热体温度升高。热球风速仪原理图第三节散热率法-热线（热膜）测速技术二、热球风速仪的工作原理及其组成带电体是一个金属线圈或金属薄膜，测量带热体温度采用铜-康铜热电偶，二者封入一个体积很小的玻璃球内，这个玻璃球便是测量风速的传感器，装于测杆顶部。带热体两端及热电偶两端的四根引线通过插头与二次仪连接。二次仪表主要由电源、放大和显示等部分组成。近年来采用低功耗大规模集成电路，被测风速或温度由LED液晶显示。热球风速仪原理图第三节散热率法-热线（热膜）测速技术三、热球风速仪的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，重量轻，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°C，标定误差为±0.5°C。热球风速仪的测头是在变温变阻状态下工作的，容易使测头老化，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影响。热敏电阻恒温风速仪利用温度核定的原理工作，克服热球风速仪由于变温变阻所产生的缺陷，但是功耗大。第三节散热率法-热线（热膜）测速技术四、恒温型热线风速仪对于恒流型热线风速仪，测速探头在变温变阻状态下工作，敏感元件易老化、稳定性差，因此发展出恒温型热线风速仪。在热线工作过程中，始终保持热线温度Tw=常数，则可通过测得流经热线的电流值来确定流体的速度，关系式如下：实际测量电路中，测量惠斯登电桥的桥顶电压第三节散热率法-热线（热膜）测速技术四、恒温型热线风速仪热敏电阻恒温型风速仪原理图左：风速仪方框图右：风速仪测杆1、风速测头（热敏电阻）；2、铂丝引线；3、测杆；4、手柄；5、导线；6、风温补偿热敏电阻第三节散热率法-热线（热膜）测速技术四、恒温型热线风速仪直径1μm~10μm，长度1mm~2mm，细金属丝第三节散热率法-热线（热膜）测速技术四、恒温型热线风速仪微型热线钨表面镀白金，5μm，1.2mm镀金热线总长度3mm，传感器1.25mm特点高精度，动态性能好对流场影响非常小容易损坏第三节散热率法-热线（热膜）测速技术四、恒温型热线风速仪热膜在石英基体表面沉积一层薄镍结实，防止腐蚀、破坏等动态特性流场影响线—膜复合细的石英纤维表面沉积一层镍耐久性、动态特性、流场影响第三节散热率法-热线（热膜）测速技术四、恒温型热线风速仪

X型（垂直）第三节散热率法-热线（热膜）测速技术四、恒温型热线风速仪三维第三节散热率法-热线（热膜）测速技术四、恒温型热线风速仪风速测头采用珠状热敏电阻，直径0.5mm，优点是体积小，对气流的阻挡作用小，热惯性小，灵敏度高。测速下限可达0.04m/s，当风速在4~50°C范围内变化时，风温自动补偿的精度为满刻度的±1%。应用范围：常温、常湿条件下的清洁空气气流的速度。06第六章能源与动力学院流速测量机械法测速技术动力测压法-毕托管测速技术散热率法-热线（热膜）测速技术流速测量仪表的校准激光多普勒测试技术粒子图像测速技术第四节流速测量仪表的校准一、风洞的原理结构风洞是具有一定形状的管道，有吸入式、射流式、吸入–射流复合式以及正压式等多种类型。在管道中造成具有一定参数的气流，被校风速仪表与标准风速仪表在其中进行对比实验。吸入式风洞的结构主要由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：稳定段组成。风机段扩散段测量段细收缩段工作段粗收缩段稳定段第四节流速测量仪表的校准一、风洞的原理结构气流由稳定段导入，经导直整流形成流场均匀的气流。稳定段包括蜂窝器、阻尼网和一定长度的直管段。经粗收缩段的气流进入工作段。工作段是校验中速风速仪表的直管段，工作段流场均匀度小于2%，流场稳定度小于1%。经细收缩段的气流进入测量段。测量段是校验高速风速仪表的直管段，流场均匀度小于2%，稳定度小于1%。风机段扩散段测量段细收缩段工作段粗收缩段稳定段气流经扩散段的气流由轴流风机排出风洞。为减小能量损失，风机段入口设有导流装置，包括由可调速直流电机驱动的轴流风机及导流器，它是产生一定参数气流的动力，以保证测量段的均匀度和稳定度。第四节流速测量仪表的校准一、风洞的原理结构风洞是进行空气动力学的一项基本实验。风洞检测主要的应用领域：航空、航天器、航空技术的发展；气流测试仪器的标定；普通建筑、高层建筑、电视塔、高压电缆、大型塔架及其他建筑物的风载性能；汽车、火车及其他交通车辆的气动特性；大气污染现象；各种风力机械、防护林、防沙林、体育器械的性能。第四节流速测量仪表的校准一、风洞的原理结构第四节流速测量仪表的校准一、风洞的原理结构第四节流速测量仪表的校准一、风洞的原理结构在汽车空气动力学发展的近百年里，汽车外观特性发生了复杂的变化过程，每个时期的汽车造型特点，都体现着当时空气动力学发展对汽车的影响。克莱斯勒气流（Chryslerairflow），1934年上市，这款车是历史上首款流线型汽车。第四节流速测量仪表的校准一、风洞的原理结构上世纪30年代，美国帝国大厦完成了风洞试验。第四节流速测量仪表的校准一、风洞的原理结构1964年，完成了首个建筑类大气边界层风洞试验——美国世贸双塔。3.5米×2.5米闭口回流式低速风洞（FL-8）我国第一座3m量级生产型低速风洞，被誉为“功勋风洞”。国内几乎所有的飞机型号都在该风洞做过试验。第四节流速测量仪表的校准一、风洞的原理结构20世纪50年代至60年代，我国出现了3m量级低速风洞和0.6m量级跨超声速风洞。到21世纪初，又分别建成了低速增压风洞、跨超声速风洞和亚高超声速风洞。试验段尺寸：3.5m×2.5m最大风速：73m/s第四节流速测量仪表的校准一、风洞的原理结构20世纪50年代至60年代，我国出现了3m量级低速风洞和0.6m量级跨超声速风洞。到21世纪初，又分别建成了低速增压风洞、跨超声速风洞和亚高超声速风洞。试验段尺寸：4.5m×3.5m压力范围：0.1MPa(常压)~0.4MPa最大风速：130m/s(常压)、90m/s(0.4MPa)最高雷诺数：9.3×1064.5米×3.5米低速增压风洞（FL-9）是亚洲唯一具备低速高/变雷诺数试验能力的风洞。风洞的总体性能指标达到国际先进水平。第四节流速测量仪表的校准一、风洞的原理结构20世纪50年代至60年代，我国出现了3m量级低速风洞和0.6m量级跨超声速风洞。到21世纪初，又分别建成了低速增压风洞、跨超声速风洞和亚高超声速风洞。2.4米连续式跨声速风洞（FL-62）该风洞为连续式、单回流高速风洞，主要用于型号试验、预先研究等试验任务。该风洞能够满足未来一段时期内各类先进型号飞行器的研制对常规测力测压试验的需要，其综合试验能力赶超国际同类风洞。试验段尺寸：2.4m×2.4m马赫数范围：0.3～1.6总压范围：0.03～0.4MPa总温范围：293～333K最大雷诺数：1.3×107第四节流速测量仪表的校准一、风洞的原理结构我国自主研发的新一代隐身战斗机歼-20。近年来，歼-20从研发、试训到列装作战部队形成战斗力，再到实战实训、展翅海空，见证了我国航空工业和人民空军战斗力的飞速发展。第四节流速测量仪表的校准一、风洞的原理结构JF-12风洞，建于2012年5月，其风速可达10马赫

JP-10爆轰风洞，其风速最高20马赫第四节流速测量仪表的校准二、皮托管的校准射流式校准风洞的结构特点是工作段是开式的，由稳流段和收敛器构成，稳流段内装有整流网和整流栅格，易于安装测压管。压缩空气先通过稳流段，再通过收敛器后形成自由射流。射流式校准风洞测量系统（1–稳流段；2–总压管；3–收敛器；4–静压测孔；5–被校测速管；6、7–微压计）第四节流速测量仪表的校准二、皮托管的校准标定时，被标定的皮托管探头置于风洞出口处，其动压读数为Δh1。标准动压Δh在射流段B处测量。（1）测量Δh时，总压管安装在稳流段的A处，是因为该处容易布置总压管，而且由于风洞的收敛器采用维托辛斯基型面，流线光顺，加上AB两截面距离很短，故可以认为AB段内的流动损失接近零，即可以认为A处和B处的总压相等。（2）在B处测量标准动压，是因为A处截面大、风速低，总压和静压很接近，动压很小；而B处截面缩小，流速增大，动压也大可以提高标定精度。射流式校准风洞测量系统（1–稳流段；2–总压管；3–收敛器；4–静压测孔；5–被校测速管；6、7–微压计）第四节流速测量仪表的校准二、皮托管的校准皮托管标定的基本步骤：1）安装被标定的皮托管，保证皮托管的总压孔轴线对准校准风洞的轴线，然后连接好测量管路。2）合理选择标定流速范围，记录校准风洞的标准动压值Δh和被标定皮托管的动压值Δh1。3）整理记录数据，或拟合成标定方程，或绘制成标定曲线。当Δh与Δh1之间呈线性关系时，可以直接求出皮托管的校准系数Kp，即射流式校准风洞测量系统（1–稳流段；2–总压管；3–收敛器；4–静压测孔；5–被校测速管；6、7–微压计）第四节流速测量仪表的校准三、热线风速仪的校准热线风速仪校准的是热线风速仪传感器（测头）的输出电压与流体速度的真实响应关系。校准的方法也是在校正风洞中或其他已知流体流动速度的流场中完成的，对应地在热线风速仪上读出电压U值，作出U–v校准曲线。在校准装置上进行校准时，当得到的气流速度与输出电压之间的关系曲线和金氏定理之间存在较大偏差，建议使用扩展的金氏定理，即06第六章能源与动力学院流速测量机械法测速技术动力测压法-毕托管测速技术散热率法-热线（热膜）测速技术流速测量仪表的校准激光多普勒测速技术粒子图像测速技术第五节激光多普勒测速技术一、激光多普勒测速原理当激光照射到随流体一起运动的微粒上时，激光被运动中的微粒散射。散射光的频率和入射光的频率相比较，会出现正比于流体速度的频率偏移。测量这个频率偏移，就可以反映出流体的速度，这就是激光多普勒测速（LaserDopplerVelocimetry，LDV）的基本原理。19世纪，奥地利物理科学家多普勒·克里斯琴·约翰（Doppler

ChristianJohann）发现了多普勒效应1905年，爱因斯坦在狭义相对论中指出，光波也具有类似的多普勒效应。只要物体产生散射光，就可利用多普勒效应测量其运动速度二十世纪六十年代，激光器得以发明，多普勒频移测量技术诞生1964年，杨（Yeh）和古明斯（Cummins）首次证实了可利用激光多普勒频移技术测量层流管流分布多普勒在其声学理论中指出，在声源、介质、观测者存在相对运动时，观测者接收到的声波频率与声源频率不同的现象就是声学多普勒效应。爱因斯坦在《论物体的电动力学》中指出，当光源与观测者有相对运动时，观测者接收到的光波频率与光源频率不同，即存在光（电磁波）多普勒效应。声学多普勒效应与波源及观测者相对于介质运动有关，光学多普勒效应只与光源和观测者之间的相对运动有关，因此，声学（机械波）和光学（电磁波）的多普勒效应有本质区别。第五节激光多普勒测速技术一、激光多普勒测速原理1、多普勒频移单位时间内P朝着S方向运动的距离为vcosθ，单位时间内比起P点为静止时多拦截了vcosθ/λ个波。对于移动观察者感受的频率增加频率的相对变化这就是基本的多普勒频移方程。移动观察者感受到的多普勒频移（S：光源；P：观察者）第五节激光多普勒测速技术一、激光多普勒测速原理2、移动源的多普勒频移（波源是移动的，观察者是固定的）LA1A2和LB1B2分别为两个波前上的一小部分，是波源S1和S2在时刻t1和t2发射出来的，则有相继两个波前之间在波源处的时间间隔为发送波运动时的周期则从S1到S2的距离为波源移动的多普勒频移现象第五节激光多普勒测速技术一、激光多普勒测速原理2、移动源的多普勒频移（波源是移动的，观察者是固定的）则观察到的波长，A1A2和B1B2的间隔为进而得到因为c=f'·λ'，f'为接收到的频率，因此相对多普勒频移为波源移动的多普勒频移现象频移只依赖于波源和观察者的相对速度，而与介质无关。第五节激光多普勒测速技术一、激光多普勒测速原理3、散射物的多普勒频移（波源和观察者静止，散射物移动）可以把这种情况当作一个双重多普勒频移来考虑，先从光源S到移动的物体Q，然后由物体Q到观察者P。这样将问题简化为光程长度变化的计算或光源和观察者之间经散射物后的波数的计算。散射物移动的多普勒频移现象散射物的多普勒频移示意图多普勒频移计算简图光源物体观察者散射物的多普勒频移示意图多普勒频移计算简图第五节激光多普勒测速技术一、激光多普勒测速原理3、散射物的多普勒频移（波源和观察者静止，散射物移动）假如n是沿从光源到观察者的光路上的波数或周期数，到达观察者P处的外加周期数等于从路程SQ–QP波数的变化。因此，在无限小的时间间隔δt中，假定Q移动到Q'的距离为vδt，在光程中周期数的减少为N和N'分别是Q'向SQ和QP作垂线和SQ、QP的交点，设QQ'为无限小，λ和λ''分别是散射前后的波长。θ1和θ2为速度向量和指向光源方向及指向观察者方向的夹角，可以得到散射物的多普勒频移示意图多普勒频移计算简图第五节激光多普勒测速技术一、激光多普勒测速原理3、散射物的多普勒频移（波源和观察者静止，散射物移动）因为c

=f·λ=f''·λ''三角变化后多普勒频移方程的一般形式第五节激光多普勒测速技术一、激光多普勒测速原理4、测速原理利用多普勒效应测量流速，固定光源和接收器，而在流体中加入随流体一起运动的微粒。由于微粒对于入射光既有散射作用，又会向四周散射，也就是既作为入射光的接收器，接收入射光的照射，又作为散射光的光源，向固定的光接收器发射散射光波。接收器所接收到的微粒散射光频率不同于光源发射出的光频率，二者之间会产生多普勒频移。测速方法有两种：直接检测法使用法布里–珀罗干涉仪直接检测散射光的多普勒频移，这种方法的典型分辨力为5MHz，只适合马赫数在0.5以上的高速测量，不适用于低速测试限。外差检测是用两束频率均为f不同的光源S1和S2同时通过散射物产生两股散射频移光，然后再测出这两股散射频移光的频差。第五节激光多普勒测速技术一、激光多普勒测速原理4、测速原理外差检测接收散射光的方向可以是任意的，它与光源方向无关。光源S1在散射物上产生的多普勒频移为光源S2在散射物上产生的多普勒频移为观测器观测的频差为差动多普勒技术中照射光束的布置频差fD与接收方向无关。使用大孔径的检测器，增强检测信号的信噪比。气流中的粒子浓度较低时，常采用外差检测技术。第五节激光多普勒测速技术二、激光多普勒测速仪的光学部件1、光路系统参考光束系统来自同一光源的激光被分光镜S分为两束，一束为参考光Kr，另一束为信号光Ki，两束光强度不同（1：9，得到高信噪比和高效率的多普勒信号）。参考光通过试验段直接射到光电检测器上，信号光则聚焦于流体中微粒P上，微粒P接收激光照射而产生散射光。散射光经小孔光栏N及接收透镜L2会聚到光电检测器上，光电检测器接收到的参考光与散射光的差拍信号（两束光的频率差）恰好是多普勒频移fD。参考光束系统光路（S–分光镜；M─反射镜；L1–透镜；P–运动微粒；N–光栏；L2–透镜）第五节激光多普勒测速技术二、激光多普勒测速仪的光学部件1、光路系统双光束系统来自同一光源的激光，由分光镜S及反射镜M分为两条相同的光束，通过透镜L1聚焦于流体中的某一测点。流经测点的微粒P接收完全相同的入射光的照射后，发出两束具有不同频率的散射光，经光栏N，透镜L2会聚焦到光电检测器上，光电检测器接收到差拍信号。多普勒频移与接收方向无关。光电检测器的位置只要避开入射光的直接照射，可任意选择。在散射粒子浓度较低的情况下有较好的信噪比。双光束系统调准较容易。双光束系统光路（S–分光镜；M–反射镜；L1–透镜；P–运动微粒；N–光栏）第五节激光多普勒测速技术二、激光多普勒测速仪的光学部件1、光路系统单光束系统把光源发出的激光光束Ki聚集于测点上，流经测点的微粒P接收入射光的照射，并向四周散射，在与系统轴线对称的两个地方安置接收孔，再通过反光镜M和分光镜S将频率分别为fD1和fD2的两束散射光送入光电检测器，fD

=fD1–fD2。要求两个接收孔的直径选择适当，过大过小都会使信号质量变坏，降低测量精度。对光能利用率低，且需要遮蔽周围环境的光线，目前已较少应用。单光束系统光路（S–分光镜；M–反射镜；L1–透镜；P–运动微粒；N–光栏）第五节激光多普勒测速技术二、激光多普勒测速仪的光学部件2、干涉条纹双光束系统的差拍信号fD的测量利用了光的干涉现象。即来自同一光源的两束相干光，当它们以角θ相交时，在交叉部位会产生明暗相间的干涉条纹。只要两条相干光的波长保持不变，且交角θ已知，那么干涉条纹的间距DF就是定值当微粒以速度vn通过干涉条纹区时，明纹处的散射光强度增大，而暗纹处的散射光强度减弱。散射光强度的变化频率为vn/DF，它恰好就是光电检测器所接收到的差拍信号，即干涉条纹第五节激光多普勒测速技术二、激光多普勒测速仪的光学部件3、方向模糊性及解决办法为了解决方向的模糊性问题，最通用的技术是采用光束频移技术。即使入射到散射体的两束光中的一束光的频率增加，这样散射体中的干涉条纹就不再是静止不动的了，而是一组运动的条纹系统，在检测器检测到的一个静止的粒子产生的信号频率等于光束增加的频率Δf：（1）粒子运动的方向与干涉条纹运动的方向相反，得到大于光束增加频率Δf的多普勒频率，粒子运动的速度方向为正；（2）粒子运动的方向与干涉条纹运动的方向相同，得到小于光束增加频率Δf的多普勒频率，这时粒子运动的速度方向为负。第五节激光多普勒测速技术二、激光多普勒测速仪的光学部件3、方向模糊性及解决办法实现光束频移动的方法有旋转光栅、声光器件（又称声光调制器或布喇格盒，Braggcell）和电光器件（Kerrcell）。（a）频移前

速度与多普勒频移的关系（b）频移后（b）用不同频率的两束光相交得到运动的干涉条纹第五节激光多普勒测速技术二、激光多普勒测速仪的光学部件4、主要光学部件激光光源由于要求入射光的波长是稳定已知的，一般采用激光器作为光源，其优势是很好的单色性，波长精确已知且稳定，方向性好，可以集中在很窄的范围内向特定方向传播，容易在微小的区域上聚焦以生成较强的光，便于检测。激光光源有氦–氖气体激光器、氩离子气体激光器。波长较短的激光器有利于得到较强的散射光。分光器分光器是一种高精度的光学部件。要保证被分开的两束光平行，使得这两束光经透镜聚焦后在焦点处准确相交，提高输出信号的信噪比，主要靠分光器本身的精度来实现。第五节激光多普勒测速技术二、激光多普勒测速仪的光学部件4、主要光学部件发射透镜发射透镜的主要任务是提高交点处光束功率密度、减小焦点处测点体积、提高测点的空间分辨率。测点的几何形状近似椭球体。由透镜聚焦的交叉部位和测点形状图第五节激光多普勒测速技术二、激光多普勒测速仪的光学部件4、主要光学部件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。通过成像，只让这部分散射光到达光电检测器，而限制其他杂散光。前向散射方式工作的光路系统，需要加装单独的接收透镜，后向散射方式工作的系统，发射透镜可兼作接收透镜，使整个光路结构紧凑。接收透镜之前还可加装光栏。调节光栏孔径，以控制测点的有效体积，提高系统的空间分辨率。光电检测器光电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。光电检测器的种类很多，在激光多普勒测速仪中，使用较多的是光电倍增管。光电检测器受光面积上收集到的光由两部分组成。在双光束系统中接收到的是第一和第二散射光，而在参考光束系统中接收到的则是散射光和参考光。第五节激光多普勒测速技术二、激光多普勒测速仪的光学部件4、主要光学部件散射微粒流体中的散射微粒要能够与流体有较好的跟随性，同时又具有较强的散射效率。微粒一般选择球形粒子，散射微粒直径过小易在没有外力的作用下作随机布朗运动，引起信号失真，一般为干涉条纹宽度的1/2或条纹间距的1/4左右。散射微粒应具有良好、稳定的物理化学性质，对于在液体中投放散射微粒，还应注意粒子密度与液体密度匹配的问题，最好采用与流体密度相等或尽可能接近的散射微粒。测量体中散射微粒浓度过大，测量体内各个微粒之间的速度差和相位差会引起频带变宽，测量精度下降。微粒数量太少，会使频率跟踪器脱落保护时间延长，系统工作的稳定性降低。散射微粒的投放，常用的方法有蒸汽凝结、压力雾化、化学反应和粉末液态化等。第五节激光多普勒测速技术三、激光多普勒测速仪的信号处理系统多普勒信号是一种不连续的、变幅调频的复杂信号，处理比较困难。至今还没有哪一种信号处理器能够适用于所有情况，目前主要使用的信号处理仪器有频谱分析仪、频率跟踪器、计数型处理器、滤波器组、光子相关器、数字相关器、数字FFT(astfouriertransform，FFT)。第五节激光多普勒测速技术三、激光多普勒测速仪的信号处理系统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，只用来测量定常流动下流场中某点的平均流速。第五节激光多普勒测速技术三、激光多普勒测速仪的信号处理系统2、频谱计数器频率计数器是一种可以进行实时测量的计数式频率测量装置。当微粒通过干涉区时，散射光强度按正弦规律变化。在这段时间内，光电检测器输出的是一个已调幅的正弦波脉冲。如果测量体积内干涉条纹数NF已知，那么通过对一个粒子通过NF个干涉条纹的时间进行计数，可计算出频率，进而求出流速分量vn。频率计数器主要用于气流中微粒较少时的流速测量，噪声大时测量比较困难，需要与适当的低通滤波器组合起来使用，实际测量范围也受到限制。频率计数器原理方框图第五节激光多普勒测速技术三、激光多普勒测速仪的信号处理系统3、频率跟踪器将多普勒频移信号转换成电压模拟量，输出与瞬时流速成正比的瞬时电压，它可以实时地测量变化频率较快的瞬时流速。前置放大器把微弱的、混有高低频噪声的多普勒频移信号滤波放大后，送入混频器，与电压控制振荡器输出的信号fvco进行外差混频，输出信号包含差频为fo=fvco–fD的混频信号。混频信号经中频放大器选频、放大，把含有差频fo的信号选出并放大，滤掉和频信号和噪声，再经限幅器消除掉多普勒信号中无用的幅度脉动后送到一个灵敏的鉴频器去。频率跟踪器系统方框图第五节激光多普勒测速技术三、激光多普勒测速仪的信号处理系统3、频率跟踪器鉴频器由中频放大器、限幅器和相位比较器组成，作用是将中频频率转换成直流电压信号，实现频率电压转换。电压U反映了多普勒频率瞬时变化值，并作为系统的模拟量输出，系统的输出可以自动地跟踪多普勒频率信号的变化。脱落保护电路的作用是防止由于微粒浓度不够引起信号中断而产生系统失锁。当多普勒频移信号重新落于一定的频带范围内时，脱落保护电路的保护作用解除，仪器又重新投入自动跟踪。频率跟踪器系统方框图第五节激光多普勒测速技术四、激光多普勒测速的特点总结（1）非接触式测速，对流场无干扰；（2）空间分辨率高，无惯性，频响特性好；（3）测速范围广，可从10-3mm/s的低速到超音速；（4）测量精度不受流体折射率以外的其它物理性能及温度、压力等参数的影响；（5）测量方向特性稳定；（6）可以测量逆流现象中循环流的湍流速度成分；（7）测量系统庞大、昂贵，通常在实验室中使用。06第六章能源与动力学院流速测量机械法测速技术动力测压法-毕托管测速技术散热率法-热线（热膜）测速技术流速测量仪表的校准激光多普勒测速技术粒子图像测速技术第六节粒子图像测速技术一、粒子图像测速原理1、粒子图像测速的基本原理粒子图像测速技术（Particleimagevelocimetry，PIV）通过拍摄不同时刻流场中的粒子分布图像，获取粒子在很短时间间隔内的位移来间接地测得流场的瞬态速度分布。能够在同一时刻记录整个测试平面的所有信息，并且具有不干扰被测流场、动态响应快、测试精确和空间分辨率高等特点，是目前最为常用的平面速度场测试技术。第六节粒子图像测速技术一、粒子图像测速原理1、粒子图像测速的基本原理边界层风洞中的非定常2D-PIV测量边界层风洞中的非定常3D-PIV测量第六节粒子图像测速技术一、粒子图像测速原理1、粒子图像测速的基本原理粒子图像测速原理：测量流场中示踪粒子在某一时间微元Δt内的位移来计算流体速度，其中作为粒子位移信息载体的是t和t+Δt时刻的粒子图像。郭春雨,徐菁菁,韩阳,等.中国舰船研究,2021,16(6):9.第六节粒子图像测速技术一、粒子图像测速原理1、粒子图像测速的基本原理双脉冲激光器以时间间隔Δt发出脉冲光束，激光光束通过圆柱形光学透镜形成平面光，照亮待测量的流场区域。待测区域中预先撒布的示踪粒子受激光照射后会产生散射，光学成像器件（如CCD相机）将拍摄到两次激光脉冲所对应的待测区域粒子散射图像。处理器根据这两幅图像信息和一定的算法算得每个粒子在Δt时间内的实际位移Δx和Δy，进而计算出每个粒子的移动速度第六节粒子图像测速技术一、粒子图像测速原理2、示踪粒子浓度对测量的影响源密度Ns表示像平面上的粒子图像斑返回到物理平面和片光源相交的一个圆柱体体积内所包含的粒子数源Ns=1时图像是由一个粒子产生的；Ns>>1，粒子图像重叠，形成散斑形式；Ns<<1是图像模式。像密度Nl表示在一个诊断面内有多少个粒子像，用于区分粒子迹线法和粒子图像测速法当Nl>>1时，粒子图像较多，不能跟随每个粒子来求它的位移，只能用统计方法处理。当Nl<<1时，成像密度极低，可以跟随每个粒子求位移，对整个流场而言，速度测量是随机的。粒子作为示踪介质散斑模式Ns>>1粒子图像模式Ns<<1高成像密度PIVNl>>1低成像密度PIVNl<<1des为底片上粒子图像的直径de为诊断点的直径第六节粒子图像测速技术一、粒子图像测速原理3、激光脉冲时间间隔Δt的设定PIV技术是将Δt中平均速度作为时刻t的瞬时速度，所以Δt应尽可能小。而测量位移量又要求像平面上粒子图像不能重叠，有足够的位移和分辨率，因此Δt又不能太小，它和测量的流速有关。一般要求粒子图像间距离要大于2倍的粒子图像直径。另外，位移最大不能超过查问区尺寸的1/4，偏离像平面不得超出片光源厚度的1/4，所以脉冲激光时间间隔必须根据测量对象的具体流速情况合理地选定。第六节粒子图像测速技术二、粒子图像测速的组成和信号处理1、粒子图像测速系统的组成激光器有红宝石激光器和钕钇铝石榴石（Nd–Yag）激光器。红宝石激光器的优点是脉冲光能量大，但脉冲间隔调整范围有限，难以适应低速流动