第6章流速測(cè)量《熱能與動(dòng)力工程測(cè)試技術(shù)》·第3版6.1皮托管測(cè)速技術(shù)6.2熱線（熱膜）測(cè)速技術(shù)6.3激光多普勒測(cè)速技術(shù)6.4粒子圖像測(cè)速技術(shù)6.1

皮托管測(cè)速技術(shù)第6章流速測(cè)量

皮托管是以其發(fā)明者、法國工程師HenryPitot的名字命名的，它由總壓探頭和靜壓探頭組成，利用流體總壓與靜壓之差，即動(dòng)壓來測(cè)量流速，故也稱動(dòng)壓管。由于其主要測(cè)量對(duì)象為氣體，因此又有風(fēng)速管之稱。1.基本構(gòu)造和測(cè)速原理

測(cè)速原理

不可壓縮流體的伯努利方程，流體參數(shù)在同一流線上有著如下關(guān)系：

式中，p0、p分別為流體的總壓和靜壓；

為流體密度；v為流體流速。6.1

皮托管測(cè)速技術(shù)第6章流速測(cè)量不同測(cè)速公式的比較

式中，

為皮托管的校準(zhǔn)系數(shù)，Ma為馬赫數(shù)，

為氣體的壓縮性修正系數(shù)，k為氣體的等熵壓縮（或膨脹）指數(shù)，對(duì)于空氣，k=1.40。6.1

皮托管測(cè)速技術(shù)第6章流速測(cè)量直角型（L型）皮托管a)帶半球形頭部的標(biāo)準(zhǔn)皮托管b)帶錐形頭部的皮托管p0

總壓

p

靜壓

d

皮托管頭部直徑6.1

皮托管測(cè)速技術(shù)第6章流速測(cè)量

除了使用最廣泛的標(biāo)準(zhǔn)皮托管外，在一些特殊的場(chǎng)合還經(jīng)常用到其它形式的皮托管，下圖為兩種其他常見皮托管，這些皮托管在使用前都必須經(jīng)過嚴(yán)格標(biāo)定。笛形皮托管測(cè)量高含塵量氣流的皮托管

a)吸氣式b)遮板式c)靠背式6.1

皮托管測(cè)速技術(shù)第6章流速測(cè)量2.二維氣流速度的測(cè)量——球形三孔測(cè)速管球形三孔測(cè)速管構(gòu)造1—赤道面2—子午面3—三孔感壓球形探頭4—接管5—干管6—傳壓管7—分度盤8—指針9—鎖緊螺釘10—鍵槽11—接嘴上圖即為球形三孔測(cè)速管構(gòu)造圖，在探頭的三個(gè)感壓孔中，居中的一個(gè)為總壓孔，兩側(cè)的孔用于探測(cè)氣流方向，故也稱方向孔。當(dāng)兩個(gè)方向孔的壓力相等時(shí)，則認(rèn)為氣流方向與總壓孔的軸線重合。6.1

皮托管測(cè)速技術(shù)第6章流速測(cè)量a)—球形b)—尖劈形c)—普通圓柱形d)—發(fā)散圓柱形e)—聚合圓柱形下圖為三孔測(cè)速管感壓探頭的形式：

三孔測(cè)速管測(cè)量流速大小和方向的工作原理:

6.1

皮托管測(cè)速技術(shù)第6章流速測(cè)量3.皮托管的標(biāo)定射流式校準(zhǔn)風(fēng)洞測(cè)量系統(tǒng)1—穩(wěn)流段2—總壓管3—收斂器4—靜壓測(cè)孔5—被校測(cè)速管6，7—微壓計(jì)6.1

皮托管測(cè)速技術(shù)第6章流速測(cè)量

皮托管標(biāo)定的基本步驟可以概括為:

6.2

熱線（熱膜）測(cè)速技術(shù)第6章流速測(cè)量

熱線（熱膜）測(cè)速是一種熱電式測(cè)速技術(shù)，其相應(yīng)的測(cè)量裝置通常稱為熱線風(fēng)速儀。1.熱線風(fēng)速儀的基本構(gòu)造

熱線風(fēng)速儀由探頭、信號(hào)和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)構(gòu)成。熱線探頭a)一元熱線探頭b)熱膜探頭c)三元熱線探頭6.2

熱線（熱膜）測(cè)速技術(shù)第6章流速測(cè)量2.熱線風(fēng)速儀的工作原理

假定熱線在流體中的熱量散失主要靠其與流體間的強(qiáng)迫對(duì)流換熱，而不考慮熱線的導(dǎo)熱和輻射損失，則有：

對(duì)于與流體流動(dòng)方向垂直放置的熱線探頭，其單位時(shí)間內(nèi)散失的熱量與因電流流過在其上產(chǎn)生的焦耳熱量之間的關(guān)系可表示為：

式中，a和b為與流體參數(shù)及探頭結(jié)構(gòu)有關(guān)的常數(shù)；n為與流速有關(guān)的常數(shù)。6.2

熱線（熱膜）測(cè)速技術(shù)第6章流速測(cè)量a.恒流式熱線風(fēng)速儀工作原理圖a)恒流式b)恒溫（恒電阻）式b.恒溫（恒電阻）式6.3

激光多普勒測(cè)速技術(shù)第6章流速測(cè)量

激光多普勒測(cè)速技術(shù)（LaserDopplerVelocimeter,簡(jiǎn)稱LDV）自60年代初開始應(yīng)用于測(cè)量管內(nèi)水流以來，相關(guān)的研究工作得到了飛速發(fā)展。激光多普勒測(cè)速技術(shù)主要優(yōu)點(diǎn)有：①對(duì)流場(chǎng)無干擾；②輸出特性的直線性相當(dāng)好，不必進(jìn)行標(biāo)定；③除流體折射率外，測(cè)量精度不受其它物理參數(shù)的影響；④空間分辨率高，無慣性因而頻響特性好；⑤測(cè)速范圍廣，可以從10-3mm/s級(jí)的低速到超音速；⑥測(cè)量方向特性穩(wěn)定；⑦可以測(cè)量逆流現(xiàn)象中循環(huán)流的湍流速度成分。缺點(diǎn)：多普勒測(cè)速裝置是一個(gè)比較龐大的測(cè)量系統(tǒng)，與皮托管相比，它不僅價(jià)格昂貴，而且使用操作復(fù)雜，同時(shí)還必須在流動(dòng)管壁上設(shè)置激光觀測(cè)窗口，在被測(cè)流體中加載能夠充分響應(yīng)流體速度的散射微粒等。第6章流速測(cè)量6.3

激光多普勒測(cè)速技術(shù)1.激光多普勒測(cè)速原理

第6章流速測(cè)量6.3

激光多普勒測(cè)速技術(shù)2.測(cè)量多普勒頻移的基本光路系統(tǒng)基本方法:直接檢測(cè)&外差檢測(cè)參考光束系統(tǒng)、單光束系統(tǒng)和雙光束系統(tǒng)（基本光路系統(tǒng)）

直接檢測(cè)法是通過直接測(cè)量散射光頻率來求取多普勒頻移，因受測(cè)量?jī)x器頻響特性的限制，只能用于有限的場(chǎng)合。目前常用的是外差檢測(cè)方法，這種方法是將多普勒頻移的檢測(cè)轉(zhuǎn)換為兩束光波之間頻率差的檢測(cè)。第6章流速測(cè)量6.3

激光多普勒測(cè)速技術(shù)a.參考光束系統(tǒng)參考光束系統(tǒng)光路示意圖LS—激光器S—分光鏡M─反射鏡L1—透鏡P—運(yùn)動(dòng)的微粒N—光闌L2—透鏡PD—光電檢測(cè)器

光鏡以1:9的分光比將來自同一光源的激光分成一束參考光和另一束信號(hào)光，其中參考光以單位矢量Kr的入射方向通過流體直接照射到光電檢測(cè)器上，信號(hào)光則以單位矢量Ki的入射方向照射到流體中微粒P上，以產(chǎn)生散射光，該散射光經(jīng)小孔光闌及接收透鏡也聚焦到光電檢測(cè)器上。第6章流速測(cè)量6.3

激光多普勒測(cè)速技術(shù)b.單光束系統(tǒng)單光束系統(tǒng)光路示意圖LS—激光器P—運(yùn)動(dòng)的微粒L—透鏡S—分光鏡M─反射鏡PD—光電檢測(cè)器單光束系統(tǒng)的測(cè)速公式第6章流速測(cè)量6.3

激光多普勒測(cè)速技術(shù)c.雙光束系統(tǒng)雙光束系統(tǒng)光路示意圖LS—激光器S—分光鏡M─反射鏡L1—透鏡P—運(yùn)動(dòng)的微粒N—光闌L2—透鏡PD—光電檢測(cè)器雙光束系統(tǒng)的測(cè)速公式第6章流速測(cè)量6.3

激光多普勒測(cè)速技術(shù)3.流速方向的判斷方向模糊性：多普勒測(cè)量系統(tǒng)只能測(cè)量流體速度分量vn的大小，而不能同時(shí)判斷其流動(dòng)方向帶有頻移裝置的雙光束光路系統(tǒng)LS—激光器S—分光鏡M─反射鏡B1，B2—聲光器件D—驅(qū)動(dòng)源L—透鏡P—運(yùn)動(dòng)的微粒PMT—光電倍增管FT—頻率跟蹤裝置

通常利用光混合干涉條紋的移動(dòng)特性來判斷流速方向:第6章流速測(cè)量6.3

激光多普勒測(cè)速技術(shù)存在移動(dòng)干涉條紋的測(cè)量區(qū)fD’=f△時(shí)，vn=0；

fD’﹥

f△時(shí)，vn的方向與條紋移動(dòng)方向相反；

fD’﹤

f△時(shí)，vn的方向與條紋移動(dòng)方向相同。第6章流速測(cè)量6.3

激光多普勒測(cè)速技術(shù)4.多維流速的測(cè)量二維參考光束系統(tǒng)光路LS—激光器S—分光鏡M─反射鏡L—透鏡P—運(yùn)動(dòng)的微粒PD1、PD2—光電檢測(cè)器

當(dāng)需要同時(shí)測(cè)量多維流動(dòng)在各個(gè)方向上的流體流速時(shí)，就必須采用二維或三維的多普勒測(cè)速系統(tǒng)。第6章流速測(cè)量6.3

激光多普勒測(cè)速技術(shù)5.多普勒測(cè)速系統(tǒng)的激光器和散射微粒

無論采用哪一種類型的光路，激光多普勒測(cè)速儀器都由以下基本部分組成：激光器、光分束器（分光鏡）、光聚焦發(fā)射系統(tǒng)（透鏡）、光信號(hào)收集與檢測(cè)系統(tǒng)（光闌和光電檢測(cè)器）、頻率信號(hào)處理系統(tǒng)以及散射微粒等a.激光器

主要有兩種：氦氖激光器（波長(zhǎng)6328×10-10m）和氬離子激光器（波長(zhǎng)4880×10-10m或5145×10-10m），其中使用最多的是氦氖激光器。氬離子激光器雖然具有輸出功率大，波長(zhǎng)短的特點(diǎn)，但由于其使用條件比較復(fù)雜，價(jià)格相對(duì)昂貴，一般只用于多維流速測(cè)量系統(tǒng)和測(cè)量高速氣流的后向散射型光路系統(tǒng)。b.散射微粒

對(duì)于水或一般的流體，其中自然存在的雜質(zhì)足以作為散射微粒。但在不少情況下（如燃燒火焰?zhèn)鞑ニ俣群透咚亠L(fēng)洞中的風(fēng)速測(cè)量等），由于被測(cè)流體中自然存在的微粒大小或其濃度不能滿足測(cè)量的需要，或者測(cè)量光路的布置型式受到限制而需要增加被測(cè)流體的散射強(qiáng)度時(shí)，就有必要人為地添加散射微粒。第6章流速測(cè)量6.3

激光多普勒測(cè)速技術(shù)被測(cè)流體可添加的散射微粒被測(cè)流體可添加的散射微粒水滑石粉，聚苯乙烯，脫脂牛奶空氣硅油，水蒸氣，香煙或蚊香的煙氣油氧化鐵火焰氧化鈦，氧化鎂下列出了各種被測(cè)流體所適用的散射微粒散射微粒及其適用的被測(cè)流體第6章流速測(cè)量6.4

粒子圖像測(cè)速技術(shù)

利用示蹤粒子的圖像來測(cè)量流體速度的方法都可以稱作粒子圖像測(cè)速技術(shù)，英文縮寫為PIV（ParticleImageVelocimetry）。1.粒子圖像測(cè)速（PIV）原理a.PIV基本原理第6章流速測(cè)量6.4

粒子圖像測(cè)速技術(shù)b.PIV系統(tǒng)組成

主要包括作為光源的激光器、形成片光的柱面鏡、用來拍攝粒子圖像的照相機(jī)或CCD、進(jìn)行數(shù)據(jù)保存和處理的計(jì)算機(jī)，以及用于控制激光脈沖與相機(jī)快門同步的電子控制器等。下圖為其系統(tǒng)的基本組成圖一般PIV的成像系統(tǒng)采用2臺(tái)激光器，用外同步裝置分別觸發(fā)產(chǎn)生光脈沖，然后再用光學(xué)系統(tǒng)將兩路光脈沖合成，脈沖間隔可調(diào)范圍很大，從1

s到0.1s，因而可以實(shí)現(xiàn)從低速到高速流動(dòng)的測(cè)量。在二維流動(dòng)測(cè)量中，一般采用膠片照相機(jī)和CCD拍攝粒子圖像。對(duì)于三維測(cè)量可以采用兩個(gè)以上照相機(jī)（或CCD）和全息攝影技術(shù)等。第6章流速測(cè)量6.4

粒子圖像測(cè)速技術(shù)2.粒子圖像測(cè)速（PIV）信號(hào)處理a.自相關(guān)分析

自相關(guān)分析采用單幀多脈沖法拍攝的圖像，通常將兩次曝光的粒子圖像記錄在一張底片上，承載粒子對(duì)相關(guān)信息的區(qū)域具有三個(gè)明顯的峰值：一個(gè)中央自相關(guān)峰值和位于其兩側(cè)的兩個(gè)位移峰值，兩個(gè)位移峰值對(duì)應(yīng)的位置決定了粒子的位移，如上圖所示。第6章流速測(cè)量6.4

粒子圖像測(cè)速技術(shù)b.互相關(guān)分析

互相關(guān)分析采用多幀單脈沖法拍攝的圖像，即做相關(guān)處理的兩幅圖像是獨(dú)立存在的，如上圖所示。第6章流速測(cè)量6.4

粒子圖像測(cè)速技術(shù)3.粒子圖像測(cè)速（PIV）技術(shù)的應(yīng)用圖a）是應(yīng)用PIV技術(shù)測(cè)量?jī)?nèi)燃機(jī)缸內(nèi)流場(chǎng)的試驗(yàn)系統(tǒng)示意圖。主要由激光光源、光路調(diào)節(jié)裝置、電子控制系統(tǒng)、粒子浮選及加入裝置、光學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)、圖像拍攝裝置，以及數(shù)據(jù)分析處理系統(tǒng)等構(gòu)成。