激光多普勒测速仪课件.ppt
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1、第第8章章 流体压强、速度流体压强、速度和流量的测量和流量的测量8.1 流体压强的测量流体压强的测量8.2 流体速度的测量流体速度的测量8.3 流量测量流量测量USTC8.2 流体速度的测量流体速度的测量1 风速管和多孔探头风速管和多孔探头2 风速管标定实验风速管标定实验3 热线风速仪热线风速仪4 激光多普勒测速仪激光多普勒测速仪5 粒子成像速度计粒子成像速度计USTC3 热线风速仪热线风速仪Hot Wire Anemometer1.1.热线风速仪的工作原理热线风速仪的工作原理2.2.热线风速仪的静态特性热线风速仪的静态特性3.3.两种运行方式两种运行方式4.4.热线风速仪的标定热线风速仪的标
2、定USTC3 热线风速仪热线风速仪v热线测速仪热线测速仪(Hot Wire Anemometer,简称,简称HWA),发明),发明于于2020世纪世纪2020年代。它是年代。它是将流体速度信号转变为电信号的一将流体速度信号转变为电信号的一种测速仪器,也可用于测量流体的温度。种测速仪器,也可用于测量流体的温度。v其其基本原理基本原理是,将一根细的金属丝放在流体中,通过电流是,将一根细的金属丝放在流体中,通过电流加热金属丝,使其温度高于流体的温度,因此将金属丝称加热金属丝,使其温度高于流体的温度,因此将金属丝称为为“热线热线”。当流体沿垂直方向流过金属丝时,将带走金。当流体沿垂直方向流过金属丝时,
3、将带走金属丝的一部分热量,使金属丝温度下降。属丝的一部分热量,使金属丝温度下降。热线在气流中的热线在气流中的散热量与流速有关,散热量导致热线温度变化而引起电阻散热量与流速有关,散热量导致热线温度变化而引起电阻变化,流速信号即转变成电信号。变化,流速信号即转变成电信号。USTC3 热线风速仪热线风速仪v热线长度一般为热线长度一般为2mm,直径,直径5m,最小的探头直径仅最小的探头直径仅1m,长为,长为0.2 mm。v材料为铂、钨或铂铑合金等材料为铂、钨或铂铑合金等熔点熔点高、延展性好的金属高、延展性好的金属。v根据不同的用途,热线探头还做根据不同的用途,热线探头还做成双丝、三丝、斜丝及成双丝、三
4、丝、斜丝及V形、形、X形形等。等。USTC3 热线风速仪热线风速仪v若以一片很薄若以一片很薄(厚度小于厚度小于0.1微米微米)的金属膜代替金属丝,即为热膜的金属膜代替金属丝,即为热膜风速仪,功能与热丝相似,但多风速仪,功能与热丝相似,但多用于测量液体流速。用于测量液体流速。USTC3 热线风速仪热线风速仪v热线测速仪的热线测速仪的优点优点是:是:(1)体积小,对流场干扰小;)体积小,对流场干扰小;(2)频率响应高,可达)频率响应高,可达1 MH z。(3)测量精度高,重复性好。)测量精度高,重复性好。(4)适用范围广。不仅可用于气体也可用于液体,在气体)适用范围广。不仅可用于气体也可用于液体,
5、在气体的亚声速、跨声速和超声速流动中均可使用;可以测量的亚声速、跨声速和超声速流动中均可使用;可以测量平均速度,也可测量脉动值和湍流量;还可以测量多个平均速度,也可测量脉动值和湍流量;还可以测量多个方向的速度分量。方向的速度分量。v热线测速仪的热线测速仪的缺点缺点是:是:探头对流场有一定干扰,热线容易断裂。探头对流场有一定干扰,热线容易断裂。USTC3 热线风速仪热线风速仪强迫对流传热强迫对流传热-占主导地位。占主导地位。金(金(King,1914)公式:)公式:TTdlhQwfUSTCViwQQ0.5ueNABRuehdNkvdR强迫对流传热气体热传导惯性力粘性力3 热线风速仪热线风速仪US
6、TC0.52211/fuewffwfwWWWWwfQNABRKingk A l TTtdQk A l TTt ABvQI R tI RTTABv强迫对流传热公式气体热传导强迫对流传走的热电流加的热热平衡时:3 热线风速仪热线风速仪USTC金属丝电阻随温度变化:金属丝电阻随温度变化:vBARRRRIRRRTTKKKKTTTTRRfwwwwwfwfww1100200001027130271302100,1100.7,1102.51105.5,1105.31得热平衡方程:钨丝:铂丝:3 热线风速仪热线风速仪USTC热线有两种热线有两种工作模式工作模式:恒流式。通过热线的电流保持不变,温度变化时,恒流
7、式。通过热线的电流保持不变,温度变化时,热线电阻改变,因而两端电压变化,由此测量流速;热线电阻改变,因而两端电压变化,由此测量流速;恒温式。热线的温度保持不变,如保持恒温式。热线的温度保持不变,如保持150,根据,根据所需施加的电流可度量流速。恒温式比恒流式应用更广所需施加的电流可度量流速。恒温式比恒流式应用更广泛。泛。3 热线风速仪热线风速仪USTC恒流式:恒流式:ER2R1RWe1R2 RwVBARIVBARRwfIw11002113 热线风速仪热线风速仪USTC恒恒温温式:式:R2R1R3RwI1I2IBe0V ,Tw ,Rw ,e1 ,e2-e1 ,e0 ,IB ,eB ,I1 ,Tw
8、 ,RW0011RRRRVBAIwfwRww3 热线风速仪热线风速仪v热线测速仪的热线测速仪的主要用途主要用途是:是:(1)测量平均流动的速度和方向。)测量平均流动的速度和方向。(2)测量来流的脉动速度及其频谱。)测量来流的脉动速度及其频谱。(3)测量湍流中的雷诺应力及两点的速度相关性、时间)测量湍流中的雷诺应力及两点的速度相关性、时间相关性。相关性。(4)测量壁面切应力(通常是采用与壁面平齐放置的热)测量壁面切应力(通常是采用与壁面平齐放置的热膜探头来进行的,原理与热线测速相似)。膜探头来进行的,原理与热线测速相似)。(5)测量流体温度(事先测出探头电阻随流体温度的变)测量流体温度(事先测出
9、探头电阻随流体温度的变化曲线,然后根据测得的探头电阻就可确定温度。除化曲线,然后根据测得的探头电阻就可确定温度。除此以外还开发出许多专业用途。此以外还开发出许多专业用途。USTC3 热线风速仪热线风速仪v热线探头在使用前必须进行热线探头在使用前必须进行校准校准。静态校准是在。静态校准是在专门的标准风洞里进行的,测量流速与输出电压专门的标准风洞里进行的,测量流速与输出电压之间的关系并画成标准曲线;动态校准是在已知之间的关系并画成标准曲线;动态校准是在已知的脉动流场中进行的,或在测速仪加热电路中加的脉动流场中进行的,或在测速仪加热电路中加上一脉动电信号,校验热线测速仪的频率响应,上一脉动电信号,校
10、验热线测速仪的频率响应,若频率响应不佳可用相应的补偿线路加以改善。若频率响应不佳可用相应的补偿线路加以改善。USTC4 激光多普勒测速仪激光多普勒测速仪(LDV)Laser Doppler Velocimeter v激光测速的激光测速的原理原理是:是测量通过激光束的示踪粒子的多是:是测量通过激光束的示踪粒子的多普勒信号,再根据速度与多普勒频率的关系得到粒子速普勒信号,再根据速度与多普勒频率的关系得到粒子速度。测得了粒子的速度,也就是流动的速度。度。测得了粒子的速度,也就是流动的速度。v激光测速的最主要的激光测速的最主要的优点优点是对流动没有任何扰动,测量是对流动没有任何扰动,测量的精度高,测速
11、范围宽,而且由于多普勒频率与速度是的精度高,测速范围宽,而且由于多普勒频率与速度是线性关系,和该点的温度,压力没有关系,是目前世界线性关系,和该点的温度,压力没有关系,是目前世界上速度测量精度最高的仪器。上速度测量精度最高的仪器。USTC4 激光多普勒测速仪激光多普勒测速仪(LDV)v基本光路基本光路VUSTC4 激光多普勒测速仪激光多普勒测速仪(LDV)v条纹模型条纹模型USTCfxzyzyyx4 激光多普勒测速仪激光多普勒测速仪(LDV)v条纹模型条纹模型USTCV12d2sin22sin20VdVfdD4 激光多普勒测速仪激光多普勒测速仪(LDV)v基本布置基本布置V激光电源激光电源声光
12、调制声光调制器电源器电源计算机计算机光电倍增光电倍增管电源管电源信号处理器信号处理器放大器放大器USTCv技术指标:技术指标:测速范围:测速范围:mm/s-1000m/s测速维数:测速维数:1维,维,2维或维或3维维测速精度:测速精度:0.1%工作光谱:工作光谱:514.5,488,476.5nmUSTC4 激光多普勒测速仪激光多普勒测速仪(LDV)1激光器:水冷氩离子激光器激光器:水冷氩离子激光器 输出功率:输出功率:5W 光束直径:光束直径:1.5mm 光束发散角:光束发散角:0.5mrad2分光器、光纤耦合器分光器、光纤耦合器最大输入光功率:最大输入光功率:10W分光光谱:分光光谱:51
13、4.5,488,476.5nm内置布拉格盒内置布拉格盒3处理器处理器 最大输入多普勒频率:最大输入多普勒频率:FSA3500 100MHz FSA4000 175MHz最低可处理信噪比:最低可处理信噪比:-12dB数据传输速率:数据传输速率:400Mbps能够进行周期性流动测量能够进行周期性流动测量具备外部模拟具备外部模拟/数字信号输入功能数字信号输入功能USTC4 激光多普勒测速仪激光多普勒测速仪(LDV)4数据处理、显示软件数据处理、显示软件在线实时采集显示数据;支持数据回放;支持周期性流在线实时采集显示数据;支持数据回放;支持周期性流动测量;支持各种速度统计:平均速度、均方根、剪应动测量
14、;支持各种速度统计:平均速度、均方根、剪应力、湍流度;支持粒径统计:平均粒径、力、湍流度;支持粒径统计:平均粒径、D32、体积通量;、体积通量;各统计参数关联分布;提供各参数的自相关、互相关、各统计参数关联分布;提供各参数的自相关、互相关、功率谱分析;支持数据导出功率谱分析;支持数据导出5移动坐标架、探头安装导轨及控制器移动坐标架、探头安装导轨及控制器行程:行程:600X600X600mm;含探头安装支架及控制器;电;含探头安装支架及控制器;电缆长度:满足工作场地要求;位置分辨率:缆长度:满足工作场地要求;位置分辨率:0.01mm;承;承重:重:50公斤以上;控制方式:完全计算机控制公斤以上;
15、控制方式:完全计算机控制USTC4 激光多普勒测速仪激光多普勒测速仪(LDV)4 相位多普勒粒子分析仪(相位多普勒粒子分析仪(PDPA)Phase Doppler Particle Analyzerv相位多普勒粒子分析仪顾名思义是利用多普勒效应来测量相位多普勒粒子分析仪顾名思义是利用多普勒效应来测量运动粒子的相关特性。它是由激光多普勒测速仪发展而来运动粒子的相关特性。它是由激光多普勒测速仪发展而来的,至今已有近二十年的历史。的,至今已有近二十年的历史。vPDPAPDPA所依据的所依据的基本光学原理基本光学原理是是LorenzLorenzMieMie散射理论。如同散射理论。如同声波的多普勒效应一
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