流速测量

三激光多普勒测速仪(LDV)
技术指标： 测速范围：mm/s-1000m/s 测速维数：1维，2维或3维 测速精度：0.1% 工作光谱：514.5，488，476.5nm
1．激光器：水冷氩离子激光器 输出功率：5W 光束直径：1.5mm 光束发散角：0.5mrad
三 激光多普勒测速仪(LDV)
2．分光器、光纤耦合器 最大输入光功率：10W 分光光谱：514.5，488，476.5nm 内置布拉格盒
三 相位多普勒粒子分析仪（ PDPA）
Phase Doppler Particle Analyzer
仪器包括320mw氩离子风冷激光器、激光耦合器、RSA信号 处理器、数据处理系统以及激光发射和接收器等。一般情 况下，它的测速范围是-90～283m/s，可测粒径范围是 0.5～90µm，此范围还可通过更换发射镜头加以扩大。
Qf k A / l Tw Tf t A B
d
v
强迫对流传走的热
Qw IW2 RW t 热平衡时：
电流加的热
IW2 RW Tw Tf A1 B1 v
二 热线风速仪
金属丝电阻随温度变化：
Rw R0 1 0 Tw Tf 1 Tw Tf 2
铂丝：0 3.5103 1 K ,1 5.5107 1 K 2
三激光多普勒测速仪(LDV)
基本光路
V
三 激光多普勒测速仪(LDV)
条纹模型
zy
z y
y x
x f
三 激光多普勒测速仪(LDV)
条纹模型
1
d
2
V
d
2 sin
2
fD
V d
2V
0
sin
2
三 激光多普勒测速仪(LDV)
基本布置 V
激光电源
声光调制 器电源
计算机
信号处理器
放大器
光电倍增 管电源
激光测速的原理是：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 度。测得了粒子的速度，也就是流动的速度。
激光测速的最主要的优点是对流动没有任何扰动，测量 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 上速度测量精度最高的仪器。
②恒温式。热线的温度保持不变，如保持150℃，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 泛。
二 热线风速仪
恒流式： R2 >> Rw
R2
R1
E
e1 RW
Rw
I
Rf
I w2 0 R0
A1 B1 V A1 B1
V
二 热线风速仪
恒温式：
IB
R2
R1
I2 I1 e0
Iw Rw
3．处理器 最大输入多普勒频率：FSA3500 100MHz FSA4000 175MHz 最低可处理信噪比：-12dB 数据传输速率：400Mbps 能够进行周期性流动测量 具备外部模拟/数字信号输入功能
三 激光多普勒测速仪(LDV)
4．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 动测量；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、D32、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、 功率谱分析；支持数据导出
四粒子成像速度计( PIV)
PIV 原理
粒子第一 个的像
t 后，粒子 第二个的像
Y X
X X
U lim 2
1,
V lim Y2 Y1
t2t1 t2 t1
t2t1 t2 t1
四 粒子成像速度计( PIV)
典型系统:
电子同步器
CCD
计算机
Nd:YAG激光器
四 粒子成像速度计( PIV)
（b）尾迹的速度场 （d）涡量分布图
PIV定量测量的 活鱼尾迹流场
（来流速度 88mm/s，脉冲 的间隔3ms，查 询区为2.74mm X 2.74mm）
钨丝：0 5.2 103 1 K ,1 7.0 107 1 K 2
0
1, Tw
T0
Rw R0
0 R0
得热平衡方程：
I
2 w
Rw
0
R0
Rw R f
A1 B1
v
二 热线风速仪
热线有两种工作模式：
①恒流式。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；
A1 B1 V Rw Rf
Rw 0 R0
R3
Rw
e e - e V , Tw , Rw , 1 , 2 1 , e0 , IB , eB , I1 , Tw , RW
二 热线风速仪
热线测速仪的主要用途是： （1）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。 （3）测量湍流中的雷诺应力及两点的速度相关性、时间
三 相位多普勒粒子分析仪（ PDPA）
发射器
激光器
接受透镜
处理器
光电倍增管
三 相位多普勒粒子分析仪（ PDPA）
P=1
P=2
m
P=0
四 粒子成像速度计( PIV)
Particle Image Velocimeter
什么是PIV 1. PIV是一种在流场中同时多点（如数千点）
测量流体或粒子速度矢量的光学图象技术。 2. 通常在流场的“平面薄片”中进行测量。 3. 精度和空间分辨率可与LDV及HWA比较。
USTC
二 热线风速仪
热线测速仪的优点是： （1）体积小，对流场干扰小； （2）频率响应高，可达1 MH z。测速量程可达到500m/s （3）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
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 方向的速度分量。 热线测速仪的缺点是： 探头对流场有一定干扰，热线容易断裂。
激光器
CCD
YAG激光器
双YAG激光器的光路系统示意图
四 粒子成像速度计( PIV)
算法
第一次曝光的图象
第二次曝光的图象
双曝光的图象
四 粒子成像速度计( PIV)
算法
CCD
流场的像 100X125mm
计算机
查询区 1X1mm
自相关、互相关
流场的速 度分布
四 粒子成像速度计( PIV)
（a）尾迹中的粒子图 （c）减去来流速度后的速度场
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
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
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。
三 激光多普勒测速仪(LDV) Laser Doppler Velocimeter
5．移动坐标架、探头安装导轨及控制器 行程：600X600X600mm；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：0.01mm；承 重：50公斤以上；控制方式：完全计算机控制
三 相位多普勒粒子分析仪（ PDPA）
Phase Doppler Particle Analyzer
其基本原理是，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 为“热线”。当流体沿垂直方向流过金属丝时，将带走金 属丝的一部分热量，使金属丝温度下降。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 变化，流速信号即转变成电信号。
二 热线风速仪
2 缺点：属于接触式测量，对流场有一定影 响。测量范围较小5~30m/s，流体马赫数不大 于0.8.
二 热线测速仪 Hot Wire Anemometer
1. 热线测速仪的工作原理 2. 热线测速仪的静态特性 3. 两种运行方式 4.热线测速仪的标定
二 热线风速仪
热线测速仪（Hot Wire Anemometer，简称HWA），发 明于20世纪20年代。它是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。
热线长度一般为2mm，直径5μm ， 最小的探头直径仅1μm，长为0.2
mm。
材料为铂、钨或铂铑合金等熔点 高、延展性好的金属。
根据不同的用途，热线探头还做 成双丝、三丝、斜丝及V形、X形 等。
USTC
二 热线风速仪
若以一片很薄(厚度小于0.1微米) 的金属膜代替金属丝，即为热膜 测速仪，功能与热丝相似，但多 用于测量液体流速。
二 热线风速仪
强迫对流传热---占主导地位。 金（King, 1914）公式：
Nu A BRe0.5
Nu
hd k
Re
vd Hale Waihona Puke Baidu
强迫对流传热 气体热传导 惯性力 粘性力
V
Q
Q
iw
Qf hdlTw T
二 热线风速仪
Nu
强迫对流传热 气体热传导
k
A/l
Qf Tw
Tf
t A BRe0.5 King公式
动态流场测试技术
1 皮托管测速 2 热线测速 3 激光多普勒测速(LDV) 4 粒子成像(PIV)
一 皮托管测速
皮托管测速原理：利用流体的总压和静压之 差，即动压来测量流速，也称动压管。也称 风速管。
一 皮托管测速
一 皮托管测速
一 皮托管测速
1 优点：结构简单、制造实用方便、价格低 廉。
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 位特性。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。
PDPA所依据的基本光学原理是Lorenz－Mie散射理论。如同声波的多普 勒效应一样，光源与物体相对运动也具有多普勒效应。在PDPA中，依靠 运动微粒的散射光与照射光之间的频差来获得速度信息，而通过分析穿 越激光测量体的球形粒子反射或折射的散射光产生的相位移动来确定粒 径的大小。