风洞风速与风量测试校准系统

风洞风速与风量测试校准系统课程：热工计量技术学院：计量测试工程学院班级：10力学1班姓名：***学号：*********指导老师：***2013年6月20日目录一、风洞的介绍及概述二、实验原理概述（一）风速的测量校准1、风速测量原理及装置2、测量方法及步骤3、风洞中风速的校准4、误差分析（二）风量的测量校准1、风量测量原理与装置2、测量方法与步骤3、风洞中风量的校准三、心得总结一．风洞的介绍及概述风洞实验是飞行器研制工作中的一个不可缺少的组成部分。

它不仅在航空和航天工程的研究和发展中起着重要作用，随着工业空气动力学的发展，在交通运输、房屋建筑、风能利用等领域更是不可或缺的。

这种方法，流动条件容易控制，可重要依据是运动的相对性原理。

实验时，常将模型或实物固定在风复地、经济地取得实验数据。

为使实验结果准确，实验时的流动必须与实际流动状态相似，即必须满足相似律的要求。

但由于风洞尺寸和动力的限制，在一个风洞中同时模拟所有的相似参数是很困难的，通常是按所要研究的课题，选择一些影响最大的参数进行模拟。

此外，风洞实验段的流场品质，如气流速度分布均匀度、平均气流方向偏离风洞轴线的大小、沿风洞轴线方向的压力梯度、截面温度分布的均匀度、气流的湍流度和噪声级等必须符合一定的标准，并定期进行检查测定。

流体力学方面的风洞实验指在风洞中安置飞行器或其他物体模型，研究气体流动及其与模型的相互作用，以了解实际飞行器或其他物体的空气动力学特性的一种空气动力实验方法；而在昆虫化学生态学方面则是在一个有流通空气的矩形空间中，观察活体虫子对气味物质的行为反应的实验。

简单地讲，就是依据运动的相对性原理，将飞行器的模型或实物固定在地面人工环境中，人为制造气流流过，以此模拟空中各种复杂的飞行状态，获取试验数据。

这是现代飞机、导弹、火箭等研制定型和生产的“绿色通道”。

简单的说，风洞就是在地面上人为地创造一个“天空”。

本系统使用的风洞如下：该风洞属于回流式低速风洞,试验段用透明有机玻璃制作,尺寸为2.4m×2.4m×4m,其最大速度可达60米/秒,结构如图1所示1.固定段2.蜂窝器3.阻尼网4.收缩段5.模型6.风洞天平7.实验段8.压力平衡孔9.扩压段10.电动机11.风扇12.反扭导流片13.整流体14.回流段15.拐角16.导流片图1 风洞效果图二、实验原理概述(一)风速的测试校准1、风速测量原理及装置本系统使用的是激光多普勒测速仪激光多普勒测速的特点a、无接触测量，测量过程对流场无干扰；b、空间分辩率高,适用于边界层、薄层流体及狭通道流体的测量；c、动态响应快，可进行瞬时测量，是研究紊流,测量瞬时速度的新方法；d、测量精度高，该仪器的基本原理是一个精确的物理表达式，基本上与流体的其它特性无关；e、利用测须差来测速度，由于须差和速度从低速到高速是一个线性关系式，故不需校正，并且频移的可测速度范围很大；f、好的方向灵敏性，可以比较方便地测量任意方向上的速度分量。

激光多普勒测速的局限性局限性a、被测流体要有一定的透光度，管道要有透明窗口。

试验段一般采用透明的有机玻璃，但若测量精度要求很高,通常采用光学玻璃；b、测纯净的水或空气时，须人工掺入适当的粒子作散射中心，并对粒子尺寸有一定要求；c 、流速很高时，要求提高激光输出功率，另外由于信号频率高而使信号处理困难；d 、价格较贵，且有一定的防震要求。

1.仪器原理：激光多普勒测速仪（LDA ）：由布拉格单元输出的两束强度相同的光，其中一束被加了一个频移。

这两束光通过聚焦进入光纤，然后被传输到探头。

这些光经过一个聚焦透镜在探测体内相交于一点。

在探测体内，由于光的干涉现象，光的强度被调整而产生一组干涉条纹,条纹的方向与两束入射光的的角平分线平行。

由两列相干涉平面波相互干涉的结果可知，干涉条纹的距离是由激光的波长和两光束的角度决定的：2sin 2θλ=d式中λ——入射光的波长；θ——入射光束的夹角。

当示踪粒子在垂直于干涉条纹方向上随流体以速度V 穿过条纹时，若粒子位于条纹的亮区，则对光的阻挡及散射最大，相反对光的阻挡及散射最小。

因此，散射光中包含了一个多普勒频移，在条纹之后接收到的光信号是一个调制量，它与和这两个光束等分线垂直的速度分量成比例。

光电探测器把光强度的波动转化成电信号，即多普勒脉冲。

多普勒脉冲在信号处理器中被过滤和放大，然后经过频率分析（诸如快速傅立叶变换）确定多普勒频率，进而获得粒子的速度信息。

图1 LDV原理图激光的多普勒效应：当光源和运动物体发生相对运动时, 从运动物体散射回来的光会产生多普勒频移, 这个频移量的大小与运动物体的速度、入射光和速度方向的夹角都有关系。

图2 激光多普勒效应示意图图3 激光多普勒测速技术基本原理及结构框图2.测试系统一台完整的LDV通常由以下几部分组成：光路系统，讯号处理系统，记录、显示部分。

激光器、光束扩展器和准直透镜和分束安装在远离风洞处。

偏振旋转器和聚焦透镜被安放能够通过风洞试验段作轴向和横向测量的X一Y测量架上，从分束器出来的光束由介质膜平面反射镜第一表面射到测量架处。

输出或接收光学系统安装在风洞对面一侧。

针孔光阑和准直透镜被安装在精密微调架上。

全部光学系统均安装在X一Y 测量架上,它与输入光学测量架的位移相配合。

2、测量方法及步骤实验步骤：一、仪器开机（1）打开氩离子激光器的冷却水阀门；（2）开启冷却水循环水泵电源；（3）开启激光器控制面板上“钥匙”开关，等激光器出口处有激光射出，预热10分钟后，再调整激光的功率（这点很重要）。

一般，通过调整功率来对激光的强度进行调整，一般0.5w-0.6w左右即可；（4）接通PDPA系统处理器的电源，打开开关；（5）打开三维坐标架（Lightweight）电源；（6）开启系统计算机。

二、BSA Flow Software软件操作（1）打开BSA Flow，如图3所示。

图3 启动BSA Flow软件（2）新建一个文件，选择“BSA F/P Application”，命名，点击“Ok”，进入操作界面。

（3）连接处理器，如图4所示，将点中Device List下面树状菜单的Processor，右键，左键选中Connect to Processor。

如果连线错误请检查处理器与电脑主机之间的交叉线是否连接正确。

（4）连接三维坐标架，与步骤（3）类似，右键Traverse System，左键点中Connect to Traverse。

（5）调出系统监视器，在操作界面任意位置右键，选择System Monitor。

图5 系统监视器（6）调整坐标架上激光发射镜头（内含探测器）的姿态，让激光的入射角度方便于后续光电探测器捕捉调制信号，调整完毕，将激光发射镜头固定在坐标架上。

（7）右键选择Traverse System，在右键菜单中选择Traverse Controller，调出三维坐标架的控制器，将坐标架调整到待测点，如果是多点测量，则一般先将激光焦点调整到测点网格的原点。

（8）调出Processor的右键菜单，点击配置管理器Configuration Manager，跳出如图6所示的对话框，可以选择进行测试项目的类型，如1D LDA指测一维速度，1D PDA即测一维速度的同时，还测量示踪粒子的直径，选择完毕，点击完成，系统会自动重新进行初始化配置。

图6 配置管理器图7 激光焦点在光电信号探测器内位置的调整（9）通过调整光电信号探测器的机械定位机构，使其与激光发射镜头的相对位置能满足信号探测的要求，在这个调整的过程中主要通过观察光电信号探测器的小视窗观察激光的焦点是否处在探测器内圆环标记的中心。

（10）完成步骤9之后，观察系统监视器内各通道是否出现稳定的突发信号（Burst signal），并与多普勒频移信号的特征一致，如果突发信号未出现，则需要对光电信号的探测器的位置和姿态进行微调，反复调试直到系统监视器上的突发信号稳定且满足多普勒信号的一般特征，同时Group下的Data rate、Validation等都达到较高的水平，如图8所示。

图9 运行数据采集（11）信号采集。

点击工具栏上的运行“run”按钮进行数采集。

（12）右键Project Explorer树状菜单下的Start，选择New，添加一个表格List，此时测量的数据就会直接加载到表格内，其它的数据，如粒径分布，也可以从这个界面中进行添加。

之后的数据采集则可以通过工具栏的数据加载“Load”按钮进行加载。

图8 突发信号三、导出数据。

点击菜单栏上的File/Export…选择保存路径和文件名，点击保存即可。

3、风洞中风速的校准实验时需注意有两个地方需要对准：二个位移方向的机械对准和光学系统的对准。

机械对准包括位移平台相对于试验段窗口的定位以使测量位移能包容试验段的窗口,然后校水平并对准它们,使得在水平移动时移动着的测点与试验段窗口保持等距离。

并使横向穿越时,移动着的测点与窗口垂直。

输入光学平面反射镜对准得使三束输入光束的交点(测量体积) 在位移过程中保持在水平面内。

依靠输入侧量架和输入聚焦透镜定位测量体积实验位于试验段的垂直中心线上(Y=0)。

4、误差分析为了进一步提高激光多普勒测速仪测速精度, 在实际测量过程中必须考虑各方面的影响, 使之达到最佳效果。

为此, 实验时需要选用线宽较窄的激光器；选用孔径较小的探测器；在满足外差干涉条件的情况下, 适当增大两光束光轴之间的夹角；在保证信号强度的前提下, 适当增大待测点到半透半反镜上有效光斑中心的距离，以减小系统的测量误差。

在选择信号光中心光线的方向与粒子的运动方向的夹角H 时, 既要考虑原理公式近似和探测器孔径的尺寸引起的误差, 也要考虑有限渡越时间引起的误差。

探测器孔径的尺寸引起的误差较为明显, 因此可适当选择较小的夹角；另一方面较小夹角会使信号的强度下降, 所以这一参数需要在实验过程中反复调试, 以选取最佳值。

在选择光束光斑半径时, 同样也需要同时考虑高斯光束干涉和有限渡越时间引起的误差和激光的质量。

(二)风量的测试校准1、风量测量原理及装置本系统使用的是威力巴流量计威力巴流量计性能特点：测量精度：± 1% 重复精度：± 0.1%适用压力：0～40MPa 适用温度：－180℃～+ 550℃测量上限：取决于探头强度测量下限：取决于测量最小差压要求量程比：大于10∶1适用管径：38mm～9,000mm 圆管、方管适用介质：满管、单向流动的、单向的气体、蒸汽和粘度不大于1 0 厘泊的液体威力巴的使用范围及其广泛，它大量用于各种气体、液体和蒸汽的测量，以下为典型应用介质。

气体/液体/蒸汽天然气/冷却水/饱和蒸汽压缩空气/锅炉水/过热蒸汽燃气/除盐水气体碳氢化合物/液体碳氢化合物热空气/低温液体发生炉气体/导热液体当流体流过探头时，在其前部产生一个高压分布区，高压分布区的压力略高于管道的静压。