流动测试技术

现代测量方法的比较

马丽 M120721

摘要：由于离心泵特殊的几何结构及复杂的内部流动，现在对内部流动的实验测量技术提出了更苛刻的要求，要求具有较高的频率响应特性、微型化和高速数据采集与处理系统，要求能够进行多点、多相、空间、瞬态测试。现对适用于离心泵内部流场测试的现代测试方法进行总结介绍。

叶轮机械及离心泵内部流动测量技术主要有非光学测量技术和流动显示技术。非光学测量技术主要包括探针和热线热膜技术，如多孔探针、旋转探针、热线热膜风速仪（HWFA，Hot Wire and Film Anemometry）和涡量探针等，缺点是：探针和热线/热膜的介入会扰动真实流场，需配置复杂的遥测技术将采集信号从转子传递到静止参考系。流动显示技术有传统的流场显示技术和现代流场显示技术，而传统的流动显示技术又可分为壁面显迹法、丝线法、示踪法和光学法四类，具体有氢气泡法、彩色氦气泡法、油流法、丝线法、阴影法、纹影法、干涉法等。

由于工程的迫切需要，随着光纤技术、芯片技术、激光技术、数字信号处理技术、图像图形处理技术、计算机处理技术日益成熟和完善，流动显示技术得到新的发展，产生了高响应、非接触的现代流动显示技术，包括激光多普勒测速（LDV，Laser Doppler Veloeimetry）技术、相位多普勒（PDPA，Phase Doppler Particle Analyer）技术、粒子图像测速（PIV， Particle Image Velocimetry）技术、激光诱发荧光（LIF，Laser Induced Fluorescence）技术、激光分子测速（LMV，Laser Molecule Velocimetry）技术和压敏涂层测压（PSP，Pressure Sensitive Paints）技术等[1]。

由于离心泵特殊的几何结构及复杂的内部流动，现在对内部流动的实验测量技术提出了更苛刻的要求，要求具有较高的频率响应特性、微型化和高速数据采集与处理系统，要求能够进行多点、多相、空间、瞬态测试。适用于离心泵内部流场测试的现代测试方法主要有以下几种：

（1）片光流动显示技术

某些流场中存在一些特定的区域,其流速与周围流场的流速有明显的差异，如果在该区域的上游投入示踪粒子，用片光照亮该区域与其周围流场的某个截面，当示踪粒子流过该截面时就被照亮，发生散射。由于速度较低的示踪粒子在片光区内滞留的时间较长，而速度高的粒子滞留时间短，因此在某个小的时间间隔内，片光截面上的流场中速度较低处的示踪粒子数量密度将大于速度较高处的示踪粒子的数量密度，散射光较强，而后者散射光较弱。这样，由流过片光截面的示踪粒子群体散射的光强差别就可显示出流场中某个截面上的流速差异。随着该技术的发展,在基本原理和基本装置的基础上,发展出多种片光显示技术及装置，如光学多片光流动显示技术、扫描片光流动显示技术、复合片光流动显示技术和光导纤维片光流动显示技术等。

（2）激光多普勒测速技术（LDV）

当发射一定频率波的发射源与探测器之间存在相对速度时，探测器接收到的频率与发射源的频率会存在一定的频移，这种频移是由二者之间的相对速度引起的，其频移量反映了相对速度的大小，这就是多普勒效应。

当光照射到某一运动着的粒子上，光被粒子散射，相当于运动着的粒子为发射源，散射光被一个固定接收器接收，其频率变化为

（1-1）

式中，υ为粒子运动速度；n为介质的折射率；切为入射激光法线与粒子速度的夹角；ψ为接收器与入射激光的夹角。

激光多普勒测速技术被广泛用于流场的速度测量，技术已非常成熟，成为速度测量的一种基本方法，其实验技术包括参考光法、双光束多普勒法、多光束多普勒法、双频激光多普勒法和滤波检频法等。激光多普勒流场测速，一般需要粒子注入，或流场中含有较强散射能力的杂质粒子，一般只能测量一点速度的某一分量。

（3）相位多普勒技术（PDPA）

相位多普勒技术是一种两相流测量技术，也是基于运动着的粒子与波作用的多普勒效应，测量随流体运动的粒子的速度和粒径。其测速原理与LDV相同，粒径测量原理是利用测量信号的相位差，测量公式为

（1-2）

式中，φ为相位差；m为粒子的折射系数；F(m)为转移函数；d p为粒子直径。

（4）粒子图像测速技术（PIV）

20世纪70年代末由固体散斑法发展起来的粒子图像测速技术（PIV），突破了传统的单点测量的限制，可瞬时无接触测量流场中一个截面上的速度分布，具有较高的测量精度。基本原理是：在流场中布撒示踪粒子，并用脉冲片光光源入射到所测流场区域中，通过连续两次或多次曝光，粒子的图像被一记录在PIV底片或CCD相机记录的图像，获得流场速度分布。

根据流场中粒子浓度大小，PIV技术可分为激光散斑测速技术（LSV）、粒子图像测速技术（PIV）和粒子跟踪技术（PTV）。LSV技术中粒子浓度很高，实际记录在底片或CCD相机上的是粒子群的散斑图像及其位移；PTV技术中粒子很稀，在确定粒子位移时采用单个粒子识别和跟踪的方法，PTV技术也统称PIV技术。根据记录设备的不同，PIV技术又可分为FPIV和DPIV。FPIV是采用胶片作记录，简称PIV；DPIV是用CCD相机作记录，不需湿处理。

PIV技术的测速范围为每秒一毫米至每秒几百米，可以在一个截面上测得瞬时3500~14400个点的速度向量，其精度约为1%，与LDV相当，物理测量体积也与LDV相当。

PIV技术已从早期的流动切面的瞬时二维速度场测量，逐步发展到流动切面的瞬时二维速度场时间历程测量，流动切面的瞬时三维速度场及其时间历程测量（如体视粒子图像测速技术SPIV），及流动空间的瞬时三维速度场测量（如全息粒子图像测速技术HPIV）。

（5）激光分子测速技术（LMV）

激光分子测速技术的基本原理是通过流场中分子与激光场的相互作用，包括散射、吸收、色散、辐射、解离等过程，利用各种线性和非线性光学效应及光学成像技术把流场的物理参数转变为光学参数，通过光学处理而获得流场信息。它综合了线性和非线性激光光谱学、分子光谱学、激光多普勒效应!光学信息处理及图像处理等学科的知识。主要包括瑞利散射法（RS）及滤波瑞利散射法（FRS）、线性和非线性喇曼光谱法!激光诱导荧光法（LIF）、吸收光谱法以及分子标记示