第一章 流动测试技术概述

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第一章 现代流动测试技术概述
1.3 流体流动信号的特征 二、湍流特性
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1.3 流体流动信号的特征 二、湍流特性
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第一章 现代流动测试技术概述
1.4 流动测试技术的发展历程
常用的流动测速技术对比
测试技术
毕托管 旋桨流速仪
考虑强迫对流的热交换条件下， 头大小限制，对测量空间分辨率有要求。 金属丝温度随着流体流速改变。 上述方法均是接触式测量
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热线热膜测速

基于无限长线和流体之间 的热对流理论，在只考虑 强迫对流的热交换条件下 ，金属丝温度随着流体流 速改变
I 2 R A(TwTf ) (a bvn )(Tw Tf )
0.1－2500
标定范围 >0.1 100-3000
单点
单点 全场 全场
需要
需要 需要 不需要
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第一章 现代流动测试技术概述
1.4 流动测试技术的发展历程
皮托管测速
原理：以其发明者，法国工程师Henri
Pitot的名字命名，它由总压探头和静压
探头组成，利用 流体总压与静压，即动 压来测量流速，故也称为动压管。
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（3）激光多普勒测速的进一步发展应用
1.激光相位多普勒测量系统（PDA/ PDPA ）
频率差
速度
粒径
相位差
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1.4 流动测试技术的发展历程

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第一章 现代流动测试技术概述
1.1 流动测试技术的基本概念
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第一章 现代流动测试技术概述
1.1 流动测试技术的基本概念
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流动测试技术的基本概念
测试系统的基本组成
一般说来，测试系统由传感器、中间变换装置和显示记录装置三部分组成
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1.2 流动测试技术的研究意义 流动测试技术的研究方法主要概括为以下几种：
直观物理现象观察分析 基本物理特性的样本试验和局部试验 基本运动数学物理方程的建立和分析 现场实体观测 物理比尺模型试验 物理模型数值计算 物理模型与数学模型相互耦合的交叉模型试验 实际的流动现象极为复杂，如多相流体，无法用定量的理论 分析，数学模型在边界条件、初始条件和参数的确定、三维 问题等方面存在众多困难，实验研究仍是解决多数流体测量 问题的主要方法。 流体测试技术发展的历史也是流体测量仪器的发展历史， 尤其是对于紊流瞬时流场的测量问题。 探索准确、全面获取流体运动信息的测试技术
Almost all industrial flows are turbulent. Almost all naturally occurring flows on earth, in oceans, and atmosphere are turbulent. Turbulent motion is 3D, vortical, and diffusive governing NavierStokes equations are very hard(or impossible) to solve. Measurements are difficult Industrial: investigate technical problems; check technical specifications；verify performance，improve performance Engineering: determine parameters in turbulence mode； develop，extend, refine models ； investigate model limits Theoretical fluid mechanics：verify model predictions；verify theoretical prediction，verify new concepts Conceptual ideas: search for new ideas
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（2）声学多普勒测速原理
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（3）激光多普勒测速（LDV）原理
相对论
系统组成：
1. 激光器：氦氖激光器（mW）、氩离子激光器（W） 2. 入射光学单元：将激光束分成多束互相平行的入射光，再通过 聚焦透镜聚到测量点。 3. 接收光学单元：收集运动微粒通过测量体时的散射光，再转换 成多普勒频移频率的光电流信号。 4. 多普勒信号处理器：对多普勒信号进行处理，如频率跟踪器、 计数式处理器等，将频率量转换成数字量 5. 数据处理系统：得到各种流动参数
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1.3 流体流动信号的特征 二、湍流特性
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1.3 流体流动信号的特征 二、湍流特性
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1.3 流体流动信号的特征 二、湍流特性
第一章 流动测试技术概述
特点：结构简单、制造使用方便、价
格低廉，而且只要精心制造并经过严格 标定和适当修正，即可在一定的速度范 围内达到较高的测量精度。 使用：一端弯曲的细管，将其 皮托管测取的是流场空间某点的平均 开口放在流场中，并正对着流 速度，且是接触式测量，因而探头的尺 体方向，当液体注入细管不再 寸决定了皮托管测速的空间分辨率。目 流动，其全部动能转换为势能。前皮托管头部直径约为0.1-0.2mm。
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皮托管测速
它由总压探头和静压探头组成， 利用 流体总压与静压，即动压来 测量流速，故也称为动压管。
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1.4 流动测试技术的发展历程
旋桨流速仪
原理：机械能转换，动水压力产生转
动，流速越大，旋桨转动越快。一般分 为 电阻式、电感式及光电式。
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1.2 流动测试技术的研究意义
（1）推动相关学科的发展：的实验技术和实验手段出现后，观察到 新现象，了解新机理，推动学科发展，产生新学科分支。 （2）从应用的对象，部门和行业： 应用广泛：跨学科、跨行业、跨 部门的物理 现象 （3）解决流体力学及流体工程中的关键问题：
测量方式
接触式 接触式
适用范围 （mm/s）
>80 >25
测量体
单点 单点
跟随粒子
不需要 不需要
氢气泡技术
HWFA （热线膜测速） LDV
非接触式
接触式 非接触式
<300
<3*10^5 0.01-超音速
全场
单点 单点
需要
不需要 需要
ADV
LIF 激光诱导荧光 PIV PT(层析成像)
非接触式
非接触式 非接触式 非接触式
1.3 流体流动信号的特征
一、层流和湍流的2种形态：
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1.3 流体流动信号的特征
二、湍流特性 1. 不规则性或随机性。不可预测， 用统计的方法 2. 扩散性。湍流传热、传质和阻力（动量传递）与湍流的扩散有 关 3. 大雷诺数。只有在大雷诺数下才出现湍流。 4. 涡旋性。充斥大大小小的涡，以高频扰动涡为主要特征 5. 耗散性。分子粘性耗散能量，平均动能供给。耗散系统。 6. 连续性。满足连续性介质方程，N－S方程 7. 动特性依赖于边界条件。湍流边界层和尾迹流，工程上没有统 一的模式处理，但其本质是普适的，寻找它正是湍流研究的中心 任务。 8. 记忆特性。 在不同时刻不同空间上是互相关联的 9. 间歇特性。 湍流中某些高阶物理量并不在空间的每一个点都存 在；边界层边缘的情况 10. 猝发与拟序结构。 湍流中的某些涡量凝结的团，相干结构， 猝发现象。无序（随机）中叠加有序（拟序涡)
1.4 流动测试技术的发展历程
热线热膜测速（Hot wire/film anemometry,HWFA）
原理：1902年由Shakepear在伯明翰 完成，1914年由King提出无限长线和流 体之间的热对流理论，推出King公式，
奠定HWFA基础。一般分为 热线、热膜。
特点：空间分辨率高、背景噪声低、 测量范围大、对流体干扰小，仅限于低 温、低速、低紊流度、常特性检测。 使用：在流场中旋转一根通有 电流的细而短的金属丝，在只 热线热膜测速测取的是流场空间某点 的平均速度，且是接触式测量，且受探
入射激光的多普勒频移，计算粒子运动 速度。 特点：空间、时间分辨率高，不影响 场，不受温度、密度和成分影响，响应 速度快，但需要示踪粒子，对研究条件 （透光度、颗粒浓度等 ）有较高要求。
上述方法均是单点测量
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（1）多普勒效应

（1）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
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1.3流体流动信号的特征
一、层流和湍流的2种形态： 1883年雷诺的流动可视化实验：水平管道的水流中引入有色液体 或染料显示流动，观察到由层流到时湍流的现象，推动了相似定律 和雷诺数概念的提出。
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特点：结构简单、制造使用方便、性
价比较高。 旋桨流速仪测取的是流场空间某点的 平均速度，且是接触式测量，无法获得 使用：将固定在传感器支架上 的旋桨置于水流中测速点，旋 桨正对水流方向，由动水压力 产生 转动。
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脉动量，且测量精度难以满足较高要求。
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传感器将被测物理量（如压力、速度、噪声、温度及其导出物理量）检出 并转换为电量 中间变换装置对接收到的电信号用硬件电路进行分析处理或经过A/D变换 后用软件进行信号分析 显示装置将测量结果显示出来，提供给观察者。 信号分析方法：以傅里叶分析为主 涉及的理论：概率论与随机过程理论、分形理论、小波理论等 特征参数：时均值、脉动量均方根值；由自相关、互相关函数导出的时间尺度 和积分长度、分维数、多重分形谱、时频谱分析等
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1.1 流动测试技术的基本概念
测试是具有试验性质的测量，是以确定被测对象属性值为目的的探索性 认识过程，具有探索、分析和研究的特征 测试技术是实验科学的一部分 （1）研究各种物理量的测量原理 （2）研究分析处理所测量信号的方法 测试技术是进行各种科学实验研究和生产过程参数测量必不可少的手段。 流体测试技术概念：研究流体流动的测量原理及测试信号分析方法的学 科，是一门综合性很强的工程应用学科 介绍最新发展的流动测试技术及流动信号分析理论和方法（傅里叶分析、 小波分析等）： （1）流动测量（flow measurement)：获得流体传输的定量信息，主 要包括流速、浓度、流量等流动参数 （2）流动显示（flow visualization）：将流体流动状况的物理现象， 用特定设备（摄像头、片光源、示踪剂、计算机）等方法显示出来，进行 定性或定量分析，给出物理解释。
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（3）激光多普勒测速（LDV）原理
激光多普勒测速的检测方法主要有两种：直接检测和外差检测。
直接检测：可见光 波的频率通常在 1014 Hz 左右，有实 用意义的多普勒频移 最高不过108 -109 Hz。 常用的光电器件不能 响应光波的频率，对 探测器的光电器件性 能要求太高，基本不 用。 外差检测：参考光 模式，单光束-双散 射模式和双光束-双 散射模式
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第一章 现代流动测试技术概述
1.4 流动测试技术的发展历程
激光/声学多普勒测速技术 （Laser/Acoustic Doppler velocimeter, LDV）
激光多普勒原理：利用激光的多普勒 效应。只要物体散射光线，应可以利用 多普勒频移效应测量流速，利用流场中
粒子的Mie 散射，测量散射光相对于原