近十年来流动测量技术的新发展

燃烧 流
、
振 荡流
,
涡流
、
湍流
、
旋转 流
、
、
多相 流等 等
、
这 些流动 都
需要人们 提供新 的 测 量 方法 和 新 的 量测 仪 器 使 之 能 够 适 应 单 点 向多点 相 向多相方 向发 展 能
,
平 面 向空 间
稳 态 向瞬态 单
,
这 就促使 人 们 不 断利 用 新 技术 发展新 原 理
,
,
一
系统 具 有 以下
型
,
大特点
,
预 移相线路模
具 有 五 阶 的 动态 方 程
理 论 上 有 重大 突 破
革 除 了全 部 调 节 参
量
,
提 出 了动态 偏 置
,
的 新概 念 和 同步偏 置 的 新 线 路
线路 上 有重 大
, ,
发展
宽
,
利用
技 术 具 有 智 能 化功 能
,
自动 化 程 度 有 重 大 提 高
以后 元件
,
,
第 二 代产 品大约 诞 生在
,
年代初
,
,
光路 系统 为 部 分 集 成 化
,
部
,
处 理 器 为 数 字输 出 的 计 数 型 信 号 处 理 器 技 术 含 量 有 了很 大 提 高
,
并 且 很 快 就 和 计 算机 挂 钩 进入 世纪
形 成 了 现 代 化 的 数 据 处 理 系统
表
项目
从
预移相 线路模 型 五 阶 非 齐 次 方程
免 方便
理论
线路模 型 动态方程
调 节 参量
传 统热线 风 速 计 纯 电阻 模 型
三 阶 非 齐 次 方程 必需
调试 技术
方 波试 验 调 节时 间 操作
很麻 烦
无
智能 化
智能 化功 能
自激 情 况 频带 动态性 能
时 间采 样
一 呻
好
能用 于 高频流场 能 有 差
第
期
盛 森 芝等
近 十 年 来流 动 测量 技 术 的 新发展
近 十 年来 流 动 测 量 技 术 的新 发展
盛森芝 徐 月 亭 袁辉靖
北 京 大学 特赛 流 动测 量研 究 中 心
,
北京
盛 森芝
,
,
年 出生
,
,
年 毕业 于北 京 大 学数 力 系 北 京 大 学教授
,
,
周
培 源 基金 会 理 事 北 京建 大流 体 技 术 研 究院 院 长 著 有 《流 速 测 量技 术 》一
流 速 测 量 技术 也 随 之 得到 了新 的发展 热 线 热 膜 风 速计
, ,
本 文 就这些发展 作 一 扼 要 介 绍
,
关键 词
激光 多 普 勒流速计
相位 多普勒粒 子 分 析仪
,
粒 子 成 像速度场 仪
声 学 多普勒 水 流仪
热线 热 膜 风 速 计 简称
,
技 术 的新 发 展
一
的 基础 是 一 根 无 限 长 的 圆 柱体 在 无 限 大 的流 场 中 的 热 对 流 理 论
,
根据 热平衡原理
热产 生 应该等 于 热耗
散
,
因 而有
绪
其中
。
一
而
,
图
传统 热线 热膜 风 速 计 工 作原 理
为 加 热 电流
一
为工 作 电阻
本 文于
一
收到
力
学
与
实
践
,
年 第
卷
根据 上 述 方 程 可 建立恒 流 式 和 恒 温 式 两 种 形 式 大 体 上 说 都是恒流 式风 速计
发挥
, ,
不同
,
此 种 风 速 计 要 求其 聚 焦 点 的直 径
,
斑 点 间隔 兵了
或
所 以只 有 在 两 点之 间 平 行 通 过 的 粒 子 才 能 得 出 测 试 结 果
这 个 麻 烦 限制 了它 的发 展 流行
这 就不得
不 采用 不 同的放射 角
年 左 右就鸣 金 收
的探 针 结 构 与
一 个 单一 的 探 针 体 积 被 两 支 同 样 颜 色 的光 束 在 焦 点
世纪
、
年代 以 前的风 速 计 大
这 种 风 速 计 其物 理
,
一
之后
,
随 着 电子 技 术 的进 步
,
,
恒温风 速计 反 应快
时 间 常数 小 的 优 点得 到 了
因 而 几 乎垄 断 了 整 个 风 速 计 市 场
我们 称之 为第 二 代热线热膜风 速计
具有
,
模型是
纯 电阻 模 型
其动 态 方 程 是 三 阶 的 非 齐 次方 程
此 种方 法 的 优 点 是
,
由于 复 数
,
负差频
故 固 定频 率 可 放 在 多 普 勒 信 号 动 态 范 围 的 中 央
差 频 信 号 的 周 期数 少 同初 始 信 号 的
从 而 能 使 分 辨 率提 高 一 倍
此法 的
缺 点是
值相 比
由输 入 信 号 的能 量 分 离 造 成
力
学
与
实
,
践
无 有
无 很 容 易 自激 不 适用 于 高频 流动
稳定性
软 件包
新功 能
消 除干 扰 数据 文件显 示 校 准 曲线 显 示 全速 度 校 准 速度矢 量 显 示 微尺 度 用 户接
一
稀
无
第
期
盛森 芝等
,
近 十 年 来 流 动 测 量 技 术 的 新发 展
除 上 而外
的扩 展
探针 型 式 也 有 新 的 发 展
,
机 动性
、
灵 活 性 大 幅度提
同 时 提 高 了 自动
,
— 利 用 了现 代 的 数 字信 号 处 理 技 术 化程 度 精 确化 — 和 在 设 计 思想 上 有 了一 系列 的 根 本性 突 破 出 现 了 以
前 者 采 用 正 交 混 频 技术
氏分 析 正
、
排 除 了人 为 因 素 的 限 制
上
,
个 采 样 点 和 每 个 周 期 起码 具 有
因 而 测 量精度 大 为 提 高
, ,
个 采 样 数 的要 求
,
致 使数 据密 度 始终 保持 在 较 高 的 水 平
,
以
值 为 基础 的 检 测 技术 倍 以上
克 服 了 以 振 幅 阀 限 为 基础 的 检
利用 了
,
测 技术 数据 率低 的 弱 点
书 曾获 国 家教 委 科技 进 步奖 和 优 秀科技 图 书奖 是 预 移 相型 恒 温风 速 计原 理和
一
型 智能流 速 测 量 系统 的 主 要 发 明 人之 一
,
,
该 项 发 明 获 国 家教
、
委 科技进 步奖 和 国 家 发明奖
、 、
与美 国
公司
、
公 司俐乍 立 了两 个现 建
代化 的研 究 中心 对 产 学 研相 结 合 的 方 针 对基 础 科学 技 术 科 学和 工 程 科学三 者 之 间的 关 系等 有一 系列 独 到 的 见解
上 相 交所 构 成
在探 针 体 积 内
,
两 束 光 光线 形 成 如 图
所 示 的 相 干 条纹
当粒 子 通 过 探 针 时
,
从
条 纹 反 射 的光 线产 生 了一 组 被 称 之 为 多 普 勒 波 群 的正 弦 信 号 从每个 条 纹 图 案 拾 取 的 散 射 光 的 频 率 与粒 子 速 度 分 量 之 间 的 关 系 为
,Βιβλιοθήκη Baidu
粒 径 分析 仪 的 高 频 多位 采 样 技 术 使
以及 火 线
,
数据 传 输 接 口 新 技 术联 合
也可 以
在一起 表
,
的信 号 处 理 器 完 全 连 成 一 体
成 为 新 的一 代联 合信 号 处 理 器
称 之 为第 四 代 信 号 处 理 器
其框 图 如 图
是 几 种 类 型 信 号 处 理 器 的性 能 比 较
线 路稳 定
,
频带
调试
动态 性 能 好
,
,
并 且 免 去 了方 波 试 验
技 术上 有 重 大 改 进
的 先 进 软件包
编 制 了 多功 能 多 用 途
,
功能上有 重 大扩展 故 被 美 国 同行 称之 为
”
,
由于 以上 特 点
的最 大 发 展
”
,
“
热
线 热膜 风 速 计 的 革命
“
年 来热 线 风 速 计 称之 年美 国
,
个 以 上 的调 节 参 量 频带 也较 窄
且
调 节 过 程 中相 互 影 响
系 统 很 不 稳定
需 要 做 方 波 试验
,
调 节麻 烦
,
使用 不便
,
不
宜 于 在 高 频 流 动 中使 用 年 以 北 京 大 学 力学 系 盛 森 芝教 授 为 首 的 研 究小 组 提 出 了 预 移 相 型 的 原理 并 且 制成 了 型 智 能流 速 测 量 系 统 这 种
表
名称
带宽
最低
数 据 率 理 论 上 近 壁可
测距 离
主 要 技 术方 法
跟踪 器 拍
计数器
一
石
低
混频
、
锁相
比较
、
鉴频
计数
、
较低
尸
滤波
滤波 双 相 钳位
、
、
、
山 曰
较高
局
、
正 交混频
基于 自动对 中
、
的 动 态 采样
、
自相 关
、
未定
多位
、
基于
、
的动态
采样
、
自动对 中
、
处理
第
期
盛 森芝等
近 十 年 来 流 动 测 量 技 术 的 新发展
型 恒温 热 线
我们 把这 种型 式 的
为 第 三 代 热 线 热膜 风 速 计
公 司 根 据 上 述原 理 制 成 了
图 预移相 型
,
工 作原 理
风速计
,
成 为 目前 市场 上 原 理 最 先 进 的 热 线 风
速计
表
是
一
智 能 流 速 测 量 系统 和 传 统热 线 风 速计 的 性 能 比 较
确 保 了 测 量 的 有 效性 和 正 确 性
改善 了
,
的信 号 处 理 能力
,
并且
相 关信 号 处 理 器 为 代 表 的 产 品
,
就 是 将 一 个 固 定 的 采样 频 率 和 多 普 勒 频 率 进 行 混 频 降低 了 数 字 运 算 的 采样 点 数
,
然后 对 其差 频 作傅
运 算能 区 分
,
特 别 是 涡 量 探 针 的发 明
,
使得 热 线 风 速 计 的 应 用 有 了 新
激 光测 速 技 术 简称
出现 过 两 种 激 光 测 速 装 置
或
的新 发展
,
‘,
一
一 种 叫激 光 渡 越 风 速 计
简称
另 一 种 叫 激 光 多 普勒 风 速 比测 量
计
,
简称
或 小很 多
《
二
,
俗称 双 焦 点激 光 测 速 仪 使 光线 与流 动平 行
功能 也 大 为增 强
年代
产 生 了第 三 代 使 体积减小
, ,
其 主 要特 点是
集成化
,
,
用 户调 试工 作 大 大减 轻
的体 积 进 一 步 缩 小
,
替部 分 光 学 传 送 部 件 高 智能 化
使
— 重量 大 幅度 减 轻
,
— 光纤 化
用 集成 光 学 组 合 件 替 代 离 散 的光 学 用 保偏 的大 功 率 光学 纤 维 代
择滤 波 器频 带 方便
,
致 使 数 据率 大 幅 度 提高
技术
,
能 自动 选
,
克 服 了 计 数 器 技术 中人 为 因 素 影 响 所 带 来 的 严 重 后 果 此 法 的缺 点 是 频 带 上 限不 高
阔值 最 佳 化
测 量 结果 可 靠性 高
操作
实 时性 强
输入
盏
位
波 群 探 侧器 缓冲 寄存
月关
输出 缓冲
位
刁冤 伯 石西
。
二
采样 器
图
相 关 信 号 处 理 器框 图
不久前 择技术
,
,
美国
、
公 司又 推 出 了
流 动 和 粒径 分 析 仪
、
该 仪 器 将原
、
相 关 分 析 仪 的非
正 交 降频 技 术
基于信噪 比 和
的 频 域 波 群 探 测 技术
,
动 态 波 群 对 中技术
采 样 率动 态 最 佳 选
,
,
采用 新结构 和 新 工 艺 以 改 善 仪 器性
,
增 强讯号处 理 能 力
、
提高仪 器 的测 量 精度
、
,
同 时 简化操 作技术
,
使 之便 于 推 广 应 用
近
年来
,
伴 随着 光纤技术
益 成 熟和 完善
,
芯 片技术
激光 技术 数字信 号处 理 技术
、
图形
、
图像 处 理 技术 以及 计 算机 技术 的 日
了 这 一 圆 柱体 的 热对 流 方 程 并 且 给 出 了 方程 的 解 公式 即 这就是 著名 的
, ,
年
推导
导 出 了 热对流 耗散 和 流 动 速 度 之 间 的 关 系
丫 云 其中
代 表 对 流 热耗 散
、
一
为 常数
为流 动 速 度
为 环 境温 度
为 热 线 或 热膜 的 工 作 温 度
入
式 中 九 为多 普 勒 频 率
,
为 光 束 之 间 的半 夹 角
,
入
为激 光 光束 波长
,
为流速
图
’人
探针
图
测 量体积
,
的 第 一 代 市场 产 品 诞 生 于
世纪
年代初
光 路 系 统 为 离 散 的光 学 元 件
处理器 为
、
模 拟 输 出 的 跟踪 型 信 号 处 理 器
分 离散 的 光 学 元 件 所构成
带通 撼波
控 制 器
波群 处 理
幅闽
正 卜 交混 频本振
可编程 组
多位
采样 器
轴 偏码 图
流动粒 径 分 析 仪框 图
相 位 多普 勒 技 术 简称
相 位 多 普 勒 技 术发 明 于
年 第
卷
降低 了
梅倍
数字 化 处 理 速 度 受 到 了 限 制 利 用 自动 波 群 检 测 技 术
实时性 差
, ,
操 作复杂
,
相 关处 理 器 的 主 要 优 点 是
利 用 了 自相 关 技术 的 噪 声 抑 制 能 力 致使 处 理 器 对信 号
以确 保 每 个 波 群 具
值 的 要 求 大 大 降低 有
,
,
摘要
流 动 是 一 种 跨行 业
、
、
跨部 门 跨学 科 的现象 现代 空 气 动 力学
、
、
、
流 体 力学
、
热力学
,
、
水 力学
以及 航 空 航 天 工 程
水利 水 电工程
、
热能工程
冲 击流
、
、
流 体 机 械 工 程 都 提 出 了一 系列 复 杂 流 动 问题
、
其 中包括
、
高速 流
、
低 速流
、
管道 流