《流动参数测试技术》课件第1章

流动参数测试技术
§1 流动参数测试技术基础 1.2 信号与测试系统
1.2.2 傅里叶分析 6. 相关分析及应用 设两信号（周期或随机信号）x(t) 和 y(t) ⑴. 相关系数ρxy（判别整体相似）：
ρ xy =
流动参数测试技术
∫ ∫
∞ −∞
∞
−∞
x (t ) y (t ) dt
∞ −∞
x 2 (t ) dt ∫ y 2 (t ) dt
静态 动态 静态 静态 动态 动态 动态
∨
∨
§1 流动参数测试技术基础 1.1 概述
流动参数测试技术
1.1.4 流动类型（流动特点和性质） 1. 真实流体：质点有剪切（粘性） 质点间有热传递；流固表面附着；流固表面同温 理想流体：质点无剪切（粘性） 质点间无热传递；流固表面滑移；流固表面温度突变 2. 单相流体：气 - 液；液 - 液（混合流）；多相流体：气 - 液（气泡） 气 - 固（粒子、颗粒）；液 - 固（颗粒） 3. 流态：层流；湍流（紊流） 1.1.5 应用范围（流动参数测试内容） 1. 气 - 固（催化剂）；液 - 固（油砂）；气 - 液（油气）；液 - 液（油水） 2. 多相分离研究；多向流动研究；高参数流动研究 传热流动研究；相变流动研究；燃烧雾化研究等 3. 重点：信号分析基础（动态测量理论基础） 动态参数（一般不讨论静态参数）；参数场（包含单点流体参数） 多相参数（包含单相流体参数） 应用测量技术（一般不讨论简单通用参数测量技术） 特殊测量方法（非传统常规测量技术）
物性参数 密度、粘度、热膨胀率、压缩系数、比热容、绝热指数、导热系数等 流态参数 紊流强度（脉动）、雷诺应力（脉动压力）等
§1 流动参数测试技术基础 1.1 概述
流动参数测试技术
1.1.3 测试技术对比 技术基础测试技术，不包括专业测试技术 如化机测试技术、热工测试技术、流变测试技术等 测量参数 流速 其他 流动场 温度场 压力 温度 (v, p 分布) (T 分布) 主要参数 测试技术 (流量) 机械工程 测试技术 热物理 测试技术 流体力学 实验技术 流动参数 测试技术 ∨ 静态 静态 振动,位移 应变和力等 ∨ 简单 流场 复杂 流场 流场 有关 热焓,热量 物性参数等 流体作用力 流动损失等 M 数,密度, 压缩系数及 特殊参数等 特点 通用传统测试技术 一般单点参数 不考虑空间分布 专业研究测试技术 主要考虑与能量 和物性有关参数 课程实验测试技术 主要考虑流体运动 和物性参数 科研实验测试技术 非常规非传统应用 考虑时间空间变化
§1 流动参数测试技术基础 1.2 信号与测试系统
流动参数测试技术
动态信号分析处理基础（对非电类专业） 周期、非周期信号描述：时域 x(t)、频域(相频谱、幅频谱) X( f ) 、X(ω)或 X( jω) 随机信号信号描述：均值μx ；方差σx 和均方值σx2 概率密度函数 p(t) ；自相关函数 R(t)；功率谱密度函数 S(f) 等 1.2.1 信号描述与分类 1. 确定性信号（数学关系式或图表描述） 周期信号：离散频谱(谱线为基频整数倍)，x(t)＝x( t＋nT) n＝0,±1,…，T 为周期 非周期信号：连续频谱 2. 非确定性信号（随机信号）：平稳、非平稳信号 3. 连续信号：模拟信号； 4. 离散信号：数字信号 5. 特殊信号：分析测试系统响应及性质
流动参数测试技术
Measuring and Testing Techniques of Flow Parameter
中国石油大学（华东）
化学工程学院化工装备与控制工程系
2012.3
流动参数测试技术
课程内容
流动参数测试技术
§1 流动参数测试技术基础 §1.1 概述 §1.2 信号与测试系统 §1.3 现代测试技术简介 §2 传统流动参数测试技术 §2.1 流体流动显示技术 §2.2 运动流体压力测量 §2.3 气流速度和方向测量 §2.4 动态温度测量 §2.5 流量计量与测试 §2.6 相关流量测量技术 §3 近代流动参数测试技术（重点） §3.1 热线热膜测速技术（HWFA） §3.2 激光多普勒测速技术（LDV & PDA） §3.3 粒子图象测速技术（PIV & PTV） §3.4 流动参数测试技术新进展 §4 流动参数测试实验（推荐） 动态测试及数据采集；气流速度方向；热线热膜；激光多普勒；粒子成象
∞ ∞
若τ ＝τ0 时 Rxy 有极大值，说明时差为τ0 时 x(t) 与 y(t) 有最大相关性 ⑶. 典型信号自相关函数 信号 x(t) 正弦波 自相关函数 R (τ ) 特征 四种典型信号的自相关函数 保留幅值和频率信息 （余弦波）丢失初始相位 正弦波 周期信号的 R (τ ) 具有周期性 τ→∞时 R (τ)不衰减 ＋随机噪声 非周期信号的 R (τ ) 衰减 窄带 窄带噪声衰减慢 随机噪声 非周期信号的 R (τ ) 衰减 宽带 随机噪声 宽带噪声衰减快
∫
说明：①. 注意时域时间参数为 “ t ” ；频域频率参数为 “f ” 或圆频率 “ω ” 或复频率 “ jω” ②. “x” 或 “X” 代表数学表达式，既可用于时域，如 X(t) ；也可用于频域，如 x(f ) 但时域和频域的自变量参数 “ t ”、“f ” 不能互换。一般时域用小写，频域用大写 ③. x(t) 和 X(f) 在时域和频域中还是同一个信号，只是信号表达形式不同
流动参数测试技术
测量 —— 为确定被测对象的量值而进行的全部操作过程 形成计量的前提，固定化和成熟化的测试 测试 —— 具有试验性质的测量 测量的先导、扩展和外延，测量的特殊形式 为计量开拓新领域，提供新技术和方法 计量 —— 利用技术和法制手段实现单位统一和量值准确可靠的测量 测量特殊形式，测量保证，测试基础 1.1.2 流体流动参数（主要的动态参数） 主要参数 流速（流量）、压力（压强）、温度、M 数等 流动参数场（参数分布）
f0 t
时域 实偶、实奇、虚偶、虚奇 ax (t )＋by (t ) X(t) x(kt) x ( t － t0)
X ( f ) e − j 2π f t 0
X ( f － f0) X (－f ) X * (－ f ) X 1 ( f )·X 2 ( f ) X1( f ) * X2( f )
x(t ) e m j 2π
，积分面积 ∫−∞
∞
δ (t )dt = lim ∫ Sτ (t )dt = 1
τ →0 − ∞
∞
δ 函数即面积为 1，脉宽为τ，幅值为 1/τ的矩形脉冲信号 当τ →0，幅值 1/τ →∞ 时为单位脉冲信号
⑷. 其他信号：斜波信号、正弦信号等
§1 流动参数测试技术基础 1.2 信号与测试系统
1.2.2 傅里叶分析 确定性信号（周期、非周期）描述和分析方法 1. 描述方法：时域信号 x (t)
§1 流动参数测试技术基础
流动参数测试技术
硕士课程：理论课（基础掌握）、专业课（自学提高）、讲座课（拓展创新） 流动研究：（三种方法） 理论分析（高等流体力学、空气动力学等） 数值计算（计算流体动力学）CFD _Computational Fluid Dynamics 实验研究（流体流动测试） EFD _Experimental Fluid Dynamics 研究范围：石油工程、流体工程、流体机械 热能工程、水利水电、航空航天等 跨行业、跨部门、跨学科 研究基础：空气动力学、流体力学、热力学、水力学，复杂问题 研究类型：高速流、低速流、管道流、燃烧流、冲击流 振荡流、旋转流、涡动流、湍流、多相流等 流动测量：单点 → 多点、平面 → 空间、稳态 → 瞬态、单相 → 多相发展 应用技术：光纤技术、芯片技术、激光技术、数字信号处理 图形图像识别处理技术、计算机应用技术等 技术特点：测试技术（动态、流场、连续、特殊......测试） 信号处理（动态、复杂、宽频、随机......信号）
∞
§1 流动参数测试技术基础 1.2 信号与测试系统
1.2.2 傅里叶分析
性质 虚实奇偶 线性叠加 对称 尺度改变 时移 频移 翻转 共轭 时域卷积 频域卷积 微分 积分
流动参数测试技术
3. 变换性质
频域 实偶、虚奇、虚偶、实奇 aX ( f )＋by ( f ) x (－f ) (1/k ) X ( f / k ) 应用 线性运算 变换对 波形扩展,频移压缩 时移幅频不变 相位 -2πf t0 变化 时域信号乘 e m j 2π
f0 t
, 调制解调
x (－t ) x * (－t ) x 1 (t ) * x 2 (t ) x 1 (t )·x 2 (t )
复杂积分(卷积) 转换为简单乘积
dnX( f ) d n x (t ) n , 频域 (-j2πt) x(t) 时域 (j2πf)nX(f), 频域 时域 振动、位移、速度、加速度 dfn dtn t 1 微积分转换 X(f ) x(t )dt π 2 j f −∞
u (t ) = ⑴. 阶跃信号： 1 0 t<0 t>0
sgn(t ) = 2u (t ) − 1 = ，⑵.（塞格那Signum）sgn(t) 函数： 1 t>0 −1 t < 0
⑶. 冲激信号（单位脉冲函数，信号分析中非常有用的δ函数）：
1⎡ τ τ ⎤ ∞ δ (t ) = lim ⎢u (t + ) − u (t − )⎥ = τ →0 τ 2 2 ⎦ 0 ⎣ t=0 t≠0
§1 流动参数测试技术基础 1.2 信号与测试系统
1.2.2 傅里叶分析 4. 卷积（褶积） 特殊乘法数学运算，信号分析的重要手段 由翻褶、平移、相乘和积分等环节构成，运算符号 “*” 输入 x(t) 与测试系统函数 h(t) 的卷积为输出 y(t)，即： ∞ y(t) ＝ x(t) * h(t) ＝ ∫−∞ x (τ ) h(t − τ ) dτ 例 1：x(t) 与δ 函数卷积即为将 x(t) 在脉冲位置上重新构图 x (t) * δ(t) 例 2：时域中矩形调幅波 y(t) 由余弦波 x(t) 与矩形波 h(t) 相乘 y (t) ＝ x (t) · h (t) 频域矩形调幅波Y(f)由余弦波X(f)与矩形波H(f)卷积相乘 Y ( f ) ＝ X ( f ) * H( f ) 5. 典型信号及其频谱函数 方波信号、指数信号、正弦（余弦）信号、三角脉冲 高斯脉冲、取样信号、斜波信号、衰减正弦等 6. 相关分析及应用 相关：变量之间相似(线性)关系，具有相同的变化规律 时域描述信号特征的常用方法 抑制干扰，提高信噪比，识别信号等