流速测量方法综述及仪器的最新进展_吴嘉

流速测量方法综述及仪器的最新进展

吴嘉

(美国T SI 亚太公司北京代表处,北京100083)

摘　要:对流速测量领域的技术和方法作了综述。特别对近现代的激光和图像测速技术进行了介绍,

结合美国T SI 公司目前流动测量仪器的特点对最新技术的具体实现也作了阐述,对各种测量手段进行了对比并介绍了应用范围。

关键词:流速测量;仪器;进展

中图分类号:T B 937 文献标识码:A 文章编号:1002-6061(2005)06-0001-04

Review of Flow Velocity Measurement Techniques and the New Developments of Instrument

W U J ia

(TSI Asia Pacific Beijing Representative Office,Beijing 100083,China)

Abstra ct

:Flow v eloci ty m easurement techniques a re rev iew ed .M odern laser and i mage t echniques a re i nt roduced.Co mbi ning wi th the i nst rument produced by T SI,the applica tions of these adv anced techniques are ex pounded.Co mpa rison betw een these techniques i s co nducted.

Key words

:f low v eloci t y m easurem ent ;instrument ;development 收稿日期:2005-10-17;收修改稿日期:2005-10-27

作者简介:吴嘉(1971-),男,博士,高级应用工程师,从事实验流体力学、流速测量研究。

人们对流动信息的关心由来已久。湍流问题被认为是经典物理学唯一没有解决的问题,最为主要的原因是描述流动问题著名的N-S 方程的求解在数学上有

很大的困难,目前尚没有看到直接彻底解决的希望,所以从根本上说,目前流体力学仍然是一门实验科学,许多问题的解决和实际流动模型的改进都依赖高质量实验结果的获得。研究流体力学的人都知道,流体的流动速度是流场最为基本的物理量,对流动特征的认识很大程度上取决于速度场的获得。大多数描述流场的导出量都直接和速度参量建立联系,如环量、涡量、流函数等等。目前的流速测量方法主要使用毕托管、热线风速仪、激光多普勒流速仪和粒子图像测速仪,其他方法均是基于这些方法的基本原理演变而来的。本文简单介绍了各种测速方法的基本原理和特点,结合TSI 公司的产品介绍了仪器在实际实现方面的最新发展。

1　流速测量方法介绍

1.1　使用毕托管测速

自1732年法国工程师Pito t 发明总压管以来,人们

开始由压力测量结果和著名的Ber noulli 方程计算出单点水流能量(压头)。1905年,流体力学大师Prandtl 发明了总静压管,由此人们开始得到流场单点的平均速度。

从原理上说,毕托管(Pitot Tube)测速基于流体力学的能量方程,在定常、理想无粘、不可压假设下即成为Bernoulli 方程。一般来说,由于受到上述条件的限制,毕托管只用于平均速度测量或流量测量;另一方面,对总静压差的检测开始时采用液柱式微压差计,这也使得速度量的测量仅局限于平均值的反映。虽然人们在非定常、可压等条件下对Bernoulli 方程在毕托管的应用中作了各种修正,但由于探针本身制作的困难和新的测量技术的发展,实际测量中很少应用,在特殊场合下测量的误差分析等实验理论问题也说法不一。

毕托管属于单点、定常的接触式测量,对被测流场影响较大。目前,毕托管一般在工业级应用中比较普遍,或者做为其它测量方法的预估测量方案或辅助结果验证,很少真正作流体力学实验研究中最后的速度测量依据。目前从事研究型流动测量仪器的专业公司并没有专门毕托管的产品(TSI 的产品分类中,毕托管属于室内空气监测类仪器),这也从一个侧面反映出它在流速测量研究中的局限性。

1.2　使用热线/热膜风速仪测速

从基本原理的产生和第一次应用于流速测量,作为电子仪器的热线/热膜风速仪(H W A ——Ho t Wire /Film Anemom eter )甚至早于机械式的毕托管。自从1902年英国人Shakepear 提出初步方案并且进行实际测量和后来的King 提出强迫对流换热模型从而推导出King 公式,热线风速仪伴随20世纪电子学的飞速发展,迅速在流体力学研究中特别是湍流的测量中发挥主导作用。由于其使用方便,频响高且不需要在流场中添加示踪颗粒,对流场没有透光等苛刻的要求,不但在实验室环境下的流动模型研究工作中,而且在实际流场的测量中都迅速得到广泛应用。

热线/热膜风速仪是利用放置在流场中具有加热电流的细金属丝(直径0.5～5μm )来测量风速的仪器。由于金属丝中通过了加热电流,因而当风速变化时,金属丝的温度就随之而改变,从而产生了电信号的变化,这种变化和风速之间具有单调的一一对应关系,因此通过预先的校准过程,测量该电信号的变化就可以得到实际流场的速度大小。在高频响的优点下,热线风速仪一直是强脉动流场测量的最主要手段,目前商品化产品速度响应频率可以达到500k Hz 以上,完全可以覆盖所有的湍流脉动的频率范围。作为接触式测量的方法,热线探头不可避免地会对被测流场产生影响,如果待研究流场范围较小,如在毫米级直径的管道中,探头的影响经常不可忽略,最为重要的是,这种影响经常无法估计。由于以无限长圆柱体与周围流体的强迫对流换热为理论模型,所以热线探针中热丝的长细比有一定的要求,一般要大于300,这就限制了热线探针的长度尺寸的减小以增加空间测量分辨力。一般来说,热线探头的尺寸在毫米量级,加上支杆的影响,造成热线风速仪在测量流速时空间分辨力很难得到有效的提高,这也从一个方面限制了其在局部流场和小流场测量中的应用。

热线风速仪的发展经历了很多阶段。目前最为先进的仪器几乎不需要人为调节任何仪器参数(尤其是动态响应调节和相应的方波实验),面板非常简洁,大部分调节和对信号的处理都通过软件完成,如图1。1.3　使用激光多普勒测速仪/相位多普勒粒径分析仪测速

激光多普勒测速仪(LDV ——Laser Do ppler Velocimetry )测速的原理是利用流体中运动微粒散射光的多普勒频移来获得流体速度信息,进一步地,利用

入射光和散射光的相位差与颗粒径尺寸呈线性关系,

图1　新一代热线风速仪(T SI IF A 300)

可以同时得到颗粒的粒径信息,由此发展的测量工具

称为相位多普勒粒径分析仪(PDPA ——Phase Doppler Particle Analy zer )。

从多普勒效应来说,构成激光多普勒测量的光路有很多种,入射光路和散射光路可以有不同的布置。目前发展的对实际测量最为合理的双光束-双散射模型普遍为商用系统所采用,由于其测量与散射光方向无关,这样一个光学探头就可以同时完成激光束的发射和接收,虽然根据米式(Mie )散射原理,后向接收的光强很弱,但现代光信号放大和光电倍增技术的发展,使得LDV 后向接收的微粒散射光信号完全可以被有效地检测出来并且准确反映出颗粒速度大小。目前的信号分析系统可以分析的颗粒运动速度大小已经超过1500m /s,加上频移技术的使用,还可以对正负向速度进行准确区分。特别需要提到的是,以往三维速度分量测量由于光路布置的困难一般采用双探头布置,其中一个探头进行二维测量,另一个探头进行一维测量,这种光学布置对于空气速度场的测量并没有太大的问题,但由于水折射率变化的影响,如果将这种布置用于水中的三维速度测量,随着探头的移动,会出现测量激光探测体不一致的问题,就是说,两个探头不能聚焦到一点,从而测量结果并不是同一个点的三维速度值。针对水中三维测量双探头不能聚焦的问题,美国TSI 公司专门开发了单探头五光束系统,很好地解决了这个问题。该探头中心光束实际上是两束光的重合,从原理上说还是利用了双光束-双散射的光路模型。

颗粒的散射光经接收光路由光电倍增管放大转换成电信号后进入关键的多普勒信号处理器,在这里多普勒信号被检测出来转换成最后的真实速度量。由于一般的接收光信号中噪声非常强,所以如何有效地提取多普勒信号一直是LDV 技术发展最为关键的部分。在LDV 信号处理的发展历史上,经历了频谱分析、频率跟踪计数、相关波群检测、离散傅里叶变换等阶段,目前T SI 公司最为先进的信号处理FSA 系列采用相关波

群检测和离散傅里叶分散相结合的方法,配合信号自动对中的专利技术,大大提高了多普勒信号的检测能力,可以把真实的多普勒信号从强噪的背景中检测出来。图2所示为一套完整的PDPA 系统的组成

。

图2　完整的PD P A 系统

虽然LDV 技术从原理上说属于非接触式测量,测量过程对流场本身没有干扰,然而必须注意到,测量直接得到的是颗粒的运动速度,而非流体速度,即存在所谓跟随性的问题,也就是说颗粒是否能随时跟随当地点流体的速度。一般来说,颗粒粒径的影响要大于其材料密度的影响。经过理论分析计算和实验结果的对照,一般认为,水中10μm 左右的颗粒,空气中1μm 左右的颗粒即可以满足跟随性需求,在实际的选择过程中,为了保证颗粒的球形度和散射光强度,一般在水中使用5～10μm 的空心镀银玻璃球,空气中使用专门的油雾发生器,可以产生1～5μm 的油滴。以上跟随颗粒LDV 仪器厂商也会作为仪器的一部分提供给用户,确保测量数据的可靠性。当然,在高速或强脉动的流场中对颗粒跟随性的分析必不可少,有时会成为无法消除的系统误差之一,但需要给出合理的估计。

尽管如此,LDV 仍然是湍流研究的重要手段,尤其在一些小尺寸的结构中。由两束相干激光光交汇组成的探测体为椭球形,一般其短轴尺寸在100μm 以下,甚至在20μm 以下,这种测量空间分辨力是HW A 无法企及的。

随着光学、电学、信号处理技术以及制造技术的飞速发展,LDV /PDPA 仪器发展非常迅速,今天仪器的处理能力和得到的流场信息已远非它们的发明人所能想象。然而,从流场测量方式来说,这些方法都是点测量方法,对空间结构变化的反映无能为力,这就对湍流研究中核心的漩涡结构的研究带来障碍,瞬时全场的测量方法更能有效跟踪流动结构的真实情况,粒子图像技术诞生了。

1.4　使用粒子图像测速仪

图像技术的飞速发展使得人们重新开始关注古老

的流动显示技术,由于它可以直观反映瞬时全场流动

信息,具有单点测量技术无法替代的优点,人们开始试图从流动显示照片中得到定量的速度信息。粒子图像测速仪(PIV ——Particle Image Velocim etry )使其成为

可能。

与LDV 技术相似,PI V 技术仍然反映的是流动中示踪物的速度,但PIV 巨大的优点是它可以得到瞬时全场速度分布,这样对流动结构的反应就不再是统计时均的结果,而是真实的瞬态信息。

PIV 技术是通过拍摄并测量流场中跟随流体运动的颗粒(示踪粒子)的速度来反映流场速度的。脉冲激光光源通过球面镜和柱面镜形成脉冲片光源,照亮流

场中需要测量的流动区域;在两个(或多个)瞬时时间点上用CCD 相机记录下流动区域中示踪粒子的图像;将数字化的图像送入计算机,对图像矩阵进行自相关或互相关运算,得到特定时间间隔内示踪粒子的位移,如果示踪颗粒的跟随性足够好,由此即可获得流场各点的速度信息。

PIV 技术突破了空间单点测量技术的局限性,可

在瞬间记录下一个平面(激光片光)内的流动信息。通过对连续多个瞬态速度场和涡量场的对比和分析,可以深入研究非定常流动的瞬态过程及其流动细节,具有空间分辨力高、获取信息量大、不干扰被测流场和可连续测量等强大优势。

利用Scheim pfl ǜg 原理(即物平面、CCD 镜头平面和像平面相交于一条直线时,也可以清晰成像)通过两个CCD 在不同方向对同一平面的拍摄纪录,经过放大率和倾斜角度的标定,就可以得到一个面上的三维速度场,这是目前成熟技术可以得到的最多的空间速度信息范围,由于受到光源以及平面拍摄的技术限制,真正的体三维测量(即实现空间分布的三维速度场)目前还无法实现。

图3　三维PIV 系统

目前的PI V 发展方向是高速和微流动测量,由此发展的时间分辨PIV 系统和Micro PIV 系统在流场的动态研究和微观流动研究中正在发挥越来越大的作用。就高速PI V 来说,目前的记录帧数已可以达到10～

100kHz,虽然CCD高速拍摄时空间分辨力受到影响,但对流动结构动态信息的反映是前所未有的。先进的快速算法,如H a rt相关技术等,利用了现代先进的图像压缩技术,加上计算机处理能力的不断提高,使得在短时间内处理海量图像数据成为可能。Micro PI V在微流动中发挥了越来越重要的作用,在毛细血管、机械润滑、M EM S加工等方面都给出了重要的结果,目前商业系统在微尺度研究的流动测量尺度已可达10μm量级。2　各种流速测量方法的应用范围及对比毕托管作为古老而经典的流体压力测量工具由于其在很多工业应用场合可以很方便地换算出或者估计出流速的大致范围,至今仍然广泛使用,特别在流量测试领域,如室内通风、管道流量计量等方面的产品大都利用总静压差的形式测量出流速大小。一般地,毕托管测量无法达到很高的频率响应(低于10Hz),对实际流场干扰较大,探头尺寸在毫米到厘米量级。压力检测端大都采用压力传感器通过二次仪表显示压力变化或者直接换算成速度值显示。由于其使用非常方便,有时在一些特殊场合,如需要考虑压缩性的高速气流测量,通过标定和一定过程的理论修正,也可用于流速测量。

热线风速仪虽然有无法弥补的原理性缺陷,如热丝长细比、需要标定等,而且又是接触性测量方式,对被测流场产生干扰,然而由于测量过程对流场特殊性要求少,测量过程相对简单,至今仍是湍流研究的重要工具,随着信号处理技术和电子电路技术的发展,热线风速仪的应用水平也在不断发展。在流场不透光、示踪颗粒播撒困难、大尺度实际流场测量中,热线风速仪仍然是不可替代的。由于测量基于热丝与周围流体间的换热,对周围介质最大的要求就是污染小,周围环境对热线探头的干扰小。当然,需要校准过程并且需要其他的测量流速方法校准也是使用中的限制因素,也从很大程度上限制了热线风速仪测量精度的提高。

激光多普勒测速仪的最大优点在于测量的非接触性,但强调它是非接触式测量的同时必须说明其测量结果并不是流体流动的速度,而是示踪颗粒的速度。现代的LDV系统的速度采样频率可以达到1M Hz以上,表面上看完全可以作为湍流研究的最强有力的工具,然而,实际颗粒的跟随性是非常复杂的问题,很多方面的理论问题至今也没有定论。另一方面,颗粒的播撒、实际颗粒散射光信号的强弱都在很大程度上影响最终速度采样的质量和准确性。在实际仪器操作过程中, LDV系统涉及激光光路、入射及接收光路、光电倍增管、信号处理器等多方面的调整,实验过程不易掌握,不同的测试对象经常会表现出差异很大的特异性。尽管如此,由于透光性要求相对较低,不同波长的散射光的分离容易做到,测量范围达-300～1500m/s(经过特殊的光路布置测量速度还可提高),所以在特殊的流场中,如燃烧、超音速等问题中仍然是不可或缺,有时几乎是唯一的流动速度测量方法。

PIV技术的产生被认为是流动测量领域的一次革命。人们终于可以在看见结构的同时同步得到其定量的速度场信息了。PIV技术的优点和应用范围是非常清晰的,目前由于图像采集和处理速度仍然受到限制, PI V系统的时间采样频率仍然不能与热线和激光相比。然而,由于原理上的巨大优势,越来越多的人开始关注并投入该技术的研究。在流速测量技术中,PI V的发展速度是最快的,国际上每年都有专门的会议讨论其进展和应用;商业公司的产品的发展也非常迅速,目前对速度的测量范围已经达到LDV的测量上限。相信在不久的将来,随着图像采样频率的进一步提高和光学系统的发展,体三维在空间和时间都达到对实时空间湍流结构的高分辨力测量将很快实现,这就为人类尽早解开湍流的谜团提供了强有力的实验武器。然而我们不能忘记的是,PIV测量的结果仍然只是颗粒的运动速度,颗粒速度和流体速度之间仍然存在“跟随”的问题。

3　关于流速测量标准的建立

从以上的介绍可以看出,目前四种基本的流速测量手段各有特点,各有应用范围,四种方法各有优势和缺陷,都不可能互相替代。从速度量本身来说,它不是基本量纲,是长度和时间的导出量。然而实际过程中,从准确的长度尺度和时间尺度出发去建立速度测量标准是极为复杂的过程,特别是流体运动速度的标准。另一方面,流体运动本身的复杂性和人们对它认识的局限性使得这种装置建立本身就带有很大的局限性。

目前在速度场标定中应用较多的方法除了上下游静压差法之外,就是应用LDV系统进行。当然,标准的建立也不是单方面的,还需要均匀稳定、速度可调节的流场作为校准环境,如标准风洞、水洞。

参考文献

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[3]Ad rain.R.J.Tw enty years of particle image velocim etry[J]. Experiments in Fluids,2005,39:159～169.