先進熱動力測試技術AdvancedThermalandPowerEngineeringMeasurementTechnology目錄PAGEDIRECTORY緒論1測量技術的基本知識2誤差分析與測量不確定度3溫度測量4壓力測量5流量測量7液位測量8氣體成分及顆粒物測量9轉速、轉矩及功率測量10振動與噪聲測量11流速測量6先進測試技術發展1206第六章流速測量機械法測速技術動力測壓法-畢托管測速技術散熱率法-熱線（熱膜）測速技術流速測量儀表的校準激光多普勒測速技術粒子圖像測速技術第一節機械法測速技術一、概述1、生活中的“風速”第一節機械法測速技術一、概述1、生活中的“風速”第一節機械法測速技術一、概述2、能源與動力工程中的“流速”被測流體包括各種氣體、蒸汽、液體甚至是燃燒火焰；測量區域包括各種流體的輸運管道、燃燒室；流體性質涉及一維、二維、三維、湍流、渦流、微風、超聲速以及高壓、低壓等。第一節機械法測速技術二、機械法測量流速種類：翼式（翼形）、杯式（杯形）適用范圍：以前的風速范圍為15~20m/s以內，只能測量流速的平均值，不能測量脈動流。通過機械儀表用指針指示。目前的測速范圍為0.25~30m/s，并且可測量流速的瞬時值。可將葉輪的轉速轉換成電信號。測量原理：空氣通過轉杯時，推動葉片轉動。根據葉片的角位移推算流過的空氣量，或者說根據葉片的轉速推算流量流速。杯型風速儀翼型風速儀第一節機械法測速技術二、機械法測量流速1、翼形機械式風速儀可測定0.6~40m/s的氣流速度，可測量脈動的氣流和速度最大值、最小值及流速的平均值，測量精度為±0.2m/s。也可用于大型管道中氣流的速度場，尤其適用于相對濕度較大的氣流速度測定。必須保證風速儀的葉輪全部放置于氣流流場中，葉輪葉片的旋轉平面和氣流方向之間的偏差宜在±10°角以內。翼形機械式風速儀第一節機械法測速技術二、機械法測量流速2、杯形機械式風速儀機械強度較大，測量上限大，可測定0.6~70m/s的氣流速度，觀測大氣中的瞬時風速、平均風速。還具有風速報警設定和報警輸出控制、交直流自動切換的功能，測量精度為±0.3m/s。杯形機械式風速儀第一節機械法測速技術二、機械法測量流速實時監測風速、風向、雨量、空氣溫度、空氣濕度、光照強度、土壤溫度、土壤濕度、蒸發量、大氣壓力等十個氣象要素參數。06第六章能源與動力學院流速測量機械法測速技術動力測壓法-畢托管測速技術散熱率法-熱線（熱膜）測速技術流速測量儀表的校準激光多普勒測速技術粒子圖像測速技術第二節動力測壓法-畢托管測速技術一、畢托管測速原理畢托管是傳統測量流速的傳感器，與差壓儀配合使用，可以測量被測流體的壓力和差壓，或者間接測量被測流體的流速。用畢托管測量流體的流速分布以及流體的平均流速。如果被測流體及其截面是確定的，還可以利用畢托管測量流體的體積流量或質量流量。畢托管工作原理殲10飛機使用的空速管第二節動力測壓法-畢托管測速技術一、畢托管測速原理在一個流體以速度v均勻流動的管道里，安置一個彎成90°的細管。設管端中心的壓力為p0，而與細管同一深處流體未受擾動處的處壓力為p，流速為v，流體密度為ρ，則由伯努利方程得：

或式中，p0—總壓力（全壓），Pa；

p—靜壓力，Pa；ρv2/2—動壓力。即動壓力為總壓力與靜壓力之差。畢托管工作原理第二節動力測壓法-畢托管測速技術一、畢托管測速原理導出流速與動壓之間的關系：但實際用來測量的總壓力和靜壓力的開孔是位于不同位置的，并且位于靜壓孔的流體受到擾動。這樣實際測量時必須根據畢托管的形狀﹑結構﹑幾何尺寸等因素的不同進行修正，即：畢托管工作原理Kp—畢托管速度校正系數。S型畢托管一般為0.83~0.87，標準畢托管一般為0.96左右。第二節動力測壓法-畢托管測速技術一、畢托管測速原理對可壓縮流體應考慮流體的壓縮性，并進一步修正：式中，k—流體等熵指數；

Ma—馬赫數，Ma=v/c，c為該流體中的音速。流速不大，即Ma<0.2的可壓縮流體，可不進行修正；流速很大，即Ma>0.2的可壓縮流體，需要進行壓縮性修正；標態下空氣，Ma=0.2時，相應的流速約為70m/s，如果被測的流體是高溫煙氣，Ma=0.2時所對應的煙氣流速則更高。畢托管工作原理第二節動力測壓法-畢托管測速技術二、畢托管的形式1、標準畢托管（JJG518-1998）它是一個彎成90°的同心管，主要是由感測頭、管身及總壓和動壓引出管組成。感測頭端部呈錐形，圓形或是橢圓形，總壓孔位于感測頭端部，與內管連通，用來測量總壓。在外管表面靠近感測頭端部的適當位置上有一圈小孔，稱為靜壓孔。標準畢托管測量精度較高但是靜壓孔很小，用于測量清潔空氣的流速，或對其他結構型式的畢托管及其他的流速儀表進行標定。標準畢托管1、總壓測孔；2、感測頭；3、外管；4、靜壓孔；5、內管；6、管柱；7、靜壓引出管；8、總壓引出管第二節動力測壓法-畢托管測速技術二、畢托管的形式1、標準畢托管（JJG518-1998）球形頭橢圓頭錐形頭第二節動力測壓法-畢托管測速技術二、畢托管的形式1、標準畢托管（JJG518-1998）L型畢托管畢托管頂端為橢圓形；前端為全壓輸入口，側面的六個小孔為靜壓輸入孔。畢托管材質為不銹鋼。二、畢托管的形式1、標準畢托管（JJG518-1998）L型畢托管（內含K型熱電偶）畢托管頂端為橢圓形；端為全壓輸入口，側面的六個小孔為靜壓輸入孔；內置K型熱電偶溫度探頭，溫度連接電纜長度1.5m；畢托管材質為不銹鋼。第二節動力測壓法-畢托管測速技術第二節動力測壓法-畢托管測速技術二、畢托管的形式2、S型畢托管是由兩根相同的金屬管組成，感測頭端部作成方向相反的兩個相互平行的開口。測定時，一個開口面向氣流，用來測量總壓，另一個開口背對氣流，用來測量靜壓。可用于測量含塵濃度較高的氣流和黏度較大的液體。S型畢托管（單位：mm）面向氣流，測量總壓背對氣流，測量靜壓第二節動力測壓法-畢托管測速技術二、畢托管的形式3、直型畢托管直型畢托管使用二根相同的金屬管并聯在外面套一根金屬管焊制而成，測端作成兩個相對并相等的開口。對于厚壁風道的空氣流速測定，可以使用S型畢托管，也可以使用直型畢托管。直型畢托管（單位：mm）第二節動力測壓法-畢托管測速技術二、畢托管的形式4、動壓平均管用標準型、S型、直型畢托管測風速，需要測出多點風速而得到平均風速，很不方便。如果使用動壓平均管或阿牛巴畢托管測量平均風速則非常方便。思路是把風道截面分成若干個面積相等的部分，如分成四部分，選取合適的測點位置，測出各個小面積的總壓力值，然后取四個小面積的總壓力平均值作為整個測量截面上的平均總壓力。動壓平均管

1、總壓孔；2、總壓導管；4、靜壓孔；3、靜壓導管；5、管道；6、均速管第二節動力測壓法-畢托管測速技術二、畢托管的形式4、動壓平均管DEBIMO平均式風速風量測片第二節動力測壓法-畢托管測速技術二、畢托管的形式4、動壓平均管KL—測片系數；S—管道截面積，m2。第二節動力測壓法-畢托管測速技術二、畢托管的形式4、動壓平均管德爾塔巴均速管流量計第二節動力測壓法-畢托管測速技術三、畢托管的使用1、畢托管使用條件畢托管測速的下限：要求畢托管總壓力孔直徑上的Re>200。S型畢托管由于測端開口較大，在測量低流速時，受渦流和氣流不均勻的影響，靈敏度下降，因此一般不宜測量小于3m/s的流速。如果管道截面較小，因為相對粗糙度（K/D）增大和插入畢托管的擾動相對增大，使測量誤差較大，所以一般規定畢托管直徑與被測管道直徑（內徑）之比不超過0.02，最大不超過0.04。管道內壁絕對粗糙度K與管道直徑（內徑）D之比，即相對粗糙度K/D不大于0.01。管道內徑一般應大于100mm。第二節動力測壓法-畢托管測速技術三、畢托管的使用1、畢托管使用條件S型（或其他）畢托管在使用前必須用標準畢托管在風洞中進行校正，方法是在風洞中以不同的速度分別用標準畢托管和被校畢托管進行對比測定，兩者測得的速度值之比，稱為被校畢托管的校正系數KP。應使畢托管總壓孔迎著與流體的流動方向，并使軸線與流速方向保持一致，否則引起測量誤差。皮托管偏轉角相差10°時，壓差的誤差約為3％。標準畢托管靜壓孔很小，在測量時應防止氣流中顆粒物質堵塞靜壓孔，否則引起很大的測量誤差。畢托管壓差與方向差的關系第二節動力測壓法-畢托管測速技術三、畢托管的使用2、測點選擇010203流動狀態充分紊流未達到充分紊流管道形狀尺寸圓形管道矩形管道斷面分區數分區數越多精度越高？第二節動力測壓法-畢托管測速技術三、畢托管的使用2、測點選擇（1）流動狀態液體在管道中流動時，同一截面上的各點流速并不相同，但常常需要知道流體平均速度。如果在測量位置上流體流動已經達到典型的紊流速度分布，可以利用兩種方法求出平均速度：測出管道中心流速，按照公式或圖表便可求得流體平均速度；測出距離管道內壁0.242±0.08R（R為管道內截面半徑）處的流速，作為流體平均速度。紊流速度分布未達到充分紊流第二節動力測壓法-畢托管測速技術三、畢托管的使用2、測點選擇（1）流動狀態當管道內流體流動沒有達到充分發展的紊流時，則應該在截面上多測幾點的流速，以便求得平均速度。測點是在數學模型的基礎上選擇的，由于數學模型的差異，選擇測點也有不同。這里僅介紹一種常用的中間矩形法。中間矩形法是將管道截面分成若干個面積相等的小截面，測點選擇在小截面的某一點上，以該點的流速作為小截面的平均流速，再以各小截面的平均流速的平均值作為管道內流體的平均速度。第二節動力測壓法-畢托管測速技術三、畢托管的使用2、測點選擇（2）管道形狀尺寸對于圓形管道，將管道截面分成若干個面積相等的圓環（中間是圓），再將每個圓環（或圓）分成兩個等面積圓環（或中間是圓），測點選在面積等分線上，測點位置由下式確定：考慮到流體在圓形管道中的實際流速分布并不完全軸對稱，因此在以ri為半徑的圓環上要選四個等分點作為測點，這樣，對于一個n等分的圓形管道來說，測點數N=4n。n—圓形管道截面等分數；R—圓形管道半徑（內徑）；i—等分截面的序號，i=1，2，3…；ri—第i個等分截面上測點半徑（圓心在管道軸線上）。r1r2r3R圓形管道的測點選擇第二節動力測壓法-畢托管測速技術三、畢托管的使用2、測點選擇（2）管道形狀尺寸對于矩形管道，可把截面分成其數量與測點數相同的等面積矩形測區。每個面積的長寬比為1~2，并將測點布置在各等面積測區的矩心上。矩形管道的測點選擇第二節動力測壓法-畢托管測速技術三、畢托管的使用2、測點選擇（3）斷面分區數量流體測定斷面分區數的多少，取決于所需的準確度和流速分布的均勻性，與管道斷面尺寸無關。對于速度分布相同或相近的兩個管道（盡管它們的斷面不同），需要以相同的測點數（當然測定方法要相同）測量，才能得到準確度相同的平均速度值。流速分布的均勻性在滿足測定條件的情況下，主要與被測定流體斷面的位置有關。要想達到相同的準確度，在流速分布均勻性不同時，在不同位置的被測流體斷面上，所布置的測點數也不相同。第二節動力測壓法-畢托管測速技術三、畢托管的使用3、平均流速的計算雖然前面已經給出了流速的基本計算公式，但是在現場測試時，為方便起見，需要變換成另外一種形式。根據波義耳?查理定律：式中，ρ—被測氣體的密度，kg/m3；

p—被測氣體的絕對靜壓力，Pa；T—被測氣體的絕對溫度，K；R—R=8314/M，氣體常數，J/kg·K。波義耳?查理定律波義耳（Boyle，英國，1627~1691）定律：恒溫下，氣體的體積與壓力成反比。查理（Charles，法國，1746~1823）定律：一定壓力下，氣體的熱膨脹率與氣體的種類無關，幾乎保持同一值。第二節動力測壓法-畢托管測速技術三、畢托管的使用3、平均流速的計算管道內流體平均速度為各測點流速的平均值，即：式中，

v—被測流體平均速度，m/s；N—測點數；i—測點序號，i=1，2，3，……。ATTENTION求流體平均速度時，需要計算各測點動壓平方根的平均值，而不是各測點動壓平均值的平方根。第二節動力測壓法-畢托管測速技術四、例題例題7?1：用S型畢托管測煙道內煙氣流速，畢托管系數Kp=0.85，煙氣管道內徑d=518mm，煙氣靜壓p0=1333Pa，大氣壓B=101325Pa，煙氣溫度t=210°C，煙氣氣體常數R=298.59J/kg·K，煙道斷面上6個測點的動壓讀數（微壓計系數為0.2）分別為61.3，72.2，80.0，80.0，101.2mmH2O，求煙氣的平均流速。解：（1）單位換算測點上煙氣動壓值：61.3mmH2O第二節動力測壓法-畢托管測速技術四、例題解：則6個測點上煙氣動壓值分別為：120.23、141.61、156.91、156.91、173.00、198.49Pa。煙氣的平均流速：煙氣流量：06第六章能源與動力學院流速測量機械法測速技術動力測壓法-畢托管測速技術散熱率法-熱線（熱膜）測速技術流速測量儀表的校準激光多普勒測速技術粒子圖像測速技術第三節散熱率法-熱線（熱膜）測速技術一、概述利用被加熱的金屬絲（稱為熱線、熱球）置于被測流體中，發熱的金屬絲的散熱率與流體流速成比例的特點，通過測定金屬絲的散熱率獲得流體的流速。1914年，克英（King）奠定了熱線風速儀的理論基礎；1934年，擇婁（Ziegler）制成了第一個恒溫熱線風速儀。日本加野Kanomax熱線風速儀第三節散熱率法-熱線（熱膜）測速技術一、概述熱球風速儀原理：若通過帶熱體的電流恒定，則帶熱體所帶的熱量恒定。帶熱體溫度隨其周圍氣流速度的提高而降低。根據帶熱體的溫度測量氣流速度。01熱敏電阻恒溫風速儀原理：若保持帶熱體溫度恒定，通過帶熱體的電流勢必隨其周圍氣流速度的增大而增大。根據通過帶熱體的電流測風速。02本質：把一個通有電流的帶熱體置入被測氣流中，流速越大，散熱量越多第三節散熱率法-熱線（熱膜）測速技術一、概述當被測流體通過被電流加熱的金屬絲或金屬膜時，會帶走熱量，使金屬絲的溫度降低，金屬絲溫度降低的程度取決于流過金屬絲的氣流速度和氣流溫度。當熱球向流體散熱達到熱平衡時，單位時間熱球產生的熱量QR應與熱球對流體的放熱量Q平衡，即：Iw—流經熱球的電流，ARw—熱球的電阻，Ωh—熱球對流換熱系數，W/(m2·°C)F—熱球換熱面積，m2Tw、Tf—熱球和流體的溫度，°C熱平衡公式：熱球產熱量公式：熱球放熱量公式：第三節散熱率法-熱線（熱膜）測速技術一、概述氣流流過熱球時的換熱屬于層流對流換熱，根據層流對流換熱的經驗公式，可將Q=QR改寫為：熱球的電阻值隨溫度變化的規律：n、a'、b'、a、b—常數ν—流體的運動粘度，m2/su—流體的流速，m/sd—熱球直徑，mλ—流體的導熱系數，W/(m·°C)β—熱球的電阻溫度系數；Rf—熱球在溫度Tf時的電阻值，Ω第三節散熱率法-熱線（熱膜）測速技術一、概述對上式整理得到：總結：流體的速度只是流過熱球的電流和熱球電阻（熱線溫度）的函數，只要固定電流和電阻兩個參數中的任何一個，就可以獲得流體速度與另一參數的單值函數關系。熱電風速儀的形式：恒流型熱線風速儀（熱球風速儀）恒溫型熱線風速儀（熱敏電阻恒溫風速儀）第三節散熱率法-熱線（熱膜）測速技術二、熱球風速儀的工作原理及其組成熱球風速儀主要由兩個獨立電路組成：一是供給帶熱體恒定電流的回路；二是測量帶熱體溫度的回路。使用熱球風速儀時，應首先調通過帶熱體的電流，使其為定值，再將帶熱體置入被測氣流中。被測風速越大，帶熱體散出的熱量也越多，而帶熱體所帶的熱量一定，因此帶熱體溫度降低。反之帶熱體溫度升高。熱球風速儀原理圖第三節散熱率法-熱線（熱膜）測速技術二、熱球風速儀的工作原理及其組成帶電體是一個金屬線圈或金屬薄膜，測量帶熱體溫度采用銅-康銅熱電偶，二者封入一個體積很小的玻璃球內，這個玻璃球便是測量風速的傳感器，裝于測桿頂部。帶熱體兩端及熱電偶兩端的四根引線通過插頭與二次儀連接。二次儀表主要由電源、放大和顯示等部分組成。近年來采用低功耗大規模集成電路，被測風速或溫度由LED液晶顯示。熱球風速儀原理圖第三節散熱率法-熱線（熱膜）測速技術三、熱球風速儀的結構特點及性能熱球風速儀反應靈敏，使用方便，特別是數字熱球風速儀體積小，功耗低，調節旋鈕少，重量輕，并且可以同時測量被測風速和風溫。其量程下限值可達0.05m/s，分辨率0.01m/s，標定誤差小于5%。風溫測量分辨率為0.1°C，標定誤差為±0.5°C。熱球風速儀的測頭是在變溫變阻狀態下工作的，容易使測頭老化，使性能不穩定，而且在熱交換時測頭的熱慣性對測量也有一定影響。熱敏電阻恒溫風速儀利用溫度核定的原理工作，克服熱球風速儀由于變溫變阻所產生的缺陷，但是功耗大。第三節散熱率法-熱線（熱膜）測速技術四、恒溫型熱線風速儀對于恒流型熱線風速儀，測速探頭在變溫變阻狀態下工作，敏感元件易老化、穩定性差，因此發展出恒溫型熱線風速儀。在熱線工作過程中，始終保持熱線溫度Tw=常數，則可通過測得流經熱線的電流值來確定流體的速度，關系式如下：實際測量電路中，測量惠斯登電橋的橋頂電壓第三節散熱率法-熱線（熱膜）測速技術四、恒溫型熱線風速儀熱敏電阻恒溫型風速儀原理圖左：風速儀方框圖右：風速儀測桿1、風速測頭（熱敏電阻）；2、鉑絲引線；3、測桿；4、手柄；5、導線；6、風溫補償熱敏電阻第三節散熱率法-熱線（熱膜）測速技術四、恒溫型熱線風速儀直徑1μm~10μm，長度1mm~2mm，細金屬絲第三節散熱率法-熱線（熱膜）測速技術四、恒溫型熱線風速儀微型熱線鎢表面鍍白金，5μm，1.2mm鍍金熱線總長度3mm，傳感器1.25mm特點高精度，動態性能好對流場影響非常小容易損壞第三節散熱率法-熱線（熱膜）測速技術四、恒溫型熱線風速儀熱膜在石英基體表面沉積一層薄鎳結實，防止腐蝕、破壞等動態特性流場影響線—膜復合細的石英纖維表面沉積一層鎳耐久性、動態特性、流場影響第三節散熱率法-熱線（熱膜）測速技術四、恒溫型熱線風速儀

X型（垂直）第三節散熱率法-熱線（熱膜）測速技術四、恒溫型熱線風速儀三維第三節散熱率法-熱線（熱膜）測速技術四、恒溫型熱線風速儀風速測頭采用珠狀熱敏電阻，直徑0.5mm，優點是體積小，對氣流的阻擋作用小，熱慣性小，靈敏度高。測速下限可達0.04m/s，當風速在4~50°C范圍內變化時，風溫自動補償的精度為滿刻度的±1%。應用范圍：常溫、常濕條件下的清潔空氣氣流的速度。06第六章能源與動力學院流速測量機械法測速技術動力測壓法-畢托管測速技術散熱率法-熱線（熱膜）測速技術流速測量儀表的校準激光多普勒測試技術粒子圖像測速技術第四節流速測量儀表的校準一、風洞的原理結構風洞是具有一定形狀的管道，有吸入式、射流式、吸入–射流復合式以及正壓式等多種類型。在管道中造成具有一定參數的氣流，被校風速儀表與標準風速儀表在其中進行對比實驗。吸入式風洞的結構主要由1：風機段、2：擴散段、3：測量段、4：細收縮段、5：工作段、6：粗收縮段、7：穩定段組成。風機段擴散段測量段細收縮段工作段粗收縮段穩定段第四節流速測量儀表的校準一、風洞的原理結構氣流由穩定段導入，經導直整流形成流場均勻的氣流。穩定段包括蜂窩器、阻尼網和一定長度的直管段。經粗收縮段的氣流進入工作段。工作段是校驗中速風速儀表的直管段，工作段流場均勻度小于2%，流場穩定度小于1%。經細收縮段的氣流進入測量段。測量段是校驗高速風速儀表的直管段，流場均勻度小于2%，穩定度小于1%。風機段擴散段測量段細收縮段工作段粗收縮段穩定段氣流經擴散段的氣流由軸流風機排出風洞。為減小能量損失，風機段入口設有導流裝置，包括由可調速直流電機驅動的軸流風機及導流器，它是產生一定參數氣流的動力，以保證測量段的均勻度和穩定度。第四節流速測量儀表的校準一、風洞的原理結構風洞是進行空氣動力學的一項基本實驗。風洞檢測主要的應用領域：航空、航天器、航空技術的發展；氣流測試儀器的標定；普通建筑、高層建筑、電視塔、高壓電纜、大型塔架及其他建筑物的風載性能；汽車、火車及其他交通車輛的氣動特性；大氣污染現象；各種風力機械、防護林、防沙林、體育器械的性能。第四節流速測量儀表的校準一、風洞的原理結構第四節流速測量儀表的校準一、風洞的原理結構第四節流速測量儀表的校準一、風洞的原理結構在汽車空氣動力學發展的近百年里，汽車外觀特性發生了復雜的變化過程，每個時期的汽車造型特點，都體現著當時空氣動力學發展對汽車的影響。克萊斯勒氣流（Chryslerairflow），1934年上市，這款車是歷史上首款流線型汽車。第四節流速測量儀表的校準一、風洞的原理結構上世紀30年代，美國帝國大廈完成了風洞試驗。第四節流速測量儀表的校準一、風洞的原理結構1964年，完成了首個建筑類大氣邊界層風洞試驗——美國世貿雙塔。3.5米×2.5米閉口回流式低速風洞（FL-8）我國第一座3m量級生產型低速風洞，被譽為“功勛風洞”。國內幾乎所有的飛機型號都在該風洞做過試驗。第四節流速測量儀表的校準一、風洞的原理結構20世紀50年代至60年代，我國出現了3m量級低速風洞和0.6m量級跨超聲速風洞。到21世紀初，又分別建成了低速增壓風洞、跨超聲速風洞和亞高超聲速風洞。試驗段尺寸：3.5m×2.5m最大風速：73m/s第四節流速測量儀表的校準一、風洞的原理結構20世紀50年代至60年代，我國出現了3m量級低速風洞和0.6m量級跨超聲速風洞。到21世紀初，又分別建成了低速增壓風洞、跨超聲速風洞和亞高超聲速風洞。試驗段尺寸：4.5m×3.5m壓力范圍：0.1MPa(常壓)~0.4MPa最大風速：130m/s(常壓)、90m/s(0.4MPa)最高雷諾數：9.3×1064.5米×3.5米低速增壓風洞（FL-9）是亞洲唯一具備低速高/變雷諾數試驗能力的風洞。風洞的總體性能指標達到國際先進水平。第四節流速測量儀表的校準一、風洞的原理結構20世紀50年代至60年代，我國出現了3m量級低速風洞和0.6m量級跨超聲速風洞。到21世紀初，又分別建成了低速增壓風洞、跨超聲速風洞和亞高超聲速風洞。2.4米連續式跨聲速風洞（FL-62）該風洞為連續式、單回流高速風洞，主要用于型號試驗、預先研究等試驗任務。該風洞能夠滿足未來一段時期內各類先進型號飛行器的研制對常規測力測壓試驗的需要，其綜合試驗能力趕超國際同類風洞。試驗段尺寸：2.4m×2.4m馬赫數范圍：0.3～1.6總壓范圍：0.03～0.4MPa總溫范圍：293～333K最大雷諾數：1.3×107第四節流速測量儀表的校準一、風洞的原理結構我國自主研發的新一代隱身戰斗機殲-20。近年來，殲-20從研發、試訓到列裝作戰部隊形成戰斗力，再到實戰實訓、展翅海空，見證了我國航空工業和人民空軍戰斗力的飛速發展。第四節流速測量儀表的校準一、風洞的原理結構JF-12風洞，建于2012年5月，其風速可達10馬赫

JP-10爆轟風洞，其風速最高20馬赫第四節流速測量儀表的校準二、皮托管的校準射流式校準風洞的結構特點是工作段是開式的，由穩流段和收斂器構成，穩流段內裝有整流網和整流柵格，易于安裝測壓管。壓縮空氣先通過穩流段，再通過收斂器后形成自由射流。射流式校準風洞測量系統（1–穩流段；2–總壓管；3–收斂器；4–靜壓測孔；5–被校測速管；6、7–微壓計）第四節流速測量儀表的校準二、皮托管的校準標定時，被標定的皮托管探頭置于風洞出口處，其動壓讀數為Δh1。標準動壓Δh在射流段B處測量。（1）測量Δh時，總壓管安裝在穩流段的A處，是因為該處容易布置總壓管，而且由于風洞的收斂器采用維托辛斯基型面，流線光順，加上AB兩截面距離很短，故可以認為AB段內的流動損失接近零，即可以認為A處和B處的總壓相等。（2）在B處測量標準動壓，是因為A處截面大、風速低，總壓和靜壓很接近，動壓很小；而B處截面縮小，流速增大，動壓也大可以提高標定精度。射流式校準風洞測量系統（1–穩流段；2–總壓管；3–收斂器；4–靜壓測孔；5–被校測速管；6、7–微壓計）第四節流速測量儀表的校準二、皮托管的校準皮托管標定的基本步驟：1）安裝被標定的皮托管，保證皮托管的總壓孔軸線對準校準風洞的軸線，然后連接好測量管路。2）合理選擇標定流速范圍，記錄校準風洞的標準動壓值Δh和被標定皮托管的動壓值Δh1。3）整理記錄數據，或擬合成標定方程，或繪制成標定曲線。當Δh與Δh1之間呈線性關系時，可以直接求出皮托管的校準系數Kp，即射流式校準風洞測量系統（1–穩流段；2–總壓管；3–收斂器；4–靜壓測孔；5–被校測速管；6、7–微壓計）第四節流速測量儀表的校準三、熱線風速儀的校準熱線風速儀校準的是熱線風速儀傳感器（測頭）的輸出電壓與流體速度的真實響應關系。校準的方法也是在校正風洞中或其他已知流體流動速度的流場中完成的，對應地在熱線風速儀上讀出電壓U值，作出U–v校準曲線。在校準裝置上進行校準時，當得到的氣流速度與輸出電壓之間的關系曲線和金氏定理之間存在較大偏差，建議使用擴展的金氏定理，即06第六章能源與動力學院流速測量機械法測速技術動力測壓法-畢托管測速技術散熱率法-熱線（熱膜）測速技術流速測量儀表的校準激光多普勒測速技術粒子圖像測速技術第五節激光多普勒測速技術一、激光多普勒測速原理當激光照射到隨流體一起運動的微粒上時，激光被運動中的微粒散射。散射光的頻率和入射光的頻率相比較，會出現正比于流體速度的頻率偏移。測量這個頻率偏移，就可以反映出流體的速度，這就是激光多普勒測速（LaserDopplerVelocimetry，LDV）的基本原理。19世紀，奧地利物理科學家多普勒·克里斯琴·約翰（Doppler

ChristianJohann）發現了多普勒效應1905年，愛因斯坦在狹義相對論中指出，光波也具有類似的多普勒效應。只要物體產生散射光，就可利用多普勒效應測量其運動速度二十世紀六十年代，激光器得以發明，多普勒頻移測量技術誕生1964年，楊（Yeh）和古明斯（Cummins）首次證實了可利用激光多普勒頻移技術測量層流管流分布多普勒在其聲學理論中指出，在聲源、介質、觀測者存在相對運動時，觀測者接收到的聲波頻率與聲源頻率不同的現象就是聲學多普勒效應。愛因斯坦在《論物體的電動力學》中指出，當光源與觀測者有相對運動時，觀測者接收到的光波頻率與光源頻率不同，即存在光（電磁波）多普勒效應。聲學多普勒效應與波源及觀測者相對于介質運動有關，光學多普勒效應只與光源和觀測者之間的相對運動有關，因此，聲學（機械波）和光學（電磁波）的多普勒效應有本質區別。第五節激光多普勒測速技術一、激光多普勒測速原理1、多普勒頻移單位時間內P朝著S方向運動的距離為vcosθ，單位時間內比起P點為靜止時多攔截了vcosθ/λ個波。對于移動觀察者感受的頻率增加頻率的相對變化這就是基本的多普勒頻移方程。移動觀察者感受到的多普勒頻移（S：光源；P：觀察者）第五節激光多普勒測速技術一、激光多普勒測速原理2、移動源的多普勒頻移（波源是移動的，觀察者是固定的）LA1A2和LB1B2分別為兩個波前上的一小部分，是波源S1和S2在時刻t1和t2發射出來的，則有相繼兩個波前之間在波源處的時間間隔為發送波運動時的周期則從S1到S2的距離為波源移動的多普勒頻移現象第五節激光多普勒測速技術一、激光多普勒測速原理2、移動源的多普勒頻移（波源是移動的，觀察者是固定的）則觀察到的波長，A1A2和B1B2的間隔為進而得到因為c=f'·λ'，f'為接收到的頻率，因此相對多普勒頻移為波源移動的多普勒頻移現象頻移只依賴于波源和觀察者的相對速度，而與介質無關。第五節激光多普勒測速技術一、激光多普勒測速原理3、散射物的多普勒頻移（波源和觀察者靜止，散射物移動）可以把這種情況當作一個雙重多普勒頻移來考慮，先從光源S到移動的物體Q，然后由物體Q到觀察者P。這樣將問題簡化為光程長度變化的計算或光源和觀察者之間經散射物后的波數的計算。散射物移動的多普勒頻移現象散射物的多普勒頻移示意圖多普勒頻移計算簡圖光源物體觀察者散射物的多普勒頻移示意圖多普勒頻移計算簡圖第五節激光多普勒測速技術一、激光多普勒測速原理3、散射物的多普勒頻移（波源和觀察者靜止，散射物移動）假如n是沿從光源到觀察者的光路上的波數或周期數，到達觀察者P處的外加周期數等于從路程SQ–QP波數的變化。因此，在無限小的時間間隔δt中，假定Q移動到Q'的距離為vδt，在光程中周期數的減少為N和N'分別是Q'向SQ和QP作垂線和SQ、QP的交點，設QQ'為無限小，λ和λ''分別是散射前后的波長。θ1和θ2為速度向量和指向光源方向及指向觀察者方向的夾角，可以得到散射物的多普勒頻移示意圖多普勒頻移計算簡圖第五節激光多普勒測速技術一、激光多普勒測速原理3、散射物的多普勒頻移（波源和觀察者靜止，散射物移動）因為c

=f·λ=f''·λ''三角變化后多普勒頻移方程的一般形式第五節激光多普勒測速技術一、激光多普勒測速原理4、測速原理利用多普勒效應測量流速，固定光源和接收器，而在流體中加入隨流體一起運動的微粒。由于微粒對于入射光既有散射作用，又會向四周散射，也就是既作為入射光的接收器，接收入射光的照射，又作為散射光的光源，向固定的光接收器發射散射光波。接收器所接收到的微粒散射光頻率不同于光源發射出的光頻率，二者之間會產生多普勒頻移。測速方法有兩種：直接檢測法使用法布里–珀羅干涉儀直接檢測散射光的多普勒頻移，這種方法的典型分辨力為5MHz，只適合馬赫數在0.5以上的高速測量，不適用于低速測試限。外差檢測是用兩束頻率均為f不同的光源S1和S2同時通過散射物產生兩股散射頻移光，然后再測出這兩股散射頻移光的頻差。第五節激光多普勒測速技術一、激光多普勒測速原理4、測速原理外差檢測接收散射光的方向可以是任意的，它與光源方向無關。光源S1在散射物上產生的多普勒頻移為光源S2在散射物上產生的多普勒頻移為觀測器觀測的頻差為差動多普勒技術中照射光束的布置頻差fD與接收方向無關。使用大孔徑的檢測器，增強檢測信號的信噪比。氣流中的粒子濃度較低時，常采用外差檢測技術。第五節激光多普勒測速技術二、激光多普勒測速儀的光學部件1、光路系統參考光束系統來自同一光源的激光被分光鏡S分為兩束，一束為參考光Kr，另一束為信號光Ki，兩束光強度不同（1：9，得到高信噪比和高效率的多普勒信號）。參考光通過試驗段直接射到光電檢測器上，信號光則聚焦于流體中微粒P上，微粒P接收激光照射而產生散射光。散射光經小孔光欄N及接收透鏡L2會聚到光電檢測器上，光電檢測器接收到的參考光與散射光的差拍信號（兩束光的頻率差）恰好是多普勒頻移fD。參考光束系統光路（S–分光鏡；M─反射鏡；L1–透鏡；P–運動微粒；N–光欄；L2–透鏡）第五節激光多普勒測速技術二、激光多普勒測速儀的光學部件1、光路系統雙光束系統來自同一光源的激光，由分光鏡S及反射鏡M分為兩條相同的光束，通過透鏡L1聚焦于流體中的某一測點。流經測點的微粒P接收完全相同的入射光的照射后，發出兩束具有不同頻率的散射光，經光欄N，透鏡L2會聚焦到光電檢測器上，光電檢測器接收到差拍信號。多普勒頻移與接收方向無關。光電檢測器的位置只要避開入射光的直接照射，可任意選擇。在散射粒子濃度較低的情況下有較好的信噪比。雙光束系統調準較容易。雙光束系統光路（S–分光鏡；M–反射鏡；L1–透鏡；P–運動微粒；N–光欄）第五節激光多普勒測速技術二、激光多普勒測速儀的光學部件1、光路系統單光束系統把光源發出的激光光束Ki聚集于測點上，流經測點的微粒P接收入射光的照射，并向四周散射，在與系統軸線對稱的兩個地方安置接收孔，再通過反光鏡M和分光鏡S將頻率分別為fD1和fD2的兩束散射光送入光電檢測器，fD

=fD1–fD2。要求兩個接收孔的直徑選擇適當，過大過小都會使信號質量變壞，降低測量精度。對光能利用率低，且需要遮蔽周圍環境的光線，目前已較少應用。單光束系統光路（S–分光鏡；M–反射鏡；L1–透鏡；P–運動微粒；N–光欄）第五節激光多普勒測速技術二、激光多普勒測速儀的光學部件2、干涉條紋雙光束系統的差拍信號fD的測量利用了光的干涉現象。即來自同一光源的兩束相干光，當它們以角θ相交時，在交叉部位會產生明暗相間的干涉條紋。只要兩條相干光的波長保持不變，且交角θ已知，那么干涉條紋的間距DF就是定值當微粒以速度vn通過干涉條紋區時，明紋處的散射光強度增大，而暗紋處的散射光強度減弱。散射光強度的變化頻率為vn/DF，它恰好就是光電檢測器所接收到的差拍信號，即干涉條紋第五節激光多普勒測速技術二、激光多普勒測速儀的光學部件3、方向模糊性及解決辦法為了解決方向的模糊性問題，最通用的技術是采用光束頻移技術。即使入射到散射體的兩束光中的一束光的頻率增加，這樣散射體中的干涉條紋就不再是靜止不動的了，而是一組運動的條紋系統，在檢測器檢測到的一個靜止的粒子產生的信號頻率等于光束增加的頻率Δf：（1）粒子運動的方向與干涉條紋運動的方向相反，得到大于光束增加頻率Δf的多普勒頻率，粒子運動的速度方向為正；（2）粒子運動的方向與干涉條紋運動的方向相同，得到小于光束增加頻率Δf的多普勒頻率，這時粒子運動的速度方向為負。第五節激光多普勒測速技術二、激光多普勒測速儀的光學部件3、方向模糊性及解決辦法實現光束頻移動的方法有旋轉光柵、聲光器件（又稱聲光調制器或布喇格盒，Braggcell）和電光器件（Kerrcell）。（a）頻移前

速度與多普勒頻移的關系（b）頻移后（b）用不同頻率的兩束光相交得到運動的干涉條紋第五節激光多普勒測速技術二、激光多普勒測速儀的光學部件4、主要光學部件激光光源由于要求入射光的波長是穩定已知的，一般采用激光器作為光源，其優勢是很好的單色性，波長精確已知且穩定，方向性好，可以集中在很窄的范圍內向特定方向傳播，容易在微小的區域上聚焦以生成較強的光，便于檢測。激光光源有氦–氖氣體激光器、氬離子氣體激光器。波長較短的激光器有利于得到較強的散射光。分光器分光器是一種高精度的光學部件。要保證被分開的兩束光平行，使得這兩束光經透鏡聚焦后在焦點處準確相交，提高輸出信號的信噪比，主要靠分光器本身的精度來實現。第五節激光多普勒測速技術二、激光多普勒測速儀的光學部件4、主要光學部件發射透鏡發射透鏡的主要任務是提高交點處光束功率密度、減小焦點處測點體積、提高測點的空間分辨率。測點的幾何形狀近似橢球體。由透鏡聚焦的交叉部位和測點形狀圖第五節激光多普勒測速技術二、激光多普勒測速儀的光學部件4、主要光學部件接收透鏡接收透鏡的主要作用是收集包含多普勒頻移的散射光。通過成像，只讓這部分散射光到達光電檢測器，而限制其他雜散光。前向散射方式工作的光路系統，需要加裝單獨的接收透鏡，后向散射方式工作的系統，發射透鏡可兼作接收透鏡，使整個光路結構緊湊。接收透鏡之前還可加裝光欄。調節光欄孔徑，以控制測點的有效體積，提高系統的空間分辨率。光電檢測器光電檢測器的作用是將接收到的差拍信號轉換成同頻率的電信號。光電檢測器的種類很多，在激光多普勒測速儀中，使用較多的是光電倍增管。光電檢測器受光面積上收集到的光由兩部分組成。在雙光束系統中接收到的是第一和第二散射光，而在參考光束系統中接收到的則是散射光和參考光。第五節激光多普勒測速技術二、激光多普勒測速儀的光學部件4、主要光學部件散射微粒流體中的散射微粒要能夠與流體有較好的跟隨性，同時又具有較強的散射效率。微粒一般選擇球形粒子，散射微粒直徑過小易在沒有外力的作用下作隨機布朗運動，引起信號失真，一般為干涉條紋寬度的1/2或條紋間距的1/4左右。散射微粒應具有良好、穩定的物理化學性質，對于在液體中投放散射微粒，還應注意粒子密度與液體密度匹配的問題，最好采用與流體密度相等或盡可能接近的散射微粒。測量體中散射微粒濃度過大，測量體內各個微粒之間的速度差和相位差會引起頻帶變寬，測量精度下降。微粒數量太少，會使頻率跟蹤器脫落保護時間延長，系統工作的穩定性降低。散射微粒的投放，常用的方法有蒸汽凝結、壓力霧化、化學反應和粉末液態化等。第五節激光多普勒測速技術三、激光多普勒測速儀的信號處理系統多普勒信號是一種不連續的、變幅調頻的復雜信號，處理比較困難。至今還沒有哪一種信號處理器能夠適用于所有情況，目前主要使用的信號處理儀器有頻譜分析儀、頻率跟蹤器、計數型處理器、濾波器組、光子相關器、數字相關器、數字FFT(astfouriertransform，FFT)。第五節激光多普勒測速技術三、激光多普勒測速儀的信號處理系統1、頻譜分析儀用頻譜分析儀對輸入的多普勒信號進行頻譜分析，可以在所需要的掃描時間內給出多普勒頻率的概率密度分布曲線。將頻域中振幅最大的頻率作為多普勒頻移，從而求得測點處的平均流速，而根據頻譜的分散范圍，可以粗略求得流速脈動分量的變化范圍。由于頻譜儀工作需要一定的掃描時間，它不適于實時地測量變化頻率較快的瞬時流速，只用來測量定常流動下流場中某點的平均流速。第五節激光多普勒測速技術三、激光多普勒測速儀的信號處理系統2、頻譜計數器頻率計數器是一種可以進行實時測量的計數式頻率測量裝置。當微粒通過干涉區時，散射光強度按正弦規律變化。在這段時間內，光電檢測器輸出的是一個已調幅的正弦波脈沖。如果測量體積內干涉條紋數NF已知，那么通過對一個粒子通過NF個干涉條紋的時間進行計數，可計算出頻率，進而求出流速分量vn。頻率計數器主要用于氣流中微粒較少時的流速測量，噪聲大時測量比較困難，需要與適當的低通濾波器組合起來使用，實際測量范圍也受到限制。頻率計數器原理方框圖第五節激光多普勒測速技術三、激光多普勒測速儀的信號處理系統3、頻率跟蹤器將多普勒頻移信號轉換成電壓模擬量，輸出與瞬時流速成正比的瞬時電壓，它可以實時地測量變化頻率較快的瞬時流速。前置放大器把微弱的、混有高低頻噪聲的多普勒頻移信號濾波放大后，送入混頻器，與電壓控制振蕩器輸出的信號fvco進行外差混頻，輸出信號包含差頻為fo=fvco–fD的混頻信號。混頻信號經中頻放大器選頻、放大，把含有差頻fo的信號選出并放大，濾掉和頻信號和噪聲，再經限幅器消除掉多普勒信號中無用的幅度脈動后送到一個靈敏的鑒頻器去。頻率跟蹤器系統方框圖第五節激光多普勒測速技術三、激光多普勒測速儀的信號處理系統3、頻率跟蹤器鑒頻器由中頻放大器、限幅器和相位比較器組成，作用是將中頻頻率轉換成直流電壓信號，實現頻率電壓轉換。電壓U反映了多普勒頻率瞬時變化值，并作為系統的模擬量輸出，系統的輸出可以自動地跟蹤多普勒頻率信號的變化。脫落保護電路的作用是防止由于微粒濃度不夠引起信號中斷而產生系統失鎖。當多普勒頻移信號重新落于一定的頻帶范圍內時，脫落保護電路的保護作用解除，儀器又重新投入自動跟蹤。頻率跟蹤器系統方框圖第五節激光多普勒測速技術四、激光多普勒測速的特點總結（1）非接觸式測速，對流場無干擾；（2）空間分辨率高，無慣性，頻響特性好；（3）測速范圍廣，可從10-3mm/s的低速到超音速；（4）測量精度不受流體折射率以外的其它物理性能及溫度、壓力等參數的影響；（5）測量方向特性穩定；（6）可以測量逆流現象中循環流的湍流速度成分；（7）測量系統龐大、昂貴，通常在實驗室中使用。06第六章能源與動力學院流速測量機械法測速技術動力測壓法-畢托管測速技術散熱率法-熱線（熱膜）測速技術流速測量儀表的校準激光多普勒測速技術粒子圖像測速技術第六節粒子圖像測速技術一、粒子圖像測速原理1、粒子圖像測速的基本原理粒子圖像測速技術（Particleimagevelocimetry，PIV）通過拍攝不同時刻流場中的粒子分布圖像，獲取粒子在很短時間間隔內的位移來間接地測得流場的瞬態速度分布。能夠在同一時刻記錄整個測試平面的所有信息，并且具有不干擾被測流場、動態響應快、測試精確和空間分辨率高等特點，是目前最為常用的平面速度場測試技術。第六節粒子圖像測速技術一、粒子圖像測速原理1、粒子圖像測速的基本原理邊界層風洞中的非定常2D-PIV測量邊界層風洞中的非定常3D-PIV測量第六節粒子圖像測速技術一、粒子圖像測速原理1、粒子圖像測速的基本原理粒子圖像測速原理：測量流場中示蹤粒子在某一時間微元Δt內的位移來計算流體速度，其中作為粒子位移信息載體的是t和t+Δt時刻的粒子圖像。郭春雨,徐菁菁,韓陽,等.中國艦船研究,2021,16(6):9.第六節粒子圖像測速技術一、粒子圖像測速原理1、粒子圖像測速的基本原理雙脈沖激光器以時間間隔Δt發出脈沖光束，激光光束通過圓柱形光學透鏡形成平面光，照亮待測量的流場區域。待測區域中預先撒布的示蹤粒子受激光照射后會產生散射，光學成像器件（如CCD相機）將拍攝到兩次激光脈沖所對應的待測區域粒子散射圖像。處理器根據這兩幅圖像信息和一定的算法算得每個粒子在Δt時間內的實際位移Δx和Δy，進而計算出每個粒子的移動速度第六節粒子圖像測速技術一、粒子圖像測速原理2、示蹤粒子濃度對測量的影響源密度Ns表示像平面上的粒子圖像斑返回到物理平面和片光源相交的一個圓柱體體積內所包含的粒子數源Ns=1時圖像是由一個粒子產生的；Ns>>1，粒子圖像重疊，形成散斑形式；Ns<<1是圖像模式。像密度Nl表示在一個診斷面內有多少個粒子像，用于區分粒子跡線法和粒子圖像測速法當Nl>>1時，粒子圖像較多，不能跟隨每個粒子來求它的位移，只能用統計方法處理。當Nl<<1時，成像密度極低，可以跟隨每個粒子求位移，對整個流場而言，速度測量是隨機的。粒子作為示蹤介質散斑模式Ns>>1粒子圖像模式Ns<<1高成像密度PIVNl>>1低成像密度PIVNl<<1des為底片上粒子圖像的直徑de為診斷點的直徑第六節粒子圖像測速技術一、粒子圖像測速原理3、激光脈沖時間間隔Δt的設定PIV技術是將Δt中平均速度作為時刻t的瞬時速度，所以Δt應盡可能小。而測量位移量又要求像平面上粒子圖像不能重疊，有足夠的位移和分辨率，因此Δt又不能太小，它和測量的流速有關。一般要求粒子圖像間距離要大于2倍的粒子圖像直徑。另外，位移最大不能超過查問區尺寸的1/4，偏離像平面不得超出片光源厚度的1/4，所以脈沖激光時間間隔必須根據測量對象的具體流速情況合理地選定。第六節粒子圖像測速技術二、粒子圖像測速的組成和信號處理1、粒子圖像測速系統的組成激光器有紅寶石激光器和釹釔鋁石榴石（Nd–Yag）激光器。紅寶石激光器的優點是脈沖光能量大，但脈沖間隔調整范圍有限，難以適應低速流動