現(xiàn)代流動(dòng)測試技術(shù)

1、現(xiàn)代流動(dòng)測試技術(shù)流動(dòng)測試技術(shù)簡介摘要：水利工程是國民經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)設(shè)施，水泵是水利工程中最重要的組成部分。提高水泵效率，有利于節(jié)約能源，提高經(jīng)濟(jì)效益。因此，知曉泵內(nèi)流體的流動(dòng)特性，流速分布尤為重要。水泵幾何結(jié)構(gòu)及內(nèi)部流動(dòng)的復(fù)雜性， 對(duì)內(nèi)部流動(dòng)的測量 技術(shù)提出了苛刻的要求。本文就水泵內(nèi)部流場測試常用的三種現(xiàn)代測試方法進(jìn)行 總結(jié)介紹。關(guān)鍵詞：流動(dòng)測試技術(shù)；五孔探針；LDV ; PIV1、三種測量技術(shù)介紹五孔探針技術(shù)探針測定恒定流場，具穩(wěn)定性好、重復(fù)性好，對(duì)現(xiàn)場條件要求不高，適應(yīng)性 好，設(shè)備費(fèi)用低，簡便易行，測量精度高。雖然近年來出現(xiàn)了許多現(xiàn)代流場測定 方法，但探針在流場壓力測定和條件復(fù)雜的現(xiàn)場流場測定

2、方面，以及其簡便易行的特點(diǎn)仍具有不可替代的地位。五孔探針測流場原理畢托管的構(gòu)造如圖1所示，由圖可以看出這種畢托管是由兩根空心細(xì)管組 成。細(xì)管1為總壓管，細(xì)管2為測壓管。量測流速時(shí)使總壓管下端出口方向正對(duì) 水流流速方向，測壓管下端出口方向與流速垂直。在兩細(xì)管上端用橡皮管分別與 壓差計(jì)的兩根玻璃管相連接。畢托管/皮托管 原理示意酊號(hào)壓圖1畢托管示意圖如圖，畢托管有兩根細(xì)管。一管孔口正對(duì)液流方向，90轉(zhuǎn)彎后液流的動(dòng)能 轉(zhuǎn)化為勢(shì)能，液體在管內(nèi)上升的高度是該處的總水頭 z+4+Y；而另一根管g 2g開口方向與液流方向垂直，只感應(yīng)到液體的壓力，液體在管內(nèi)上升的高度是該處的測壓管水頭（就是相應(yīng)于勢(shì)能的那部分

3、水頭）PZ ,兩管披面的局差就是g現(xiàn)代流動(dòng)測試技術(shù)v2Hi =AH ,2g2該處的流速水頭 ,量出兩管液面的高差 2g從而間接地測出該處的流速 V。五孔探針應(yīng)用該原理，利用頭部感應(yīng)部位上的五個(gè)感應(yīng)孔，測量系統(tǒng)如圖 2 所示，不僅可測出流場的流速分布，還可測出測點(diǎn)的靜壓、全壓分布，根據(jù)軸向 速度對(duì)面積的積分，即可間接測出測量斷面的流量 1-3。圖2五孔探針測量系統(tǒng)提高測量精度的措施及誤差分析測量系統(tǒng)選擇探針系統(tǒng)的組成對(duì)針孔壓差測量反應(yīng)時(shí)間和測量誤差有很大影響。合理選擇連接管管徑、材料彈性有利于節(jié)省測量時(shí)間，提高測量精度。用差壓變送器測量 針孔壓差,反應(yīng)速度較水柱測壓計(jì)快5080倍，針孔壓差測量精

4、度為0 p = 0.5%時(shí) p的反應(yīng)時(shí)間為26s,但需保證差壓變送器的零點(diǎn)漂移滿足要求。探針桿撓曲影響與修正由于水體對(duì)針桿的繞流阻力大，當(dāng)針桿插入流場的長度較長時(shí)，針桿會(huì)產(chǎn)生 較大撓度，針頭撓度最大，產(chǎn)生轉(zhuǎn)角，從而造成測點(diǎn)位置誤差和流速分量測量誤 差。計(jì)算表明，標(biāo)準(zhǔn)探針測定軸向流速為6.0m/s左右的流場，插入長度為355mm 時(shí)，軸向流速誤差為1.0%。因此，對(duì)該誤差需要進(jìn)行修正。探針桿共振影響針桿繞流會(huì)產(chǎn)生周期性的卡門渦，當(dāng)探針固有頻率等于或接近卡門渦脫落頻 率時(shí)，探針就會(huì)發(fā)生發(fā)生共振，影響測量結(jié)果，甚至造成針桿的塑性彎曲，損壞 探針。因此，施測前對(duì)平均流速進(jìn)行近似預(yù)估，選擇合理的探針剛度

5、，預(yù)測探針 共振長度，布置測點(diǎn)時(shí)應(yīng)該避開共振區(qū)域。泵吸水室渦帶影響測量斷面位于水泵葉輪前，壓力較低。有些進(jìn)水流道設(shè)計(jì)不良的泵站，如采 用X形流道的抽水站，葉片進(jìn)口處會(huì)發(fā)生陣發(fā)性渦帶。渦帶發(fā)生時(shí)，泵吸水室 會(huì)發(fā)出低頻振動(dòng)，渦帶區(qū)壓力急劇下降，此時(shí)應(yīng)暫停測量，待渦帶過后再進(jìn)行測 量3-6。LDV技術(shù)激光多普勒測速儀技術(shù)（LDV）有50多年的歷史，是實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)技術(shù)發(fā)展的 一個(gè)飛躍。現(xiàn)代流動(dòng)測試技術(shù)LDV技術(shù)原理(D在流場中加入微粒充當(dāng)隨流體運(yùn)動(dòng)的示蹤粒子， 當(dāng)激光束聚焦到示蹤粒子上 時(shí)，會(huì)發(fā)生散射現(xiàn)象，用檢測器接受散射光。散射光和入射光的頻率差就是激光 多普勒頻移。多普勒頻移是速度的函數(shù)，如公式1

6、所示，測得頻移就可以得到速 度?，F(xiàn)在的（LDV）系統(tǒng)均建立在上述原理之上7,8。cos 中十 isin - I2)22)式中：u為粒子運(yùn)動(dòng)速度；n為介質(zhì)的折射率；切為入射激光法線與粒子速度的 夾角；山為接收器與入射激光的夾角。隨著光纖技術(shù)、集成技術(shù)、光電技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，已出現(xiàn)了高頻響 的光纖集成LDV系統(tǒng)，以及集成型一維和二維光纖探頭。二者組合可以測量三 維速度?，F(xiàn)在正在向微小化、低成本、多功能及便攜型方向發(fā)展8,9。LDV測量特點(diǎn)1）激光多普勒測量儀應(yīng)用多普勒頻差效應(yīng)的原理，結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、容 易安裝操作、容易對(duì)光調(diào)校；2）激光多普勒測量儀可以在恒溫，恒濕，防震的計(jì)量室內(nèi)檢定量塊，

7、量桿, 刻尺和坐標(biāo)測量機(jī)等；3）激光多普勒測量儀既可以對(duì)幾十米甚至上百米的大量程進(jìn)行精密測量， 也可以對(duì)手表零件等的微小運(yùn)動(dòng)進(jìn)行精密測量；既可以對(duì)幾何量如長度、角度、 直線度、平行度、平面度、垂直度等進(jìn)行測量，也可以用于特殊場合，諸如半導(dǎo) 體光刻技術(shù)的微定位和計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器上記錄槽間距的測量等等10。LDV具有高頻響、高精度、不干擾流場、易于判別流向等優(yōu)點(diǎn)。缺點(diǎn)是信 號(hào)隨機(jī)采樣、信號(hào)不連續(xù)、單點(diǎn)測量、需示蹤粒子、系統(tǒng)價(jià)格昂貴等。PIV技術(shù)粒子圖像速度場儀技術(shù)（PIV）有30多年的歷史，它能夠測量流體流動(dòng)空 問某一平面上的瞬時(shí)速度矢量場7。PIV技術(shù)原理基本原理是：用一個(gè)脈沖式激光片光源照射流場，

8、 用攝像機(jī)同步拍照，適當(dāng) 設(shè)置脈沖時(shí)間問隔，得到一系列互相關(guān)聯(lián)的流場示蹤粒子圖像，然后進(jìn)行圖像互 相關(guān)分析，就可以得到該時(shí)刻成像位置的速度矢量場。 PIV技術(shù)的出現(xiàn)是現(xiàn)代流 體力學(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù)的又一個(gè)重大發(fā)展是流動(dòng)測試技術(shù)不斷發(fā)展的產(chǎn)物，是激光、數(shù)字成像、計(jì)算機(jī)、光學(xué)等技術(shù)發(fā)展的結(jié)晶。PIV技術(shù)需要的相機(jī)具有很高的要求，特別是在流體的速度很快，區(qū)域很小， 具有反光粒子的情況下。測量時(shí)，需要相機(jī)在很短的時(shí)間內(nèi)拍攝兩張照片， 可以 讓同一個(gè)粒子同時(shí)出現(xiàn)在兩張照片上，利用能夠以幾kHz的速度連續(xù)記錄圖像的高速攝影機(jī)或逐行掃描構(gòu)架的相機(jī)可以達(dá)到要求。由于高速攝像機(jī)采集圖像的 時(shí)間間隔最短大約為10仙s,這

9、是讓第一束脈沖激光在第一次曝光的末尾時(shí)到達(dá)， 并讓第二束激光在第二次曝光的初始時(shí)到達(dá)。如果使用具有先進(jìn)掃描結(jié)構(gòu)的相機(jī) 能在1仙s的時(shí)間間隔內(nèi)拍兩張照片。圖 4顯示的就是具有這樣布局的一個(gè)傳感 器，第一張圖片被記錄以后，每個(gè)像素被直接轉(zhuǎn)移到位于隔行掃描位移寄存器中， 然后就可以獲取新的圖片，直到第一幅圖片被移出去以后才會(huì)接收到第二幅圖現(xiàn)代流動(dòng)測試技術(shù)片，之后以同樣的方式寄出。因?yàn)榈诙埖钠毓鈺r(shí)間比較長所以可以在攝像機(jī)鏡 頭前安裝智能透過激光的濾光器來防止環(huán)境曝光過度網(wǎng)。PIV測量特點(diǎn)1）無接觸測量速度矢量，同時(shí)測量一個(gè)面上的速度場；2）測量精度高；3）測速范圍寬：0超音速；4）原理簡單，受外界影

10、響小；5）應(yīng)用面廣，可以用于微尺度流動(dòng)測量（微米量級(jí)），也可用于風(fēng)、水洞 測量，多相流測量11;2、三種測量技術(shù)比較三種測量技術(shù)，在實(shí)際流場測量中，都有著較高的實(shí)用價(jià)值，各自具有自己 不可替代的優(yōu)點(diǎn)，當(dāng)然也存在一定的缺點(diǎn)，下表1對(duì)三種測量技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)的 比較。表1三種測量技術(shù)比較五孔探針LDVPIV測量內(nèi)容速度，壓力速度速度測量方式接觸，單點(diǎn)測量非接觸、單點(diǎn)測量非接觸、多點(diǎn)測量動(dòng)態(tài)響應(yīng)差差測量范圍廣0-560m/s1mm/s-600m/s測量精度1%0.2%1%工程應(yīng)用成熟廣泛、成熟廣泛、成熟3、結(jié)論本文所介紹的流動(dòng)測試技術(shù)并不能代表流動(dòng)測試技術(shù)的全部，例如HWA技現(xiàn)代流動(dòng)測試技術(shù)相對(duì)已較為

11、成熟， 但是，流體機(jī)械內(nèi)部流動(dòng)機(jī)理及流動(dòng)細(xì) 節(jié)的研究是目前該領(lǐng)域的前沿性熱點(diǎn)研究領(lǐng)域， 發(fā)達(dá)國家一直沒有間斷這方面的 試驗(yàn)研究工作；同時(shí)，這又是一項(xiàng)非常艱巨的工作，需要多方進(jìn)行合作網(wǎng)。本文主要將幾種測量技術(shù)進(jìn)行介紹，并作了對(duì)比。參考文獻(xiàn)1王濤,李飛行.五孔探針結(jié)構(gòu)和校準(zhǔn)J.現(xiàn)代機(jī)械.2012, 4: 19-22.2Wendt and Reichert. A New Algorithm for Five-hole Probe Calibration, Data Reduction, and Uncertainty Analysis. NASA, Lewis Research Center, 19

12、94, E-8319.現(xiàn)代流動(dòng)測試技術(shù)3仇寶云.大中型水泵裝置理論與關(guān)鍵技術(shù)M.北京：中國水利水電出版社，2005: 89-101.4仇寶云，劉超，等.五孔測球在水泵流場測試技術(shù)中的應(yīng)用J.排灌機(jī)械.1992, 10(1): 23-27.5錢涵欣，李啟文，等.五孔測球測流速場的數(shù)據(jù)采集與處理J.水利水電技術(shù). 1999, 30(5): 72-74.6仇寶云，劉超.探針桿撓曲對(duì)水流場測量的影響研究J.水利學(xué)報(bào).1999(11):7-11.7宮武旗，黃淑娟，徐忠.現(xiàn)代流動(dòng)測試技術(shù)在流體機(jī)械流動(dòng)分析中的應(yīng)用J.通用機(jī)械.2003, 7: 53-56.8宮武旗.幾種特種測試技術(shù)在流體機(jī)械內(nèi)流場測試中的應(yīng)用J.燃?xì)鉁u輪試驗(yàn)與研究.2004, 17(3): 51-55.9Rao Jiang, Ge Manchu, Xu jiangzhong. Experiment Study of the Interaction of the Particle and the Wa