流速測量 2教材

激光多普勒流速儀測速

1．概述-激光特性與應(yīng)用激光是完全新穎的光源，它以高亮度（比太陽光亮1010倍）、高純度（單色性，比氪燈純上萬倍）、高方向性（既相干性）而著稱。因為普通光源向4

立體角發(fā)散，而激光的發(fā)散角只有10-6rad，因而單位立體角單位面積的輸出功率就特別大。

激光在工程中的應(yīng)用

激光得到越來越廣泛的應(yīng)用。例如，在工藝制造方面，微孔的加工，激光切割，焊接，精密測長、定位等等。在計量科學(xué)方面，激光用于測長基準(zhǔn)、激光測速、測距、測扭、測壓、測角、測溫等。在國防科學(xué)方面，激光雷達(dá)、激光制導(dǎo)、激光通訊、引爆、致盲、激光炮、激光槍等。在全息攝影、光學(xué)信號處理、流場顯示、醫(yī)療、受控?zé)岷朔磻?yīng)等方面。

激光在熱物理測量方面應(yīng)用

如激光測燃燒霧化顆粒大小和分布（PDA），用于傳熱傳質(zhì)研究，測量燃燒動力及流場溫度，對高能點火中能量釋放，研究點火機(jī)理，加力燃燒室流場和溫度場，等離子射流的濃度場、溫度場和速度場等等（LIF）。激光測速儀（LDV）常見的測量速度方法與技術(shù)

總壓探針與靜壓探針相結(jié)合的皮托管一直是平均速度的主要測量方法。熱線和熱薄膜風(fēng)速儀是測量流體瞬時速度、平均速度、均方根速度和速度相關(guān)量的主要方法。皮托管構(gòu)造:頭部為半球形，后為一雙層套管。測速時頭部對準(zhǔn)來流，頭部中心處小孔（總壓孔）感受來流總壓p0，經(jīng)內(nèi)管傳送至壓力計。頭部后約3～8D處的外套管壁上均勻地開有一排孔（靜壓孔），感受來流靜壓p，經(jīng)外套管也傳至壓力計。對于不可壓縮流動，根據(jù)伯努利方程和能量方程可求出氣流馬赫數(shù)，進(jìn)而再求速度。但在超聲速流動中，皮托管頭部出現(xiàn)離體激波，總壓孔感受的是波后總壓，來流靜壓也難以測準(zhǔn)，因而皮托管不再適用。皮托管結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，用途很廣。如飛機(jī)頭部或機(jī)翼前緣常裝設(shè)皮托管，測量相對空氣的飛行速度。機(jī)械探頭將繼續(xù)是實驗流體力學(xué)的重要方法。但接觸測量法干擾流場，不可避免地帶有方法本身的誤差，具有局限性。如對回流區(qū)的測量，機(jī)械探頭會擾動回流圖形；對于小尺寸管道中的流動，機(jī)械探頭會造成堵塞。不適合特殊情況下測試（火焰）對于惡劣的環(huán)境(像燃燒火焰)，常常不能使用小尺寸探頭。熱線和熱薄膜風(fēng)速儀雖然是定量研究紊流結(jié)構(gòu)的主要實驗工具，但它僅限于低溫、低速、低紊流度、常特性的檢測，而且必須在回流區(qū)以外。光學(xué)速度測試技術(shù)具有測量靈敏度高，不干擾流場等優(yōu)點，有著很強(qiáng)的應(yīng)用前景。光學(xué)測速技術(shù)主要有全息干涉法、散斑照相法、激光多普勒測速法和激光雙焦點測速法等。激光多普勒測速法(LDV)60年第一臺氦-氖激光器誕生，64年世界上就出現(xiàn)了激光多普勒測速儀。20多年來，激光多普勒測速技術(shù)有了很大的發(fā)展，這是測量技術(shù)上的一個重大突破。多普勒測速是通過檢測流體中運動微粒散射光的多普勒頻移來測定速度的。激光多普勒測速屬于非接觸測量，激光作為測量探頭不干擾流場。激光多普勒測速應(yīng)用很廣:可用于燃燒混合物、火焰、旋轉(zhuǎn)機(jī)械、窄通道、化學(xué)反應(yīng)流動、風(fēng)洞或循環(huán)水洞中流動速度的測量等。激光多普勒測速有其突出的優(yōu)點：

1>如不需要流動校正；

2>不取決于溫度、密度和流體成份，僅對速度敏感;

3>取出量與速度成線性關(guān)系；

4>動態(tài)響應(yīng)快，等等。

但激光多普勒測速也有其局限性，例如:

1>需要示蹤粒子;

2>示蹤粒子要與流體一起運動;

3>對介質(zhì)和實驗通道有光學(xué)要求，要求光能透過流動等。

1激光多普勒測速的原理

1.激光多普勒效應(yīng)激光多普勒測速的基本原理：

是依據(jù)激光多普勒效應(yīng)，利用運動粒子散射光的頻移來測量速度.因為散射光的頻移中包含有粒子速度的信息。聲學(xué)中的多普勒現(xiàn)象

當(dāng)你站在火車站臺上鳴笛的火車進(jìn)站時，你感到笛聲變得尖了，即笛聲頻率變高；相反，火車鳴笛離開站臺，你會感到笛聲變得低沉，即笛聲頻率變低。這種因波源和觀察者相對于傳播介質(zhì)的運動而使觀察者接收到的波源頻率發(fā)生變化的現(xiàn)象叫多普勒效應(yīng)。

如果運動發(fā)生在波源和觀察者的連線上，假設(shè)

波源相對于介質(zhì)的運動速度為u，波源的波長為

，觀察者相對介質(zhì)的運動速度為v，波源原來的頻率為f0，波源在介質(zhì)中的傳播速度V，對下述四種情況可分別求得觀察者接收到的頻率f。

（1）波源和觀察者相對于介質(zhì)是靜止的（u=0，v=0），觀察者接收到的頻率即為波源原有的頻率，即f=f0

（2）波源不動，觀察者以速度v相對于介質(zhì)運動(u=0，)，觀察者接收到的頻率為觀察者背離波源取負(fù)號。

（3）觀察者不動，波源以速度u相對于介質(zhì)運動（，v=0），觀察者接收到的頻率f為：波源背著觀察者運動時取負(fù)號。

（4）波源和觀察者同時相對于介質(zhì)運動（，），觀察者接收到的頻率f為：電磁波也存在多普勒效應(yīng)，

對靜止光源來說，運動著的觀察者接收到的光波頻率為

觀察者背離波源取負(fù)號。

當(dāng)一單色頻率為f0的激光,照射到運動速度為v的微粒上時，運動微粒接收到的頻率不等于f0，發(fā)生了一次多普勒效應(yīng)。若用一個靜止的光檢測器，接收運動微粒的散射光，則接收到的頻率又經(jīng)過了一次多普勒效應(yīng)。靜止光源O、運動微粒P和靜止光檢測器S三者之間相對關(guān)系。

靜止光源、運動微粒、靜止光檢測器根據(jù)相對論變換，運動微粒P接收到的光波頻率fp近似為:

式中，為入射光方向的單位向量，c為介質(zhì)中的光速。光檢測器接收的粒子散射光頻率：

式中，為粒子散射光指向光檢測器方向的單位向量。(1)代入(2)，忽略高次項，得到：

(5-3)光檢測器接收的光波頻率與入射光波頻率之差叫多普勒頻差或頻移。多普勒頻移用fD表示：

(5-4)或者用波長表示為：

(5-5)

式中，

為入射光波長。

可見，如果僅知光源、運動粒子和光檢測器三者之間的相對位置，那么只能確定速度上的投影大小，不能確定速度方向。一種固定的相對位置，不可能確定平面速度的方向，這就是所謂LDV的方向模糊性。若速度方向已知，如風(fēng)洞，可將入射光、散射光和速度方向按下圖布置：

激光多普勒測速的特殊布置由圖可得：

代入前面式中，多普勒頻移表達(dá)式化為：

(5-6)

PIV瞬態(tài)流場測量技術(shù)PIV瞬態(tài)流場測量技術(shù)現(xiàn)狀及其在國內(nèi)的應(yīng)用PIV技術(shù)發(fā)展的背景在PIV技術(shù)出現(xiàn)以前，對流動結(jié)構(gòu)主要停留在采用流動顯示技術(shù)觀察階段。但流動顯示的方法觀察到的結(jié)果是觀察時刻以前運動所產(chǎn)生的累計的結(jié)果，這個結(jié)果對非定常運動和一些周期性的過程往往是不真實的。從流體力學(xué)測量本身的角度來講，對流場進(jìn)行全場快速、準(zhǔn)確測量始終是測量本身追求的發(fā)展目標(biāo)。PIV技術(shù)的出現(xiàn)也是這個發(fā)展過程的一個重要的標(biāo)志性階