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现代流动测试技术在流体机械流动分析中的应用

2014/11/13 22:59:44  来源:计测网通讯员 
字号: 13号字 16号字

    摘要:介绍现代流动测试技术的特点、发展趋势及其在流体动力设备研发方面的应用情况。主要工作有:热线风速仪技术(HWA)用于离心压缩机扩压器流场测试研究、用于湍流边界层的减阻控制研究;粒子图像速度场仪技术(Plv)用于叶轮机械动/静相干非定常流场的研究、用于管道内横向射流的研究;激光多普勒测速技术(LDv)用于风机叶轮流场的测试研究等。

  一、几种现代热线风速仪技术

  1.热线风速仪技术

  得用放置在流场中通有加热电流的细金属丝来测量风速的仪器称为热线风速仪(HwA,Hot-wireAnemometry)。金属丝为热敏元件,通电加热,当风速变化时,金属丝的温度随之而变,从而产生电信号,电信号与风速之间具有一一对应关系,测出此电信号就可以确定风速。

  1914年,King提出了无限长线与流体之间的热对流理论,著明的King公式奠定了热线风速仪的理论基础。随后,热线风速仪经历了以平均速度测量为主和以脉动速度测量为主的两个发展阶段。在工作方式上,提出了恒流和恒温两种不同的工作原理。20世纪90年代,北京大学力学系的研究者提出了预移相型热线热膜风速仪原理,这是我国科研工作者对热线风速仪技术发展作出的重大贡献。

  热线风速仪具有惯性小、频响宽、信号连续、灵敏度高和使用方便等优点,它的出现是实验流体力学进步的一个里程碑。流体力学中的许多成果,特别是湍流中的许多重要结论与热线风速仪的成功应用密不可分。热线风速仪也被拓展用于温度、浓度和密度等物理量的测量,这方面还在不断发展着。在热线风速仪的发展过程中,先后出现了单丝、X形双丝和三丝探头,分别用于测量一维、二维、三维速度矢量。后来又有了六线涡量探头等。热线风速仪技术的缺点是探头干扰流场,操作麻烦,流向测量时需要速度和方向标定,较复杂。

  2.激光多普勒测速仪技术

  又称LDV,是“Laser Doppler Veloeimetry"的缩写。有50多年的历史,是实验流体力学技术发展的一个飞跃,它具有高频响、高精度、不干扰流场,易于判别流向等优点,缺点是信号随机采样,信号不连续,需示踪粒子,价格昂贵等。

  在流场中加人微粒充当随流体运动的示踪粒子,当激光人射到示踪粒子上时,会发生散射现象,可用检测器接受散射光。散射光和人射光的频率差就是激光多普勒频移。多普勒频移是速度的函数,测得频移就可以得到速度。现在的LDV系统均建立在上述关系之上。随着光纤技术、集成技术、光电技术和计算机技术的发展,已出现了高频响的光纤集成LDV系统,以及集成型一维和二维光纤探头,二者组合可以测量三维速度。现在LDV正在向微小化、低成本、多功能,便携型方向发展。

  3.粒子图像速度场仪技术

  又称pIV,是“partieleImageVeloeimetry”的缩写。Plv技术有30多年的历史,它能够测量流体流动空间某一平面上的瞬时速度矢量场。

  PIV技术的出现是现代流体力学实验技术的一个重大发展,是流动测试技术不断发展的产物。目前认为,流体中的湍流是由各种尺度的结构叠加而成。为了了解流动空间结构,通常需要在同一瞬时记录卞整个流场信息,如果使用单点的热线测速技术和LDV测速技术,都不能得到令人满意的流动速度场信息。在高湍流度流动中,流动的空间结构不断改变,数据的平均处理过程容易引起流动结构图像的消失,只有通过PIV技术才有可能获得流动的各种尺度结构的逼真图像。利用显微镜技术和PIV技术的结合,也可以获得了微尺度结构的矢量场。

  现代科技的发展是PIV的技术基础。图像处理技术的发展和阵列式计算机的产生给图像处理提供了实现的可能,粒子图像测速技术中的大多数方法都是经典流动可视化技术的自然延伸和扩大,在这个意义上,Plv也被称为量化可视化技术。此外,高速数据采集系统、数字式摄像仪CCD、图像传输系统以及激光技术的发展为PIV提供了物质基础。

  二、热线技术的应用

  1 离心压缩机扩压器流场的测量

  假设流场稳定,利用直丝探头与斜丝探头结合,在空间一点多方向旋转采样,可构成一方程组,求解此方程组,即得到三个速度矢量和六个雷诺应力参数。

  图1为一台离心压缩机实验台部分结构,由叶轮和扩压器等部分组成,扩压器叶片为楔形。半开式叶轮顺时钟旋转,扩压器叶片中S为吸力面,P为压力面,M区域为被测量流道。图2为无量纲径向速度Ur/u‘的等值线分布图,该图为扩压器流道中周向柱面的平面展开图,u‘为叶轮圆周速度,D:为叶轮直径,D为被测量柱面位置,纵横坐标为周向弧长度与扩压器宽度的比值,下同。可以看到,在D/D:=1.146截面上,A和C区速度高,A为峰值区。B为低速区。随着半径增大,高速区缩小。A区横向迁移,值减小,B区也横向迁移,值增大,速度分布区域均匀。周向速度分布图,与图2类似。

  图3为径向脉动速度均方根分布图。由于半开式叶轮叶顶的泄漏,观察D/DZ二1.146截面,可看到,轮盖侧有一脉动速度很大的区域。此峰值区域随着半径增大,扩散开来,流动脉动强度减弱。(未完待续)

  本文作者:宫武旗 黄淑娟 徐忠

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