第七章流速测量课件

State Key Laboratory of Engines,Tianjin University“雪亮工程是以区（县）、乡（镇）、村（社区）三级综治中心为指挥平台、以综治信息化为支撑、以网格化管理为基础、以公共安全视频监控联网应用为重点的“群众性治安防控工程”。热能与动力机械测试技术天津大学机械学院内燃机燃烧学国家重点实验室热能与动力机械测试技术天津大学机械学院1State Key Laboratory of Engines,Tianjin University“雪亮工程是以区（县）、乡（镇）、村（社区）三级综治中心为指挥平台、以综治信息化为支撑、以网格化管理为基础、以公共安全视频监控联网应用为重点的“群众性治安防控工程”。皮托管测速技术；皮托管测速技术；热线（热膜）测速技术；热线（热膜）测速技术；激光多普勒测速技术；激光多普勒测速技术；粒子图像测速技术。粒子图像测速技术。本章主要内容学学习要求：要求：了解皮托管测速的基本原理和方法，熟练掌握热线流速仪测速、激光多普勒流速仪测速的基本方法和工作原理。第七章 流速流速测量测量皮托管测速技术；本章主要内容学习要求：第七章 流速测量2State Key Laboratory of Engines,Tianjin University“雪亮工程是以区（县）、乡（镇）、村（社区）三级综治中心为指挥平台、以综治信息化为支撑、以网格化管理为基础、以公共安全视频监控联网应用为重点的“群众性治安防控工程”。流速测量流速测量一一机械法测量流速：机械法测量流速：转杯风速仪转杯风速仪二二动压法：动压法：毕托管毕托管三三.散热率法测量流速：散热率法测量流速：热线风速仪，热球热线风速仪，热球风速仪风速仪可测低速可测低速流速测量一机械法测量流速：转杯风速仪3State Key Laboratory of Engines,Tianjin University“雪亮工程是以区（县）、乡（镇）、村（社区）三级综治中心为指挥平台、以综治信息化为支撑、以网格化管理为基础、以公共安全视频监控联网应用为重点的“群众性治安防控工程”。补充机械法测量流速补充机械法测量流速1种类种类：杯式、翼式：杯式、翼式杯式翼式适用范围适用范围：以以前前：风风速速范范围围为为1520m/s以以内内，只只能能测测量量流流速速的的平均值，不能测量脉动流。通过机械仪表用指针指示。平均值，不能测量脉动流。通过机械仪表用指针指示。目目前前：测测速速范范围围为为0.2530m/s，并并且且可可测测量量流流速速的的瞬时值。可将叶轮的转速转换成电信号。瞬时值。可将叶轮的转速转换成电信号。补充机械法测量流速1种类：杯式、翼式杯式翼式适用范围：4State Key Laboratory of Engines,Tianjin University“雪亮工程是以区（县）、乡（镇）、村（社区）三级综治中心为指挥平台、以综治信息化为支撑、以网格化管理为基础、以公共安全视频监控联网应用为重点的“群众性治安防控工程”。2.测量原理测量原理 空气通过转杯时，推动叶片转动。根据空气通过转杯时，推动叶片转动。根据叶片的角位移叶片的角位移推算流过的空气速度。推算流过的空气速度。2.测量原理 空气通过转杯时，推动叶片转动。根据叶片的角5State Key Laboratory of Engines,Tianjin University“雪亮工程是以区（县）、乡（镇）、村（社区）三级综治中心为指挥平台、以综治信息化为支撑、以网格化管理为基础、以公共安全视频监控联网应用为重点的“群众性治安防控工程”。第七章流速测量课件6State Key Laboratory of Engines,Tianjin University“雪亮工程是以区（县）、乡（镇）、村（社区）三级综治中心为指挥平台、以综治信息化为支撑、以网格化管理为基础、以公共安全视频监控联网应用为重点的“群众性治安防控工程”。AVM-03风速速计风速速计檔位檔位测量范量范围分辨率分辨率误差差M/S0.3-45.00.1 3%or 0.1 位KNOTS0.6-88.00.1 3%or 0.1 位ft/min60-880010 3%or 10 位Km/hr1-140.00.1 3%or 0.1 位温度温度(AVM-03)0-600.1 0.8温度温度(AVM-03)32-1400.1 1.5AVM-03风速计风速计檔位测量范围分辨率误差M/S0.3-7State Key Laboratory of Engines,Tianjin University“雪亮工程是以区（县）、乡（镇）、村（社区）三级综治中心为指挥平台、以综治信息化为支撑、以网格化管理为基础、以公共安全视频监控联网应用为重点的“群众性治安防控工程”。毕托管毕托管：可同时测得流体总压和静压之差的复合测压管，又称为动压管、速度探针。分别采用总压管和静压管测得流体的总压和静压，然后利用公式计算得到流体速度。第一节第一节 皮托管测速技术皮托管测速技术特点特点：结构简单，使用制造方便，价格便宜，坚固可靠，精度高。毕托管测量的是空间某点处的平均速度，它的头部尺寸决定了它的空间分辨率。根据所测量的流体性质，将毕托管设计成不同的形状，常用的有L形和T形。毕托管：可同时测得流体总压和静压之差的复合测压管，又称为动压8State Key Laboratory of Engines,Tianjin University“雪亮工程是以区（县）、乡（镇）、村（社区）三级综治中心为指挥平台、以综治信息化为支撑、以网格化管理为基础、以公共安全视频监控联网应用为重点的“群众性治安防控工程”。（一）基本构造和测速原理（一）基本构造和测速原理皮托管由两根同心圆管组成，内管前端敞开，管口截面垂直于流动方向并正对流体流动方向。外管前端封闭，但管侧壁在距前端一定距离处四周开有一些小孔，流体在小孔旁流过。内、外管的另一端分别与U型压差计的接口相连，并引至被测管路的管外。（一）基本构造和测速原理皮托管由两根同心圆管组成，内管前端敞9State Key Laboratory of Engines,Tianjin University“雪亮工程是以区（县）、乡（镇）、村（社区）三级综治中心为指挥平台、以综治信息化为支撑、以网格化管理为基础、以公共安全视频监控联网应用为重点的“群众性治安防控工程”。皮托管测速的基本原理：皮托管测速的基本原理：根据不可压缩流体的伯努利方程，流体参数在同一流线上有着如下关系式中：p0、p分别为流体的总压和静压；为流体密度；v为流体速度。可得：考虑到总压和静压误差总压和静压误差，引入皮托管校准系数作适当修正：皮托管的标准系数=1.01-1.02，且在较大的流动马赫数Ma和雷诺数Re范围内保持定值。皮托管测速的基本原理：根据不可压缩流体的伯努利方程，流体参数10State Key Laboratory of Engines,Tianjin University“雪亮工程是以区（县）、乡（镇）、村（社区）三级综治中心为指挥平台、以综治信息化为支撑、以网格化管理为基础、以公共安全视频监控联网应用为重点的“群众性治安防控工程”。当被测流体为气体被测流体为气体，且流动的马赫数Ma0.3时，应考虑压缩性效应。式中：为气体的压缩性修正系数。见表：对于可压缩气体，其绝对流速还与温度有关，一般用Ma表示气体流速：式中：k为气体的等熵压缩（或膨胀）指数，对于空气，k=1.40当被测流体为气体，且流动的马赫数Ma0.3时，应考虑压缩性11State Key Laboratory of Engines,Tianjin University“雪亮工程是以区（县）、乡（镇）、村（社区）三级综治中心为指挥平台、以综治信息化为支撑、以网格化管理为基础、以公共安全视频监控联网应用为重点的“群众性治安防控工程”。锥形探头皮托管：锥形探头皮托管：用普通的皮托管测试时，一般要求流动的Ma小于临界Ma。对于高Ma（接近1）下的流动，为了避免在皮托管的头部附近发生脱体激波，采用锥形探头皮托管，适用于Ma达0.8-0.85范围的流速测量。皮托管在使用前必须经过严格标定。皮托管在使用前必须经过严格标定。锥形探头皮托管：皮托管在使用前必须经过严格标定。12State Key Laboratory of Engines,Tianjin University“雪亮工程是以区（县）、乡（镇）、村（社区）三级综治中心为指挥平台、以综治信息化为支撑、以网格化管理为基础、以公共安全视频监控联网应用为重点的“群众性治安防控工程”。第七章流速测量课件13State Key Laboratory of Engines,Tianjin University“雪亮工程是以区（县）、乡（镇）、村（社区）三级综治中心为指挥平台、以综治信息化为支撑、以网格化管理为基础、以公共安全视频监控联网应用为重点的“群众性治安防控工程”。（二）二维气流速度的测量（二）二维气流速度的测量对于平面流动，可以采用三孔测速管测量其流速的大小和方向。三孔测速管主要由三孔感压探头、干管、传压管和分度盘等组成，其中探头可以做成圆柱形、球形、尖劈形等。（二）二维气流速度的测量对于平面流动，可以采用三孔测速管测量14State Key Laboratory of Engines,Tianjin University“雪亮工程是以区（县）、乡（镇）、村（社区）三级综治中心为指挥平台、以综治信息化为支撑、以网格化管理为基础、以公共安全视频监控联网应用为重点的“群众性治安防控工程”。探头的三个感压孔中，居中的一个为总压孔，两侧的孔用于探测气流方向，故也称方向孔。两个方向孔在同一平面内按90夹角布置，总压孔则布置在两个方向孔的角平分线上。测速管探头插入气流中，通过转动干管使得两个方向孔的压力相等，此时气流方向与总压孔的轴线平行。流速的方向是根据两个方向孔的压力平衡情况来判断的，而流速的大小根据总压孔压力（p2）与方向孔压力（p1）之间的压力差进行计算的。探头的三个感压孔中，居中的一个为总压孔，两侧的孔用于探测气流15State Key Laboratory of Engines,Tianjin University“雪亮工程是以区（县）、乡（镇）、村（社区）三级综治中心为指挥平台、以综治信息化为支撑、以网格化管理为基础、以公共安全视频监控联网应用为重点的“群众性治安防控工程”。测量空间（三维）流动速度测量空间（三维）流动速度的大小和方向及流体的压力，常用球形五孔三元测压管、管束形五孔三元测压管和楔形五孔三元测压管。测量空间（三维）流动速度的大小和方向及流体的压力，常用球形五16State Key Laboratory of Engines,Tianjin University“雪亮工程是以区（县）、乡（镇）、村（社区）三级综治中心为指挥平台、以综治信息化为支撑、以网格化管理为基础、以公共安全视频监控联网应用为重点的“群众性治安防控工程”。（三）皮托管的标定（三）皮托管的标定在校正风洞中用比较法进行标定，它将被标定的仪表测得的数据与标准仪表测得的数据相比较，就可得出被标定的仪表的修正系数或特性曲线。标准风洞有吸入式、射流式、吸入-射流复合式以及正压式等多种类型，其中最常用的是射流式风洞。（三）皮托管的标定在校正风洞中用比较法进行标定，它将被标定的17State Key Laboratory of Engines,Tianjin University“雪亮工程是以区（县）、乡（镇）、村（社区）三级综治中心为指挥平台、以综治信息化为支撑、以网格化管理为基础、以公共安全视频监控联网应用为重点的“群众性治安防控工程”。毕托管要标定的是毕托管的校校正正系系数数以及在不同流速时，毕托管对流动偏斜角的不灵敏性流动偏斜角的不灵敏性。基本步骤：基本步骤：（1）安装被标定皮托管，保证皮托管总压孔的轴线对准校准风洞的轴线。（2）合理选择标定流速范围，记录各稳定气流流速下校准风洞的标准动压值h和被标定皮托管的动压值h1。（3）整理记录数据，或拟合成标定方程，或绘制成标定曲线，以备查用。毕托管要标定的是毕托管的校正系数以及在不同流速时，毕托管对流18State Key Laboratory of Engines,Tianjin University“雪亮工程是以区（县）、乡（镇）、村（社区）三级综治中心为指挥平台、以综治信息化为支撑、以网格化管理为基础、以公共安全视频监控联网应用为重点的“群众性治安防控工程”。第二节第二节 热线（热膜）测速技术热线（热膜）测速技术散散热热率率法法测测量量流流速速的的原原理理:是将发热的测速传感器置于被测流体中，利用发热的测速传感器的散热率与流体流速成比例的特点，通过测定传感器的散热率来获得流体的流速。热线（热膜）测速是一种热电式测试技术，其相应的测量装置通常称为热线风速仪。可用来测量微风（如冷库和空调房内的风速）脉动速度（如内燃机燃烧室内的湍流强度和压气机的旋转失速）皮托管难以安装的场合（如边界层、压气机级间）的流速。第二节 热线（热膜）测速技术散热率法测量流速的原理:是将发19State Key Laboratory of Engines,Tianjin University“雪亮工程是以区（县）、乡（镇）、村（社区）三级综治中心为指挥平台、以综治信息化为支撑、以网格化管理为基础、以公共安全视频监控联网应用为重点的“群众性治安防控工程”。热线风速仪热线风速仪是利用被加热的金属丝的热量是利用被加热的金属丝的热量损失来测量气体流速的。损失来测量气体流速的。热线风速仪是利用被加热的金属丝的热量损失来测量气体流速的。20State Key Laboratory of Engines,Tianjin University“雪亮工程是以区（县）、乡（镇）、村（社区）三级综治中心为指挥平台、以综治信息化为支撑、以网格化管理为基础、以公共安全视频监控联网应用为重点的“群众性治安防控工程”。（一）热线风速仪的基本构造（一）热线风速仪的基本构造热线风速仪由探头、信号和数据处理系统构成。探头选用探头选用热敏热敏电阻电阻材料材料，结构上分热线热线和热膜热膜两种形式。另外，对分别适用于一维、平面和空间流场流速测量的探头，又分别称为一元、二元和三元探头。标准的热线探头由两根支架张紧一根短而细的金属丝组成，如图a所示。金属丝通常用铂、铑、钨等熔点高、延展性好的金属制成。热线长度一般在0.52毫米范围，直径在110微米范围。根据不同的用途，热线探头还做成双丝、三丝、斜丝及V形、X形等。有时用金属膜代替金属丝，通常在一热绝缘的基体上喷镀一层薄金属膜，称为热膜探头，如图b所示。热膜风速仪功能与热丝相似，但多用于测量液体流速测量液体流速。（一）热线风速仪的基本构造热线风速仪由探头、信号和数据处理系21State Key Laboratory of Engines,Tianjin University“雪亮工程是以区（县）、乡（镇）、村（社区）三级综治中心为指挥平台、以综治信息化为支撑、以网格化管理为基础、以公共安全视频监控联网应用为重点的“群众性治安防控工程”。第七章流速测量课件22State Key Laboratory of Engines,Tianjin University“雪亮工程是以区（县）、乡（镇）、村（社区）三级综治中心为指挥平台、以综治信息化为支撑、以网格化管理为基础、以公共安全视频监控联网应用为重点的“群众性治安防控工程”。第七章流速测量课件23State Key Laboratory of Engines,Tianjin University“雪亮工程是以区（县）、乡（镇）、村（社区）三级综治中心为指挥平台、以综治信息化为支撑、以网格化管理为基础、以公共安全视频监控联网应用为重点的“群众性治安防控工程”。热线探头在使用前必须进行校准。静态校准静态校准是在专门的标准风洞里进行的，测量流速与输出电压之间的关系并画成标准曲线；动态校准动态校准是在已知的脉动流场中进行的，或在风速仪加热电路中加上一脉动电信号，校验热线风速仪的频率响应，若频率响应不佳可用相应的补偿线路加以改善。热线探头在使用前必须进行校准。24State Key Laboratory of Engines,Tianjin University“雪亮工程是以区（县）、乡（镇）、村（社区）三级综治中心为指挥平台、以综治信息化为支撑、以网格化管理为基础、以公共安全视频监控联网应用为重点的“群众性治安防控工程”。（二）热线风速仪的基本原理（二）热线风速仪的基本原理热线风速仪基本原理是将一根细的金属丝放在流体中，通电流热线风速仪基本原理是将一根细的金属丝放在流体中，通电流加热金属丝，使其温度高于流体的温度，因此将金属丝称为加热金属丝，使其温度高于流体的温度，因此将金属丝称为“热线热线”。当流体沿垂直方向流过金属丝时，将带走金属丝的一部分热量，当流体沿垂直方向流过金属丝时，将带走金属丝的一部分热量，使金属丝温度下降。根据强迫对流热交换理论，可导出热线散使金属丝温度下降。根据强迫对流热交换理论，可导出热线散失的热量失的热量Q与流体的速度与流体的速度v之间存在关系式之间存在关系式式中：式中：Rw、I分别为热线的电阻和流过的电流强度；分别为热线的电阻和流过的电流强度；Tw为相应为相应的热线温度；的热线温度；Tf为流体的温度，为流体的温度，a、b为与流体和热线有关的物为与流体和热线有关的物理常数，由试验确定；理常数，由试验确定；n为与流速有关的常数。为与流速有关的常数。（二）热线风速仪的基本原理热线风速仪基本原理是将一根细的金属25State Key Laboratory of Engines,Tianjin University“雪亮工程是以区（县）、乡（镇）、村（社区）三级综治中心为指挥平台、以综治信息化为支撑、以网格化管理为基础、以公共安全视频监控联网应用为重点的“群众性治安防控工程”。考虑到热线材料的电阻温度特性，热线电阻考虑到热线材料的电阻温度特性，热线电阻Rw与其温度与其温度Tw是是一一对应的，因此在流体温度一定的条件下，流体的流速仅一一对应的，因此在流体温度一定的条件下，流体的流速仅仅是热线电流和热线温度的函数，即仅是热线电流和热线温度的函数，即或者或者这样通过测量热线两端的电压，即可确定流速。它有两种这样通过测量热线两端的电压，即可确定流速。它有两种工作模式：工作模式：1.恒流式恒流式2.恒温式恒温式考虑到热线材料的电阻温度特性，热线电阻Rw与其温度Tw是一一26State Key Laboratory of Engines,Tianjin University“雪亮工程是以区（县）、乡（镇）、村（社区）三级综治中心为指挥平台、以综治信息化为支撑、以网格化管理为基础、以公共安全视频监控联网应用为重点的“群众性治安防控工程”。1.1.恒流型热线风速仪恒流型热线风速仪如如果果在在热热线线工工作作过过程程中中，人人为为地地用用一一恒恒值值电电流流对对热热线线加加热热，由由于于流流体体对对热热线线对对流流冷冷却却，且且冷冷却却能能力力随随着着流流速速的的增增大大而而加加强强。当当流流速速呈呈稳稳态态时时，则则可可根根据据热热线线电电阻阻值值的的大大小小确确定定流流体体的速度。的速度。测测流流速速时时，热热线线温温度度下下降降、电电阻阻Rw下下降降，通通过过调调整整Ra使使电电桥桥平平衡衡。通通过过测测量量Ra的的改改变变量量得得到到Rw的数值，计算出流速。的数值，计算出流速。1.恒流型热线风速仪如果在热线工作过程中，人为地用一恒值电27State Key Laboratory of Engines,Tianjin University“雪亮工程是以区（县）、乡（镇）、村（社区）三级综治中心为指挥平台、以综治信息化为支撑、以网格化管理为基础、以公共安全视频监控联网应用为重点的“群众性治安防控工程”。2.2.恒温型热线风速仪恒温型热线风速仪如果在热线工作过程中，始终保持热线的温度不变，则可通如果在热线工作过程中，始终保持热线的温度不变，则可通过测得流经热线的电流值来确定流体的速度。过测得流经热线的电流值来确定流体的速度。测测速速时时热热线线因因为为对对流流换换热热温温度度下下降降、电电阻阻减减小小，调调节节可可变变电电阻阻R R增增大大电电桥桥的的供供电电电电压压，桥桥臂臂上上的的电电流流随随之之增增大大，热热线线加加热热功功率率增增大大，温温度度回回升升，阻阻值值增增大大到到电电桥桥重重新新恢恢复复平平衡衡。根根据据电电流流和和流流速速的的函函数数关关系系式式计计算算得得到流速。到流速。2.恒温型热线风速仪如果在热线工作过程中，始终保持热线的温28State Key Laboratory of Engines,Tianjin University“雪亮工程是以区（县）、乡（镇）、村（社区）三级综治中心为指挥平台、以综治信息化为支撑、以网格化管理为基础、以公共安全视频监控联网应用为重点的“群众性治安防控工程”。恒恒温温式式比比恒恒流流式式应应用用更更广广泛泛。恒恒流流式式因因热热线线热热惯惯性性的的影影响响，存存在在灵灵敏敏度度随随被被测测流流体体流流动动变变化化频频率率减减小小而而降降低低，而而且且会会产产生相位滞后等缺点。生相位滞后等缺点。实实际际应应用用中中，由由于于测测速速公公式式的的函函数数关关系系不不易易确确定定，通通常常采采用用试试验验标标定定曲曲线线的的方方法法，或或把把标标定定数数据据通通过过回回归归分分析析整整理理成成经经验公式。验公式。从从热热线线输输出出的的电电信信号号，经经放放大大、补补偿偿和和数数字字化化后后输输入入计计算算机机，可可提提高高测测量量精精度度，自自动动完完成成数数据据后后处处理理过过程程，扩扩大大测测速速功功能能，如如同同时时完完成成瞬瞬时时值值和和时时均均值值、合合速速度度和和分分速速度度、湍湍流流度度和和其其他湍流参数的测量。他湍流参数的测量。热热线线式式风风速速计计与与皮皮托托管管相相比比，具具有有探探头头体体积积小小，对对流流场场干干扰扰小小；响响应应快快，能能测测量量非非定定常常流流速速；能能测测量量很很低低的的流流速速（如如低低达达0.3米秒米秒）等优点等优点。非非定定常常流流动动：流流体体的的流流动动状状态态随随时时间间改改变变的的流流动动。若若流流动动状状态态不不随随时时间间而而变变化化，则则为为定定常常流流动动。流流体体通常的流动几乎都是非定常的。通常的流动几乎都是非定常的。恒温式比恒流式应用更广泛。恒流式因热线热惯性的影响，存在灵敏29State Key Laboratory of Engines,Tianjin University“雪亮工程是以区（县）、乡（镇）、村（社区）三级综治中心为指挥平台、以综治信息化为支撑、以网格化管理为基础、以公共安全视频监控联网应用为重点的“群众性治安防控工程”。热线测速仪的热线测速仪的优点优点是是（1）体积小，对流场干扰小；）体积小，对流场干扰小；（2）适用范围广。不仅可用于气体也可用于液体，在气体的）适用范围广。不仅可用于气体也可用于液体，在气体的亚声速、跨声速和超声速流动中均可使用；除了测量平均速亚声速、跨声速和超声速流动中均可使用；除了测量平均速度外，还可测量脉动值和湍流量；除了测量单方向运动外还度外，还可测量脉动值和湍流量；除了测量单方向运动外还可同时测量多个方向的速度分量。可同时测量多个方向的速度分量。（3）频率响应高，可高达）频率响应高，可高达1 MHz。（4）测量精度高，重复性好。）测量精度高，重复性好。热线测速仪的热线测速仪的缺点缺点是探头对流场有一定干扰，热线容易断裂。是探头对流场有一定干扰，热线容易断裂。热线测速仪的优点是30State Key Laboratory of Engines,Tianjin University“雪亮工程是以区（县）、乡（镇）、村（社区）三级综治中心为指挥平台、以综治信息化为支撑、以网格化管理为基础、以公共安全视频监控联网应用为重点的“群众性治安防控工程”。热线测速仪的主要用途是热线测速仪的主要用途是（1 1）测量平均流动的速度和方向。）测量平均流动的速度和方向。（2 2）测量来流的脉动速度及其频谱。）测量来流的脉动速度及其频谱。（3 3）测测量量湍湍流流中中的的雷雷诺诺应应力力及及两两点点的的速速度度相相关关性性、时时间间相相关关性。性。（4 4）测测量量壁壁面面切切应应力力（通通常常是是采采用用与与壁壁面面平平齐齐放放置置的的热热膜膜探探头来进行的，原理与热线测速相似。）头来进行的，原理与热线测速相似。）（5 5）测测量量流流体体温温度度（事事先先测测出出探探头头电电阻阻随随流流体体温温度度的的变变化化曲曲线线，然然后后根根据据测测得得的的探探头头电电阻阻就就可可确确定定温温度度。除除此此以以外外还还开开发出许多专业用途。发出许多专业用途。热线测速仪的主要用途是31State Key Laboratory of Engines,Tianjin University“雪亮工程是以区（县）、乡（镇）、村（社区）三级综治中心为指挥平台、以综治信息化为支撑、以网格化管理为基础、以公共安全视频监控联网应用为重点的“群众性治安防控工程”。随着高速公路的蓬勃发展，汽车车速不断提高，汽车气动随着高速公路的蓬勃发展，汽车车速不断提高，汽车气动阻力对燃油消耗的影响日益凸现出来。气动阻力的阻力对燃油消耗的影响日益凸现出来。气动阻力的85%是是压差阻力，同时压差阻力压差阻力，同时压差阻力91%来自汽车尾部（其值随车身来自汽车尾部（其值随车身长短不同而异）；长短不同而异）；而汽车尾流结构对汽车空气动力特性具有决定性影响。为而汽车尾流结构对汽车空气动力特性具有决定性影响。为此，进行汽车尾流速度测量，搞清尾流结构进而改善汽车此，进行汽车尾流速度测量，搞清尾流结构进而改善汽车空气动力特性对开发低阻力汽车，降低汽车燃油消耗有重空气动力特性对开发低阻力汽车，降低汽车燃油消耗有重要意义。要意义。随着高速公路的蓬勃发展，汽车车速不断提高，汽车气动阻力对燃油32State Key Laboratory of Engines,Tianjin University“雪亮工程是以区（县）、乡（镇）、村（社区）三级综治中心为指挥平台、以综治信息化为支撑、以网格化管理为基础、以公共安全视频监控联网应用为重点的“群众性治安防控工程”。热热线线风风速速计计的的出出现现是是流流体体力力学学试试验验技技术术进进步步的的新新突突破破。它它使使汽汽车车空空气气动动力力学学试试验验研研究究获获得得了了研研究究非非定定常常流流特特别别是是湍湍流流的的有力工具。有力工具。尽尽管管20 世世纪纪60 年年代代出出现现了了激激光光测测速速技技术术，试试验验研研究究发发现现测测量量湍湍流流参参量量时时，激激光光测测速速常常因因丢丢失失粒粒子子信信号号而而导导致致测测量量结结果果不不可可靠靠，并并且且由由于于激激光光测测速速仪仪价价格格和和维维持持费费用用昂昂贵贵，在在湍湍流流场场研研究究的的应应用用范范围围上上远远不不如如热热线线技技术术广广泛泛。今今后后热热线线技技术术仍仍将是汽车湍流，特别是汽车尾流场速度测量的主要手段。将是汽车湍流，特别是汽车尾流场速度测量的主要手段。热线风速计的出现是流体力学试验技术进步的新突破。它使汽车空气33State Key Laboratory of Engines,Tianjin University“雪亮工程是以区（县）、乡（镇）、村（社区）三级综治中心为指挥平台、以综治信息化为支撑、以网格化管理为基础、以公共安全视频监控联网应用为重点的“群众性治安防控工程”。第七章流速测量课件34State Key Laboratory of Engines,Tianjin University“雪亮工程是以区（县）、乡（镇）、村（社区）三级综治中心为指挥平台、以综治信息化为支撑、以网格化管理为基础、以公共安全视频监控联网应用为重点的“群众性治安防控工程”。热线测速仪测量横截面：试验对4 个尾流速度测量横截面进行了速度分布测量。本车的模型高为h=126mm，4 个面距离汽车尾端分别为1h，2h，3h，4h 处，分别对应x/h=1，2，3，4。热线测速仪测量横截面：试验对4 个尾流速度测量横截面进行了速35State Key Laboratory of Engines,Tianjin University“雪亮工程是以区（县）、乡（镇）、村（社区）三级综治中心为指挥平台、以综治信息化为支撑、以网格化管理为基础、以公共安全视频监控联网应用为重点的“群众性治安防控工程”。第四节第四节 粒子图像测速技术粒子图像测速技术利用粒子的图像来测量流体速度的方法都可以称为粒子图像测速技术（Particle Image Velocimetry）。是七十年代末发展起来的一种瞬态、多点、无接触式的流体力学测速方法。近几十年来得到了不断完善与发展，PIV技术的特点是超出了单点测速技术（如激光多普勒测速仪：Laser Doppler Velocimetry）的局限性，能在同一瞬态记录下大量空间点上的速度分布信息，并可提供丰富的流场空间结构以及流动特性。PIV技技术术除除向向流流场场散散布布示示踪踪粒粒子子外外，所所有有测测量量装装置置并并不介入流场。另外不介入流场。另外PIV技术具有较高的测量精度。技术具有较高的测量精度。第四节 粒子图像测速技术利用粒子的图像来测量流体速度的方法36State Key Laboratory of Engines,Tianjin University“雪亮工程是以区（县）、乡（镇）、村（社区）三级综治中心为指挥平台、以综治信息化为支撑、以网格化管理为基础、以公共安全视频监控联网应用为重点的“群众性治安防控工程”。（一）粒子图像测速（一）粒子图像测速（PIV）原理）原理1.PIV基本原理PIV的基本原理是通过测量流场中示踪粒子在某一时间微元t内的位移来计算流体速度，其中作为粒子位移信息载体的是t和t+t时刻的粒子图像。拍摄粒子图像时，通常采用激光器发射的脉冲光照明流场，利用流场中示踪粒子的散射光成像。（一）粒子图像测速（PIV）原理1.PIV基本原理37State Key Laboratory of Engines,Tianjin University“雪亮工程是以区（县）、乡（镇）、村（社区）三级综治中心为指挥平台、以综治信息化为支撑、以网格化管理为基础、以公共安全视频监控联网应用为重点的“群众性治安防控工程”。目前PIV测速方法有多种分类，无论何种形式的PIV，其速度测量都依赖于散布在流场中的示踪粒子，PIV法测速都是通过测量示踪粒子在已知很短时间间隔内的位移来间接地测量流场的瞬态速度分布。目前PIV测速方法有多种分类，无论何种形式的PIV，其速度测38State Key Laboratory of Engines,Tianjin University“雪亮工程是以区（县）、乡（镇）、村（社区）三级综治中心为指挥平台、以综治信息化为支撑、以网格化管理为基础、以公共安全视频监控联网应用为重点的“群众性治安防控工程”。PIV技技术术（Particle Image Velocimetry粒粒子子图图像像测测速速技技术术）是是在在片片光光流流场场显显示示技技术术基基础础上上，利利用用图图像像处处理理技技术术发发展展起起来来的的一一种种新新的的流流动动测测量量技技术术，它它融融计计算算机机图图像像处处理理与与光光学学技技术术为为一体，近年来已成为研究流动现象的非常有效的新工具。一体，近年来已成为研究流动现象的非常有效的新工具。PIV技术（Particle Image Velocimet39State Key Laboratory of Engines,Tianjin University“雪亮工程是以区（县）、乡（镇）、村（社区）三级综治中心为指挥平台、以综治信息化为支撑、以网格化管理为基础、以公共安全视频监控联网应用为重点的“群众性治安防控工程”。粒子图像测速技术粒子图像测速技术40State Key Laboratory of Engines,Tianjin University“雪亮工程是以区（县）、乡（镇）、村（社区）三级综治中心为指挥平台、以综治信息化为支撑、以网格化管理为基础、以公共安全视频监控联网应用为重点的“群众性治安防控工程”。2.PIV系统组成由作为光源的激光器、形成片光的柱面镜、用来拍摄粒子图像的照相机或者CCD（Charge Coupled Device：是一种半导体装置，能够把光学影像转化为数字信号）、进行数据保存和处理的计算机、控制激光脉冲与照相机快门同步的电子控制器等。2.PIV系统组成41State Key Laboratory of Engines,Tianjin University“雪亮工程是以区（县）、乡（镇）、村（社区）三级综治中心为指挥平台、以综治信息化为支撑、以网格化管理为基础、以公共安全视频监控联网应用为重点的“群众性治安防控工程”。同步控制器：同步控制器：控制激光脉冲与照相机快门同步 具有影像即时处理功能同步控制器：控制激光脉冲与照相机快门同步42State Key Laboratory of Engines,Tianjin University“雪亮工程是以区（县）、乡（镇）、村（社区）三级综治中心为指挥平台、以综治信息化为支撑、以网格化管理为基础、以公共安全视频监控联网应用为重点的“群众性治安防控工程”。常用的激光器激光器有红宝石激光器和钇-钕石榴石（Nd:Yag）激光器（镭射）。红宝石激光器的优点优点：脉冲光能量大。缺点缺点：脉冲间隔调整范围有限，难以适用于低速流动测量，再次充电时间长，不能连续产生光脉冲。Nd:Yang激光器的脉冲能量小，但能够连连续续发发射射光光脉脉冲冲。PIV成像系统采用2台Nd:Yang激光器，用外同步装置分别触发产生光脉冲，然后用光学系统将两路光脉冲合成，脉冲间隔可调范围很大，从1s到0.1s，因而可以实现从低速到高速流动的测量二维流动测量中，一般采用胶片照相机和CCD数码照相机拍摄粒子图像。对于三维测量可以采用两个以上照相机（或CCD）和全息拍摄技术等。常用的激光器有红宝石激光器和钇-钕石榴石（Nd:Yag）激光43State Key Laboratory of Engines,Tianjin University“雪亮工程是以区（县）、乡（镇）、村（社区）三级综治中心为指挥平台、以综治信息化为支撑、以网格化管理为基础、以公共安全视频监控联网应用为重点的“群众性治安防控工程”。镭射装置及镭射导光悬臂镭射装置及镭射导光悬臂44State Key Laboratory of Engines,Tianjin University“雪亮工程是以区（县）、乡（镇）、村（社区）三级综治中心为指挥平台、以综治信息化为支撑、以网格化管理为基础、以公共安全视频监控联网应用为重点的“群众性治安防控工程”。（二）粒子图像测速（二）粒子图像测速（PIV）信号处理）信号处理从粒子图像中提取速度信息要解决的关键问题是粒子对的关系分析和位移方向的判断。自自相相关关分分析析（Autocorrelation）：采用单帧多脉冲拍摄图像。互互相相关关分分析析（cross correlation）：采用多帧单脉冲法拍摄图像。计算量大，但容易实现高精度和高空间分辨率测量，快速充放电CCD和快速传送接口的出现突破了对最大流速的限制，所以目前基于互相关分析的PIV系统已经成为市场上的主流产品。位位移移方方向向的的判判断断：目前常用灰度法和旋转镜法来判断粒子对的位移方向。（二）粒子图像测速（PIV）信号处理从粒子图像中提取速度信息45State Key Laboratory of Engines,Tianjin University“雪亮工程是以区（县）、乡（镇）、村（社区）三级综治中心为指挥平台、以综治信息化为支撑、以网格化管理为基础、以公共安全视频监控联网应用为重点的“群众性治安防控工程”。示踪粒子要求示踪粒子要求若示踪粒子有足足够够高高的的流流动动跟跟随随性性，示踪粒子的运动就能够真实地反映流场的运动状态。因此示踪粒子在PIV测速法中非常重要。在PIV测速技术中，高质量的示踪粒子要求为：（1）比重要尽可能与实验流体相一致；（2）足够小的尺度；（3）形状要尽可能圆且大小分布尽可能均匀；（4）有足够高的光散射效率。通常在水动力学测量中大都采用固体示踪粒子，如聚苯乙烯及尼龙颗粒、铝粉、荧光粒子等，国外已有公司专门为PIV测量研制出了在流体中接近上述要求的高质量固体粒子，但目前这种粒子价钱非常昂贵。示踪粒子要求若示踪粒子有足够高的流动跟随性，示踪粒子的运动就46State Key Laboratory of Engines,Tianjin University“雪亮工程是以区（县）、乡（镇）、村（社区）三级综治中心为指挥平台、以综治信息化为支撑、以网格化管理为基础、以公共安全视频监控联网应用为重点的“群众性治安防控工程”。将拍摄记录的质点位置传送到电脑，计算前后两次曝光中的质点位移量，便可得到完成的流场速度分布。将拍摄记录的质点位置传送到电脑，计算前后两次曝光中的质点位移47State Key Laboratory of Engines,Tianjin University“雪亮工程是以区（县）、乡（镇）、村（社区）三级综治中心为指挥平台、以综治信息化为支撑、以网格化管理为基础、以公共安全视频监控联网应用为重点的“群众性治安防控工程”。粒子图像测速技术粒子图像测速技术48State Key Laboratory of Engines,Tianjin University“雪亮工程是以区（县）、乡（镇）、村（社区）三级综治中心为指挥平台、以综治信息化为支撑、以网格化管理为基础、以公共安全视频监控联网应用为重点的“群众性治安防控工程”。粒子图像测速技术流场可视化粒子图像测速技术流场可视化49State Key Laboratory of Engines,Tianjin University“雪亮工程是以区（县）、乡（镇）、村（社区）三级综治中心为指挥平台、以综治信息化为支撑、以网格化管理为基础、以公共安全视频监控联网应用为重点的“群众性治安防控工程”。第七章流速测量课件50State Key Laboratory of Engines,Tianjin University“雪亮工程是以区（县）、乡（镇）、村（社区）三级综治中心为指挥平台、以综治信息化为支撑、以网格化管理为基础、以公共安全视频监控联网应用为重点的“群众性治安防控工程”。（三）粒子图像测速（三）粒子图像测速（PIV）技术的应用和发展）技术的应用和发展内燃机缸内流动PIV测量系统。由双脉冲激光器、光路调节装置、激光脉冲触发控制系统、粒子浮选及加入装置、单缸试验机、拍摄装置等构成。双脉冲激光器的两次脉冲能量不相等，使PIV图像中一个粒子两次成像曝光的强度不同，以此作为粒子位移方向的判别依据，即将PIV测试技术中难度较大的粒子位移方向判断转变为简单的灰度判别。计算表面，当粒子直径为1m时，使用二氧化钛或氧化铝作为示踪粒子，测量误差分别为0.4%和0.3%。（三）粒子图像测速（PIV）技术的应用和发展内燃机缸内流动P51State Key Laboratory of Engines,Tianjin University“雪亮工程是以区（县）、乡（镇）、村（社区）三级综治中心为指挥平台、以综治信息化为支撑、以网格化管理为基础、以公共安全视频监控联网应用为重点的“群众性治安防控工程”。第七章流速测量课件52State Key Laboratory of Engines,Tianjin University“雪亮工程是以区（县）、乡（镇）、村（社区）三级综治中心为指挥平台、以综治信息化为支撑、以网格化管理为基础、以公共安全视频监控联网应用为重点的“群众性治安防控工程”。利用该系统对一台缸径为113mm的四气门柴油机通过两进气门中心的缸内纵剖面流场进行测量。转速为400r/min，速度矢量如图。利用该系统对一台缸径为113mm的四气门柴油机通过两进气门中53State Key Laboratory of Engines,Tianjin University“雪亮工程是以区（县）、乡（镇）、村（社区）三级综治中心为指挥平台、以综治信息化为支撑、以网格化管理为基础、以公共安全视频监控联网应用为重点的“群众性治安防控工程”。玻璃发动机的玻璃发动机的PIV安装安装 玻璃发动机的PIV安装 54State Key Laboratory of Engines,Tianjin University“雪亮工程是以区（县）、乡（镇）、村（社区）三级综治中心为指挥平台、以综治信息化为支撑、以网格化管理为基础、以公共安全视频监控联网应用为重点的“群众性治安防控工程”。第七章流速测量课件55State Key Laboratory of Engines,Tianjin University“雪亮工程是以区（县）、乡（镇）、村（社区）三级综治中心为指挥平台、以综治信息化为支撑、以网格化管理为基础、以公共安全视频监控联网应用为重点的“群众性治安防控工程”。数值模拟计算数值模拟计算数值模拟计算56State Key Laboratory of Engines,Tianjin University“雪亮工程是以区（县）、乡（镇）、村（社区）三级综治中心为指挥平台、以综治信息化为支撑、以网格化管理为基础、以公共安全视频监控联网应用为重点的“群众性治安防控工程”。4.高速摄像机高速摄像机4.高速摄像机57State Key Laboratory of Engines,Tianjin University“雪亮工程是以区（县）、乡（镇）、村（社区）三级综治中心为指挥平台、以综治信息化为支撑、以网格化管理为基础、以公共安全视频监控联网应用为重点的“群众性治安防控工程”。高速摄像机高速摄像机超 速 抓 拍 系 统 实 际 是 是 一 种 智 能 化 交 通 监 理 系 统IIS（Intelligent Transportation Systems）。受测速雷达触发CCD摄像网络主机进行交互。为监理部门提供执法依据。高速摄像机超速抓拍系统实际是是一种智能化交通监理系统IIS（58State Key Laboratory of Engines,Tianjin University“雪亮工程是以区（县）、乡（镇）、村（社区）三级综治中心为指挥平台、以综治信息化为支撑、以网格化管理为基础、以公共安全视频监控联网应用为重点的“群众性治安防控工程”。高速摄像机高速摄像机高速摄像机59State Key Laboratory of Engines,Tianjin University“雪亮工程是以区（县）、乡（镇）、村（社区）三级综治中心为指挥平台、以综治信息化为支撑、以网格化管理为基础、以公共安全视频监控联网应用为重点的“群众性治安防控工程”。高速摄像机高速摄像机CORDIN 550型高分辨率旋转镜头高速相机能够在以秒为单位的时间里捕捉到数字化的高分辨率质量的影像，旋转镜头高速相机还能达到高速和多帧频的光学质量。在全画幅1000 x1000的分辨率下可记录16-154幅图片，拍摄速度最高可达到4,000,000fps。最高拍摄速度下可达到200ns的电子快门。高速摄像机CORDIN 550型高分辨率旋转镜头高速相机能够60State Key Laboratory of Engines,Tianjin University“雪亮工程是以区（县）、乡（镇）、村（社区）三级综治中心为指挥平台、以综治信息化为支撑、以网格化管理为基础、以公共安全视频监控联网应用为重点的“群众性治安防控工程”。0.1MPa背压 0.9MPa背压高速摄像机高速摄像机0.1MPa背压 0.9MPa背压高速摄像机61State Key Laboratory of Engines,Tianjin University“雪亮工程是以区（县）、乡（镇）、村（社区）三级综治中心为指挥平台、以综治信息化为支撑、以网格化管理为基础、以公共安全视频监控联网应用为重点的“群众性治安防控工程”。高速摄像机高速摄像机高速摄像机62State Key Laboratory of Engines,Tianjin University“雪亮工程是以区（县）、乡（镇）、村（社区）三级综治中心为指挥平台、以综治信息化为支撑、以网格化管理为基础、以公共安全视频监控联网应用为重点的“群众性治安防控工程”。高速摄像机高速摄像机63State Key Laboratory of Engines,Tianjin University“雪亮工程是以区（县）、乡（镇）、村（社区）三级综治中心为指挥平台、以综治信息化为支撑、以网格化管理为基础、以公共安全视频监控联网应用为重点的“群众性治安防控工程”。燃烧弹实验燃烧弹实验Fig.1.Schematic diagram of the experimental apparatus燃烧弹实验Fig.1.Schematic diagram64State Key Laboratory of Engines,Tianjin University6565State Key Laboratory of Engines(SKLE),Tianjin University“雪亮工程是以区（县）、乡（镇）、村（社区）三级综治中心为指挥平台、以综治信息化为支撑、以网格化管理为基础、以公共安全视频监控联网应用为重点的“群众性治安防控工程”。一、高充量密度下连续多段喷射喷雾特性研究一、高充量密度下连续多段喷射喷雾特性研究一、高充量密度下连续多段喷射喷雾特性研究一、高充量密度下连续多段喷射喷雾特性研究p纹影光学方法结合高速摄影同时观察喷雾的气液两相，测量喷喷雾雾贯贯穿穿距距、喷喷雾雾远远端端运运动动速速度度和混合气密度分布混合气密度分布等参数SAE-J2715标准中喷雾贯穿距的定义试验装置框图自行设计开发一、高充量密度下连续多段喷射喷雾特性研究纹影光学方法结合高速State Key Laboratory of Engines,Tianjin University6666State Key Laboratory of Engines(SKLE),Tianjin University“雪亮工程是以区（县）、乡（镇）、村（社区）三级综治中心为指挥平台、以综治信息化为支撑、以网格化管理为基础、以公共安全视频监控联网应用为重点的“群众性治安防控工程”。不同环境背压下，单段和三段喷射贯穿距环境背压为2MPa时，不同喷油规律下的喷油贯穿距和远端速度一、高充量密度下连续多段喷射喷雾特性研究一、高充量密度下连续多段喷射喷雾特性研究一、高充量密度下连续多段喷射喷雾特性研究一、高充量密度下连续多段喷射喷雾特性研究单段喷射的喷雾贯穿距较长较长，以大尺度大尺度卷吸为主，而多段喷射的喷雾贯穿距较短较短，卷吸数量增加，并以小尺度小尺度卷吸为主多段喷射对减少喷雾贯穿距的作用可与高充量密度耦合耦合高充量密度下，喷雾锥角增加，单段喷射的长喷油脉宽使流场受到强烈扰动，油束出现干涉现象干涉现象，油束向中心区域出现一定程度塌陷较浓的雾团较浓的雾团前锋面前锋面由15组喷雾贯穿距加权平均得出不同环境背压下，单段和三段喷射贯穿距环境背压为2MPa时，不State Key Laboratory of Engines,Tianjin University6767State Key Laboratory of Engines(SKLE),Tianjin University“雪亮工程是以区（县）、乡（镇）、村（社区）三级综治中心为指挥平台、以综治信息化为支撑、以网格化管理为基础、以公共安全视频监控联网应用为重点的“群众性治安防控工程”。p利用纹影光学方法纹影光学