基于光学互相关法的开放流场流速测量

　　0　引言

　　流速是开放式流场最基本的物理量之一,对流体速度场的获取是认识流体流动特性的关键,如何准确快速地获取流体流速一直是现代水工量测技术领域研究的热点。对于开放式流场,现普遍采用的流速测量方法主要有机械式旋浆、毕托管、激光多普勒流速仪和粒子图像测速仪等[1]。基于机械旋桨、毕托管技术的流速测量装置价格较为低廉,适合于一般工程应用,但存在对小流速不敏感、响应速度慢、动态性能差、测量误差较大等缺点。激光多普勒测速仪与粒子图像测速仪又因为价格过于昂贵,不适于大范围推广应用,且两种测速装置都只能测量流体中颗粒的速度,而迄今为止流体中颗粒的“跟随”问题仍然是一个令业界较为头痛的难题。互相关流速测量方法是一种响应速度快、动态性能高、测量精度高的流速测量方法,但迄今为止仅被用于封闭流场(如管道等)两相流的流速测量。针对开放式流场(如明渠等)现有流速测量方法的技术现状,利用光学测量的优点,研究如何将光学互相关技术应用于开放式流场流速测量,不仅具有较高的理论价值,而且具有相当大的实际应用意义。

　　1　流体流动物理模型

　　流体中存在随机流动噪声是互相关流速测量技术得以应用的前提。对于开放式流体而言,流体在流动过程中,内部会存在一些类似“微团”的流动噪声,在运动过程中,这些流动噪声相互作用并实现能量的交换,虽然流体内部流动噪声状况随时间呈现出无规律的变化,但在流动方向上,其存在一定的统计继承性。基于统计规律的流体流动数学模型示意图如图1所示。为了简化讨论,在流动水体中截取一圆柱水体进行考虑,其中任一断面的流动噪声用扁圆形像表示。假设水流速度为v,断面a与断面b距离为l.

　　由于在测量过程中,断面间距离l一定,从而通过求得流动噪声时延Δτ,就可以计算得到流动噪声速度v.而在实际情况下,流动噪声速度与流体流动速度相等,所以如何精确求得流动噪声时延Δτ是实现流体流速精确测量的关键。

　　2　流动噪声感知机理

　　基于互相关原理的开放流场流速测量方法属于接触式测量,需将传感器传感头部分放置于流场中待测位置进行测量,所以据已建立的流体流动物理模型可知,传感头首先必须保证不对原流场造成破坏,使水工“凝固”理论得以成立,其次需能精确感知流动噪声在距离l内的渡越时间Δτ.为了达到以上目标,首先必须对传感头结构进行优化设计。

　　2. 1　传感头结构设计

　　由于光束在水中传播时具有良好的束射、调制及耦合特性,故利用光束在水中传播时流动噪声对光信号强度的调制机理,通过对光信号强度的实时获取来间接感知流体中流动噪声的变化情况。基于光学调制机理的流动噪声感知原理图如图2所示.