试验用流速测试技术的新发展

　　0　引言

　　流速测试技术在飞行器的模拟飞行试验、机翼设计、飞行仓通风设计,汽车工业中的车体空气动力学车厢的空气流通、发动机中燃料的燃烧以及计算流体力学(CFD)模型的确认中都有应用。近年来, CFD的飞速发展,能对很多流动状况进行数值模拟,而CFD的研究大多采用商用软件和自编程序进行模拟实验,存在模型精度及边界条件较难控制、计算结果的准确性难预测等问题。通过实验验证的CFD研究较少,要想通过实验验证这些模拟计算结果,需要了解流速测量技术的原理及特点^[1-3]。

　　现代的流动测量仪器有着共同特点:利用光纤技术、芯片技术、激光技术、数字信号处理技术、图形图象处理技术以及计算机技术等手段,沿着集成化、智能化、数字化、精确化、光电一体化等思路迅速发展。常用的实验仪器有:热线热膜风速仪(HotW ireAnemometer,简称HWA),激光多普勒测速仪(LaserDoppler Velocimeter,简称LDV),粒子动态分析仪(Phase DopplerAnemometry,简称PDA)和粒子成像速度场仪(Particle Image Velocimeter,简称PIV)[1]。本文通过介绍现代流速测试技术的原理及应用特点和精密测量仪器的使用方法,试图为选取合适的测量工具提供一些指导。

　　1 流动测量仪器的原理及应用特点

　　1·1　热线(热膜)风速仪(HWA)

　　1·1·1　热线(热膜)风速仪工作原理

　　热线(热膜)风速计(HWA)发明于20世纪初,曾经推动了流体力学的发展和湍流研究的进步。其工作原理是将一根长度远大于直径的细金属丝探针,或敷于玻璃材料支架上的一层金属薄膜元件作为敏感元件放在流体中,通过电流加热金属丝或者金属薄膜,当风速变化时,金属丝的温度就随之改变,从而改变其电阻产生电信号的变化,这种变化和风速之间具有单调的一一对应关系,因此通过预先的校准过程,测量该电信号的变化就可以得到实际流场的速度大小。工作原理如图1所示。

　　1·1·2　热线(热膜)风速仪的测速特点

　　热线(热膜)风速仪主要用来测量流场平均流速和方向。其优点是:体积小,对流场干扰小;在气体的亚声速、跨声速和超声速流动中均可使用;适用范围广,不仅可用于气体也可用于液体,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;频率响应高,可高达1 MHz,可以响应的速度脉动涵盖所有湍流频段;灵敏度高,可以测量非常小的速度脉动,测量精度高,重复性好;使用计算机实现数据采集处理,可实现实时动态测量;价格相对低廉;可实际测量大型流场以及不宜透明的流场,故实用性较强。

　　其缺点为接触式测量,探针会对被测流场流动产生一定扰动;测量时必须保证流体流动方向在探针前一定的角度内;如果流动方向与探针测量方向相反,无法测量,即无法测量逆向流动;热线容易断裂;测量前要对热线(热膜)风速仪进行校准,从而也导致测量精度直接受校准系统的影响;测量为点测量,对动态结构变化信息无能为力。