风洞风速与风量测试校准系统

风洞风速与风量测试

校准系统

课程：热工计量技术

学院：计量测试工程学院

班级：10力学1班

姓名：林星驰

学号：100205126

指导老师：孙在

2013年6月20日

目录

一、风洞的介绍及概述

二、实验原理概述

（一）风速的测量校准

1、风速测量原理及装置

2、测量方法及步骤

3、风洞中风速的校准

4、误差分析

（二）风量的测量校准

1、风量测量原理与装置

2、测量方法与步骤

3、风洞中风量的校准

三、心得总结

一．风洞的介绍及概述

风洞实验是飞行器研制工作中的一个不可缺少的组成部分。它不仅在航空和航天工程的研究和发展中起着重要作用，随着工业空气动力学的发展，在交通运输、房屋建筑、风能利用等领域更是不可或缺的。这种方法，流动条件容易控制，可重要依据是运动的相对性原理。实验时，常将模型或实物固定在风复地、经济地取得实验数据。为使实验结果准确，实验时的流动必须与实际流动状态相似，即必须满足相似律的要求。但由于风洞尺寸和动力的限制，在一个风洞中同时模拟所有的相似参数是很困难的，通常是按所要研究的课题，选择一些影响最大的参数进行模拟。此外，风洞实验段的流场品质，如气流速度分布均匀度、平均气流方向偏离风洞轴线的大小、沿风洞轴线方向的压力梯度、截面温度分布的均匀度、气流的湍流度和噪声级等必须符合一定的标准，并定期进行检查测定。

流体力学方面的风洞实验指在风洞中安置飞行器或其他物体模型，研究气体流动及其与模型的相互作用，以了解实际飞行器或其他物体的空气动力学特性的一种空气动力实验方法；而在昆虫化学生态学方面则是在一个有流通空气的矩形空间中，观察活体虫子对气味物质的行为反应的实验。简单地讲，就是依据运动的相对性原理，将飞行器的模型或实物固定在地面人工环境中，人为制造气流流过，以此模拟

空中各种复杂的飞行状态，获取试验数据。这是现代飞机、导弹、火箭等研制定型和生产的“绿色通道”。简单的说，风洞就是在地面上人为地创造一个“天空”。

本系统使用的风洞如下：

该风洞属于回流式低速风洞,试验段用透明有机玻璃制作,尺寸为2.4m×2.4m×4m,其最大速度可达60米/秒,结构如图1所示

1.固定段

2.蜂窝器

3.阻尼网

4.收缩段

5.模型

6.风洞天平

7.实验段

8.压力平衡孔

9.扩压段10.电动机11.风扇12.反扭导流片13.整流体14.回流段15.拐角16.导流片

图1 风洞效果图

二、实验原理概述

(一)风速的测试校准

1、风速测量原理及装置

本系统使用的是激光多普勒测速仪

激光多普勒测速的特点

a、无接触测量，测量过程对流场无干扰；

b、空间分辩率高,适用于边界层、薄层流体及狭通道流体的测量；

c、动态响应快，可进行瞬时测量，是研究紊流,测量瞬时速度的新方法；

d、测量精度高，该仪器的基本原理是一个精确的物理表达式，基本上与流体的其它特性无关；

e、利用测须差来测速度，由于须差和速度从低速到高速是一个线性关系式，故不需校正，并且频移的可测速度范围很大；

f、好的方向灵敏性，可以比较方便地测量任意方向上的速度分量。

激光多普勒测速的局限性

局限性

a、被测流体要有一定的透光度，管道要有透明窗口。试验段一般采用透明的有机玻璃，但若测量精度要求很高,通常采用光学玻璃；

b、测纯净的水或空气时，须人工掺入适当的粒子作散射中心，并对

粒子尺寸有一定要求；

c 、流速很高时，要求提高激光输出功率，另外由于信号频率高而使信号处理困难；

d 、价格较贵，且有一定的防震要求。

1.仪器原理：

激光多普勒测速仪（LDA ）：由布拉格单元输出的两束强度相同的光，其中一束被加了一个频移。这两束光通过聚焦进入光纤，然后被传输到探头。这些光经过一个聚焦透镜在探测体内相交于一点。

在探测体内，由于光的干涉现象，光的强度被调整而产生一组干涉条纹,条纹的方向与两束入射光的的角平分线平行。由两列相干涉平面波相互干涉的结果可知，干涉条纹的距离是由激光的波长和两光束的角度决定的：

2

sin 2θλ

=d

式中λ——入射光的波长；

θ——入射光束的夹角。

当示踪粒子在垂直于干涉条纹方向上随流体以速度V 穿过条纹时，若粒子位于条纹的亮区，则对光的阻挡及散射最大，相反对光的阻挡及散射最小。因此，散射光中包含了一个多普勒频移，在条纹之后接收到的光信号是一个调制量，它与和这两个光束等分线垂直的速度分量成比例。

光电探测器把光强度的波动转化成电信号，即多普勒脉冲。多普勒脉冲在信号处理器中被过滤和放大，然后经过频率分析（诸如快速傅立叶变换）确定多普勒频率，进而获得粒子的速度信息。

图1 LDV原理图

激光的多普勒效应：

当光源和运动物体发生相对运动时, 从运动物体散射回来的光会产生多普勒频移, 这个频移量的大小与运动物体的速度、入射光和速度方向的夹角都有关系。

图2 激光多普勒效应示意图

图3 激光多普勒测速技术基本原理及结构框图

2.测试系统

一台完整的LDV通常由以下几部分组成：光路系统，讯号处理系统，记录、显示部分。

激光器、光束扩展器和准直透镜和分束安装在远离风洞处。偏振旋转器和聚焦透镜被安放能够通过风洞试验段作轴向和横向测量的X一Y测量架上，从分束器出来的光束由介质膜平面反射镜第一表面射到测量架处。输出或接收光学系统安装在风洞对面一侧。针孔光阑和准直透镜被安装在精密微调架上。全部光学系统均安装在X一Y 测量架上,它与输入光学测量架的位移相配合。

2、测量方法及步骤

实验步骤：

一、仪器开机

（1）打开氩离子激光器的冷却水阀门；

（2）开启冷却水循环水泵电源；

（3）开启激光器控制面板上“钥匙”开关，等激光器出口处有激光射出，预热10分钟后，再调整激光的功率（这点很重要）。一般，通过调整功率来对激光的强度进行调整，一般0.5w-0.6w左右即可；

（4）接通PDPA系统处理器的电源，打开开关；

（5）打开三维坐标架（Lightweight）电源；

（6）开启系统计算机。

二、BSA Flow Software软件操作

（1）打开BSA Flow，如图3所示。

图3 启动BSA Flow软件

（2）新建一个文件，选择“BSA F/P Application”，命名，点击“Ok”，进入操作界面。

（3）连接处理器，如图4所示，将点中Device List下面树状菜

单的Processor，右键，左键选中Connect to Processor。如果连线错误

请检查处理器与电脑主机之间的交叉线是否连接正确。

（4）连接三维坐标架，与步骤（3）类似，右键Traverse System，

左键点中Connect to Traverse。

（5）调出系统监视器，在操作界面任意位置右键，选择System

Monitor。

图5 系统监视器

（6）调整坐标架上激光发射镜头（内含探测器）的姿态，让激光的入射角度方便于后续光电探测器捕捉调制信号，调整完毕，将激光发射镜头固定在坐标架上。

（7）右键选择Traverse System，在右键菜单中选择Traverse Controller，调出三维坐标架的控制器，将坐标架调整到待测点，如果是多点测量，则一般先将激光焦点调整到测点网格的原点。

（8）调出Processor的右键菜单，点击配置管理器Configuration Manager，跳出如图6所示的对话框，可以选择进行测试项目的类型，如1D LDA指测一维速度，1D PDA即测一维速度的同时，还测量示踪粒子的直径，选择完毕，点击完成，系统会自动重新进行初始化配

置。

图6 配置管理器图7 激光焦点在光电信号探测器内位置的调整（9）通过调整光电信

号探测器的机械定位机构，

使其与激光发射镜头的相

对位置能满足信号探测的

要求，在这个调整的过程中

主要通过观察光电信号探

测器的小视窗观察激光的

焦点是否处在探测器内圆

环标记的中心。

（10）完成步骤9之后，观察系统监视器内各通道是否出现稳定的突发信号（Burst signal），并与多普勒频移信号的特征一致，如果突发信号未出现，则需要对光电信号的探测器的位置和姿态进行微调，反复调试直到系统监视器上的突发信号稳定且满足多普勒信号的一般特征，同时Group下的Data rate、Validation等都达到较高的水平，如图8所示。

图9 运行数据采集

（11）信号采集。点击工具栏上的运行“run”按钮进行数采集。

（12）右键Project Explorer树状菜单下的Start，选择New，添加一个表格List，此时测量的数据就会直接加载到表格内，其它的数据，如粒径分布，也可以从这个界面中进行添加。之后的数据采集则可以通过工具栏的数据加载“Load”按钮进行加载。

图8 突发信号

三、导出数据。点击菜单栏上的File/Export…选择保存路径和文件名，点击保存即可。

3、风洞中风速的校准

实验时需注意有两个地方需要对准：

二个位移方向的机械对准和光学系统的对准。

机械对准包括位移平台相对于试验段窗口的定位以使测量位移能包容试验段的窗口,然后校水平并对准它们,使得在水平移动时移动着的测点与试验段窗口保持等距离。并使横向穿越时,移动着的测点与窗口垂直。输入光学平面反射镜对准得使三束输入光束的交点(测量体积) 在位移过程中保持在水平面内。依靠输入侧量架和输入聚焦透镜定位测量体积实验位于试验段的垂直中心线上(Y=0)。

4、误差分析

为了进一步提高激光多普勒测速仪测速精度, 在实际测量过程中必须考虑各方面的影响, 使之达到最佳效果。为此, 实验时需要选用线宽较窄的激光器；选用孔径较小的探测器；在满足外差干涉条件的情况下, 适当增大两光束光轴之间的夹角；在保证信号强度的前提下, 适当增大待测点到半透半反镜上有效光斑中心的距离，以减小系统的测量误差。在选择信号光中心光线的方向与粒子的运动方向的夹角H 时, 既要考虑原理公式近似和探测器孔径的尺寸引起的误差, 也要考虑有限渡越时间引起的误差。

探测器孔径的尺寸引起的误差较为明显, 因此可适当选择较小的夹角；另一方面较小夹角会使信号的强度下降, 所以这一参数需要在实验过程中反复调试, 以选取最佳值。在选择光束光斑半径时, 同样也需要同时考虑高斯光束干涉和有限渡越时间引起的误差和激光的质量。

(二)风量的测试校准

1、风量测量原理及装置

本系统使用的是威力巴流量计

威力巴流量计性能特点：

测量精度：± 1% 重复精度：± 0.1%

适用压力：0～40MPa 适用温度：－180℃～+ 550℃

测量上限：取决于探头强度测量下限：取决于测量最小差压要求

量程比：大于10∶1

适用管径：38mm～9,000mm 圆管、方管

适用介质：满管、单向流动的、单向的气体、蒸汽和粘度不大于1 0 厘泊的液体威力巴的使用范围及其广泛，它大量用于各种气体、液体和蒸汽的测量，以下为典型应用介质。

气体/液体/蒸汽

天然气/冷却水/饱和蒸汽

压缩空气/锅炉水/过热蒸汽

燃气/除盐水

气体碳氢化合物/液体碳氢化合物

热空气/低温液体

发生炉气体/导热液体

当流体流过探头时，在其前部产生一个高压分布区，高压分布区的压力略高于管道的静压。根据伯努利方程原理，流体流过探头时速度加快，在探头后部产生一个低压分布区，低压分布区的压力略低于管道的静压。流体从探头流过后在探头后部产生部分真空，并在探头的两侧出现旋涡。均速流量探头的截面形状、表面粗糙状况和低压取压孔的位置是决定探头性能的关键因素。低压信号的稳定和准确对均速探头的精度和性能起决定性作用。威力巴均速流量探头能精确地检测到由流体的平均速度所产生的平均差压。威力巴均速流量探头在高、低压区有按一定准则排布的多对取压孔，使准确测平均流速成为可能.

威力巴流量计是一种插入式流量测量仪表。在管道中插入一根威力巴传感器, 当流体流过传感器时, 在其前部迎流方向产生一个高压分布区, 在其后部产生一个低压分布区。传感器在高、低压区有按一定规则排列的多对一般为三对取压孔, 分别测量流体的全压力包括静压力和平均速度压力Pl和静压力P2。将P1 和P2 分别引入差压变送器, 测量出差压△P=P1-P2, △P反映流体平均速度的大小, 以此可推算出流体的流量。

2、测量方法与步骤

1安装步骤：

①传感器安装正确：

完成传感器在管道上安装后，投运前必须认真检查，要求焊接牢固，方向正确，严格不泄漏，插入深度恰当等。

②仪表调校：

传感器配套仪表有差压变送器和智能流量积算仪( 还可能有压力变送器和温度变送器)等。都必须经检验和调校后，方可投入使用。仪表的测量范围要符合传感器和被测介质的要求。例如被测空气最大流量Qmax=5000m3/h, 经计算算出传感器产生的差压最大值

△Pmax=0.6Kpa，则差压变送器的测量范围应调校为0~0.6KPa, 对应输出4~20mADC电流信号。对于通用型流量积算仪, 应该按实时的流量范围、差压范围、介质密度、温度、压力、流量运算要求等，事先编程组态输入积算仪，务必使积算仪能正确运算和显示流量。

③仪表接线正确：

传感器与差压变送器、流量积算仪等组成测量系统，配套仪表的电源线，仪表之间的信号输出与输入线，控制与报警联线等，在各个仪表的接线板( 又称端子板) 上都有明确的标记，必须正确认别和选择使用，投运前对仪表接线要反复检查无误。为了做好投运前的准备工作，除了认真阅读《威力巴流量计使用说明书》外, 还应该阅读《差压变送器使用说明书》、《智能流量积算仪使用说明书》等资料，遵从说明书的指导进行工作。

威力巴流量计属于差压式均速管流量计的范畴，它们都是通过流体通过流量仪表前后的差压来测量流体的流量的，因此在选择订购流量计时要知道一下几个参数：

1、管道的口径

2、流体的性质

3、工艺管道中流体的压力

4、工艺管道中流体的温度

5、流体的流量

6、工艺现场的状况

3、风洞中风量的校准

速度一面积法

原理—速度面积法是一种测量管道内流量的经典方法，由于较为繁琐，只适用于现场校验，而不宜用于流程工业检测。由于管道内流速分布不等，可将管道分割许多单元面积Ａ i ，并认为单元面积上的流速Vi 近似相等，这样流量i

i n i V A Q ∑==1 不难理解面积分割越多则越准

确，但也越繁琐而不现实。准确度— 采用速度面积法的准确度取决于以下四个因素

[]2/12222Z I v a Q δδδδδ+++=

上式中：δQ ：流量测量误差；

δa ：管道截面误差；

δv ：流速测量误差，取决于管内流速分布，取点的多少； δI ：流速计的误差；

δz ：测量管道截面积仪器的误差

三、心得总结

在这次大作业《风洞风速与风量测试校准系统》设计过程中，体现出自己综合运用知识的能力，体会了学以致用、突出自己劳动成果的喜悦心情，从中发现自己平时学习的不足和薄弱环节，从而加以弥补。在此感谢我们的孙在老师.，老师严谨细致、一丝不苟的作风一直是我工作、学习中的榜样；老师循循善诱的教导和不拘一格的思路给予我无尽的启迪；这次模具设计的每个实验细节和每个数据，都离不开老师您的细心指导。而您开朗的个性和宽容的态度，帮助我能够很顺利的完成了这次大作业《风洞风速与风量测试校准系统》。

同时感谢对我帮助过的同学们，谢谢你们对我的帮助和支持，让我感受到同学的友谊。

由于本人的能力有限，在设计过程中难免出现错误，恳请老师们多多指教,我十分乐意接受你们的批评与指正，本人将万分感谢。