现代流动测试技术

流动测试技术简介摘要：水利工程是国民经济的基础设施，水泵是水利工程中最重要的组成部分。

提高水泵效率，有利于节约能源，提高经济效益。

因此，知晓泵内流体的流动特性，流速分布尤为重要。

水泵几何结构及内部流动的复杂性，对内部流动的测量技术提出了苛刻的要求。

本文就水泵内部流场测试常用的三种现代测试方法进行总结介绍。

关键词：流动测试技术；五孔探针；LDV ；PIV1、三种测量技术介绍1.1 五孔探针技术探针测定恒定流场，其稳定性好、重复性好，对现场条件要求不高，适应性好，设备费用低，简便易行，测量精度高。

虽然近年来出现了许多现代流场测定方法，但探针在流场压力测定和条件复杂的现场流场测定方面，以及其简便易行的特点仍具有不可替代的地位。

1.1.1 五孔探针测流场原理毕托管的构造如图1所示，由图可以看出这种毕托管是由两根空心细管组成。

细管1为总压管，细管2为测压管。

量测流速时使总压管下端出口方向正对水流流速方向，测压管下端出口方向与流速垂直。

在两细管上端用橡皮管分别与压差计的两根玻璃管相连接。

图1 毕托管示意图如图，毕托管有两根细管。

一管孔口正对液流方向，90°转弯后液流的动能转化为势能，液体在管内上升的高度是该处的总水头gv g P Z 22++ρ；而另一根管开口方向与液流方向垂直，只感应到液体的压力，液体在管内上升的高度是该处的测压管水头（就是相应于势能的那部分水头）gP Z ρ+，两管液面的高差就是该处的流速水头g v 22，量出两管液面的高差H ∆，则H gv ∆=22，即H g v ∆=2,从而间接地测出该处的流速V 。

五孔探针应用该原理，利用头部感应部位上的五个感应孔，测量系统如图2所示，不仅可测出流场的流速分布，还可测出测点的静压、全压分布，根据轴向速度对面积的积分，即可间接测出测量断面的流量[1-3]。

图2 五孔探针测量系统1.1.2 提高测量精度的措施及误差分析1.1.2.1 测量系统选择探针系统的组成对针孔压差测量反应时间和测量误差有很大影响。

合理选择连接管管径、材料弹性有利于节省测量时间，提高测量精度。

用差压变送器测量针孔压差，反应速度较水柱测压计快50~80倍，针孔压差测量精度为%5.0=p δ时的反应时间为2~6s ，但需保证差压变送器的零点漂移满足要求。

1.1.2.2 探针杆挠曲影响与修正由于水体对针杆的绕流阻力大，当针杆插入流场的长度较长时，针杆会产生较大挠度，针头挠度最大，产生转角，从而造成测点位置误差和流速分量测量误差。

计算表明，标准探针测定轴向流速为6.0m/s 左右的流场，插入长度为355mm 时，轴向流速误差为1.0%。

因此，对该误差需要进行修正。

1.1.2.3 探针杆共振影响针杆绕流会产生周期性的卡门涡，当探针固有频率等于或接近卡门涡脱落频率时，探针就会发生发生共振，影响测量结果，甚至造成针杆的塑性弯曲，损坏探针。

因此，施测前对平均流速进行近似预估，选择合理的探针刚度，预测探针共振长度，布置测点时应该避开共振区域。

1.1.2.4 泵吸水室涡带影响测量断面位于水泵叶轮前，压力较低。

有些进水流道设计不良的泵站，如采用X 形流道的抽水站，叶片进口处会发生阵发性涡带。

涡带发生时，泵吸水室会发出低频振动，涡带区压力急剧下降，此时应暂停测量，待涡带过后再进行测量[3-6]。

1.2 LDV 技术激光多普勒测速仪技术（LDV ）有50多年的历史，是实验流体力学技术发展的一个飞跃。

1.2.1 LDV 技术原理在流场中加入微粒充当随流体运动的示踪粒子，当激光束聚焦到示踪粒子上时，会发生散射现象，用检测器接受散射光。

散射光和入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，如公式1所示，测得频移就可以得到速度。

现在的（LDV ）系统均建立在上述原理之上[7,8]。

⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎭⎫ ⎝⎛+-=∆2sin 2cos 20ψψϕλvn f （1） 式中：υ为粒子运动速度；n 为介质的折射率；切为入射激光法线与粒子速度的夹角；ψ为接收器与入射激光的夹角。

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。

现在正在向微小化、低成本、多功能及便携型方向发展[8,9]。

1.2.2 LDV 测量特点1）激光多普勒测量仪应用多普勒频差效应的原理，结构紧凑、重量轻、容易安装操作、容易对光调校；2）激光多普勒测量仪可以在恒温，恒湿，防震的计量室内检定量块，量杆，刻尺和坐标测量机等；3）激光多普勒测量仪既可以对几十米甚至上百米的大量程进行精密测量，也可以对手表零件等的微小运动进行精密测量；既可以对几何量如长度、角度、直线度、平行度、平面度、垂直度等进行测量，也可以用于特殊场合，诸如半导体光刻技术的微定位和计算机存储器上记录槽间距的测量等等[10]。

LDV 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、单点测量、需示踪粒子、系统价格昂贵等。

1.3 PIV 技术粒子图像速度场仪技术（PIV ）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[7]。

1.3.1 PIV 技术原理基本原理是：用一个脉冲式激光片光源照射流场，用摄像机同步拍照，适当设置脉冲时间间隔，得到一系列互相关联的流场示踪粒子图像，然后进行图像互相关分析，就可以得到该时刻成像位置的速度矢量场。

PIV 技术的出现是现代流体力学实验技术的又一个重大发展是流动测试技术不断发展的产物，是激光、数字成像、计算机、光学等技术发展的结晶。

PIV 技术需要的相机具有很高的要求，特别是在流体的速度很快，区域很小，具有反光粒子的情况下。

测量时，需要相机在很短的时间内拍摄两张照片，可以让同一个粒子同时出现在两张照片上，利用能够以几kHz 的速度连续记录图像的高速摄影机或逐行扫描构架的相机可以达到要求。

由于高速摄像机采集图像的时间间隔最短大约为10μs ，这是让第一束脉冲激光在第一次曝光的末尾时到达，并让第二束激光在第二次曝光的初始时到达。

如果使用具有先进扫描结构的相机能在1μs 的时间间隔内拍两张照片。

图4显示的就是具有这样布局的一个传感器，第一张图片被记录以后，每个像素被直接转移到位于隔行扫描位移寄存器中，然后就可以获取新的图片，直到第一幅图片被移出去以后才会接收到第二幅图片，之后以同样的方式寄出。

因为第二张的曝光时间比较长所以可以在摄像机镜头前安装智能透过激光的滤光器来防止环境曝光过度[8]。

1.3.2 PIV测量特点1）无接触测量速度矢量，同时测量一个面上的速度场；2）测量精度高；3）测速范围宽：0－超音速；4）原理简单，受外界影响小；5）应用面广，可以用于微尺度流动测量（微米量级），也可用于风、水洞测量，多相流测量[11]；2、三种测量技术比较三种测量技术，在实际流场测量中，都有着较高的实用价值，各自具有自己不可替代的优点，当然也存在一定的缺点，下表1对三种测量技术进行了详细的比较。

3、结论本文所介绍的流动测试技术并不能代表流动测试技术的全部，例如HWA技术。

现代流动测试技术相对已较为成熟，但是，流体机械内部流动机理及流动细节的研究是目前该领域的前沿性热点研究领域，发达国家一直没有间断这方面的试验研究工作；同时，这又是一项非常艰巨的工作，需要多方进行合作[8]。

本文主要将几种测量技术进行介绍，并作了对比。

参考文献[1]王涛, 李飞行. 五孔探针结构和校准[J]. 现代机械. 2012, 4: 19-22.[2]Wendt and Reichert. A New Algorithm for Five-hole Probe Calibration, Data Reduction, and Uncertainty Analysis. NASA, Lewis Research Center, 1994, E-8319.[3]仇宝云. 大中型水泵装置理论与关键技术[M]. 北京: 中国水利水电出版社, 2005: 89-101.[4]仇宝云, 刘超, 等. 五孔测球在水泵流场测试技术中的应用[J]. 排灌机械. 1992, 10(1): 23-27.[5]钱涵欣, 李启文, 等. 五孔测球测流速场的数据采集与处理[J]. 水利水电技术. 1999, 30(5): 72-74.[6]仇宝云, 刘超. 探针杆挠曲对水流场测量的影响研究[J]. 水利学报. 1999(11): 7-11.[7]宫武旗, 黄淑娟, 徐忠. 现代流动测试技术在流体机械流动分析中的应用[J]. 通用机械. 2003, 7: 53-56.[8]宫武旗. 几种特种测试技术在流体机械内流场测试中的应用[J]. 燃气涡轮试验与研究. 2004, 17(3): 51-55.[9]Rao Jiang, Ge Manchu, Xu jiangzhong. Experiment Study of the Interaction of the Particle and the Wall of Rectangular Channel[R]. The Fourth International Conference on Pumps and Fans(4th ICPF), 2002.[10]激光多普勒测速仪[DB/OL]. . 2011-03-18/2016-02-21.[11]PIV流速仪简介[DB/OL]. . 2011-08-26/2016-02-21.。