徐　斌

[摘要]湍流是一種高度復(fù)雜的三維非穩(wěn)態(tài)、帶旋轉(zhuǎn)的不規(guī)則流動，其復(fù)雜性使得其研究工作進展緩慢。隨著現(xiàn)代電子計算機技術(shù)和實驗測量方法的進展，湍流的實驗研究方法取得了重大進展。文章簡要介紹在熱能工程領(lǐng)域使用熱線熱膜風(fēng)速儀、激光多普勒風(fēng)速儀、相位多普勒風(fēng)速儀和粒子圖像測速儀等測量技術(shù)對湍流進行測量和研究的應(yīng)用。

[關(guān)鍵詞]湍流；實驗研究；熱能工程

[作者簡介]徐斌，廣東省電力設(shè)計研究院，廣東廣州，510663

[中圖分類號]TP27

[文獻標識碼]A

[文章編號]1007-7723(2009)09-0013-0003

一、前言

湍流是一種高度復(fù)雜的三維非穩(wěn)態(tài)、帶旋轉(zhuǎn)的不規(guī)則流動，其各種物理參數(shù)都隨時間與空間隨機變化。從物理結(jié)構(gòu)上說，可把湍流看成是由各種不同尺度的渦旋疊合而成的流動，這些旋渦的大小及旋轉(zhuǎn)軸的方向分布是隨機的。流體內(nèi)部共尺度渦旋的隨機運動構(gòu)成了湍流的一個重要特點：物理量的脈動。

對湍流的研究已超過一百年了，人們發(fā)展出了如統(tǒng)計理論、邊界層計算理論等多種湍流基礎(chǔ)理論。但因為湍流物理量的脈動特性，過去通過實驗只能測得其時均值，無法測得其脈動值，所以人們至今未能掌握湍流的基本機理。

隨著現(xiàn)代電子計算機技術(shù)和實驗測量方法的進展，湍流的實驗研究得到了重大進展。特別是熱線熱膜風(fēng)速儀、激光多普勒風(fēng)速儀、相位多普勒風(fēng)速儀和粒子圖像測速儀等測量技術(shù)的應(yīng)用，使得測量湍流流動中各物理量的脈動值成為可能。這些先進的湍流實驗研究方法，不僅被用于湍流基礎(chǔ)理論研究，也被大量應(yīng)用在工程領(lǐng)域的湍流流動測量，能更好地解決工程實際問題。

本文簡要介紹熱線熱膜風(fēng)速儀、激光多普勒風(fēng)速儀、相位多普勒風(fēng)速儀和粒子圖像測速儀四種湍流實驗儀器的原理及其在熱能工程領(lǐng)域?qū)τ谕牧鳒y量和研究的應(yīng)用。

二、熱線熱膜風(fēng)速儀(HWFA)

熱線或熱膜風(fēng)速儀的敏感元件是一根細金屬絲探針或敷于玻璃材料支架上的一層金屬薄膜元件。其工作原理是將此探針或熱膜元件置于流體介質(zhì)內(nèi)，用電加熱，使其溫度高于流體介質(zhì)溫度而產(chǎn)生熱交換，利用此熱交換率的大小，就可以求出被測對象的速度、溫度甚至濃度的平均值和脈動值。

經(jīng)過多年發(fā)展，采用數(shù)字化分析方法的現(xiàn)代恒溫式熱線熱膜風(fēng)速儀測量得到了廣泛應(yīng)用，可以準確測量湍流空間某點的平均速度、湍流度、脈動速度的均方根、雷諾應(yīng)力、偏斜因子、平坦因子間歇因子、兩點間的速度相關(guān)和時間相關(guān)、流體的溫度等。其工作原理是在電路上保持熱線的電阻恒定，即熱線的溫度保持恒定。這時通過測量熱線的電流(即其兩端的電壓)隨流場的速度的變化值，用電子計算機按一定要求的采樣速度，把流場內(nèi)連續(xù)的隨機信號用A/D轉(zhuǎn)換器變成離散的數(shù)字信號，然后用某些算法來加工處理，便可測量出流場的速度值。其優(yōu)點是：(1)適用范圍廣，可用于氣體或液體；(2)可測量平均速度、脈動值和湍流量；(3)可同時測量多個方向的速度分量；(4)頻率響應(yīng)高；(5)測量精度高。但其缺點為：(1)為接觸式測量，探針會對被測流場流動產(chǎn)生一定擾動；(2)測量時必須保證流體流動方向在探針前一定的角度內(nèi)；(3)如果流動方向與探針測量方向相反，無法測量；(4)測量前要對熱線熱膜風(fēng)速儀進行校準。

哈爾濱工業(yè)大學(xué)的秦裕琨、張澤等采用熱線風(fēng)速儀，在四角切圓燃燒的流場中，改變水平濃淡風(fēng)煤粉燃燒器的側(cè)二次風(fēng)與一次風(fēng)動量比，對射流的剛性及湍流特性調(diào)節(jié)進行了詳細的試驗研究，并分析了其穩(wěn)燃及防水冷壁高溫腐蝕機理，得到了最佳的側(cè)二次風(fēng)與一次風(fēng)的動量比范圍。

哈爾濱工業(yè)大學(xué)的秦裕琨、孫銳等采用一維熱膜風(fēng)速儀對徑向濃淡旋流煤粉燃燒器單相冷態(tài)湍流流場進行了試驗研究，測量了脈動速度均方根、湍流度、平坦因子和偏斜因子在流場內(nèi)的分布，得到了新型旋流燃燒器氣流湍流特性參數(shù)的分布規(guī)律，用于研究徑向濃淡旋流煤粉燃燒器的燃燒特性。

東南大學(xué)的李彥鵬、刁勇強等采用三維熱膜風(fēng)速儀對一大型四角切圓燃燒鍋爐的旋流數(shù)進行了模型試驗研究。測得了爐內(nèi)不同位置處瞬時速度、脈動速度和湍動度分布，得到了表征爐內(nèi)氣流旋轉(zhuǎn)強度的旋流數(shù)沿爐膛高度的分布規(guī)律，以此采取了減少殘余旋轉(zhuǎn)的措施。

三、激光多普勒風(fēng)速儀(LDV)

激光多普勒風(fēng)速儀(Laser Doppler Velocimeter，LDV)的原理是利用激光多普勒效應(yīng)來衡量流體速度的變化。其在被測流體中加入示蹤粒子，由于流體中懸浮著小粒子的運動，使散射光頻率產(chǎn)生偏移，測出頻率的偏移量就可以算出流體的移動速度。大量的實踐證明，使用激光多普勒風(fēng)速儀測量的湍流物理量是可以信賴的，尤其在工程應(yīng)用領(lǐng)域。

現(xiàn)代激光多普勒測速儀主要由光路系統(tǒng)和信號處理系統(tǒng)組成。光路系統(tǒng)的工作過程為：激光光源產(chǎn)生激光束，激光束經(jīng)過分光器被分成多束互相平行的入射光，再通過發(fā)射透鏡聚焦到測量點，接收透鏡收集運動微粒通過測量體時的散射光，再由光檢測器轉(zhuǎn)換成多普勒頻移頻率的光電流信號。信號處理系統(tǒng)主要由多普勒信號處理器和數(shù)據(jù)處理器組成。多普勒信號處理器主要對多普勒信號進行處理，如頻率跟蹤器、計數(shù)式處理器等，將頻率量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。數(shù)據(jù)處理器是通過各種數(shù)字量計算出各種物理量。

激光多普勒測速儀適合用于流速多變且不適合接觸式測量的封閉空間流場中的測量；同時又因為頻率測量與流動速度成線性關(guān)系，有時候不需要校準，這些是熱線測量所不具備的。但因為激光多普勒測速儀價格昂貴，調(diào)整技術(shù)也比熱線復(fù)雜得多，因此其使用迄今沒有熱線熱膜風(fēng)速儀廣泛。

中國石油大學(xué)的王建軍、金有海利用二維激光多普勒測速儀測量了旋風(fēng)管內(nèi)湍流流動的時均速度、脈動速度、能譜函數(shù)、微分尺度及湍流耗散等參數(shù)，對湍流特性參數(shù)分布進行了詳細的描述，并初步分析了旋風(fēng)管內(nèi)湍流運動特性對顆粒分離的影響。

四、相位多普勒風(fēng)速儀(PDA)

相位多普勒風(fēng)速儀(Phase Doppler Anemome－try,PDA)是20世紀80年代以后由激光多普勒風(fēng)速儀發(fā)展得來的一項可以同時測量流場中粒子的速度和粒徑信息的新技術(shù)。一定條件下，球形粒子的直徑同相位差成正比。因此，在原有的激光多普勒測速系統(tǒng)上再加一個或兩個光檢測器和一套相位檢測系統(tǒng)，就可以從粒子多普勒散射光中的相位信息中得到流場中單個粒子的速度和粒徑信息，這就是相位多普勒風(fēng)速儀。其優(yōu)點是：(1)可對液體流動或氣體流動中的球形粒子、液滴或氣泡的尺寸、速度和濃度進行實時測量。(2)對粒子尺寸、一維到三維流動速度和粒子濃度進行同步、無接觸實時測量。(3)可以對以超音速、幾乎靜止不動或環(huán)流湍流中作反向流動的粒子的特性進行測量。(4)可進行測量的粒子尺寸范圍從微米級到厘米量級。其缺點是價格昂貴、調(diào)整技術(shù)復(fù)雜。

相位多普勒風(fēng)速儀的出現(xiàn)為氣固兩相流動的測量帶來了很大的方便。

東華大學(xué)的蘇亞欣、浙江大學(xué)的岑可法采用三維相位多普勒風(fēng)速儀對方形下排氣旋風(fēng)分離器內(nèi)氣固兩相流場進行了實驗研究，并對流場、脈動速度、顆粒速度、湍動能、湍流強度等分布進行了討論。邊角區(qū)域的顆粒脈動強烈，湍流動能和局部湍流強度在邊角附近取得較大值，表明此處兩相流耗散了氣流的能量較多，是造成分離器壓力損失的主要區(qū)域之一。

清華大學(xué)的普勇、張健等建立了采用分級進風(fēng)的旋流燃燒室實驗臺，用三維相位多普勒風(fēng)速儀測量了湍流旋流燃燒的熱態(tài)瞬時速度場。在一次風(fēng)旋流數(shù)為0.59的工況下，得到了燃燒室內(nèi)氣體時均軸向與切向速度和軸向與切向脈動均方根值的分布。此研究最大的特點是為采用相位多普勒風(fēng)速儀測量湍流旋流燃燒熱態(tài)實驗的瞬時速度場測量。

五、粒子圖像測速儀(PlV)

粒子圖像測速儀(Particle Image Velocimetry，PIV)是20世紀90年代后期成熟起來的流動顯示技術(shù)，是利用粒子的成像來測量流體速度的一種測速系統(tǒng)。其工作原理如下：由脈沖激光器發(fā)出的激光通過由球面鏡和柱面鏡形成的片光源鏡頭組，照亮流場中一個很薄的面(1～2mm)；在于激光面垂直方向的PIV專用的跨幀CCD相機攝下流場層片中的流動粒子的圖像，然后把圖像數(shù)字化送入計算機，利用自相關(guān)或互相關(guān)原理處理，可以得到流場中的速度場分布。其優(yōu)點是：(1)無接觸測量速度矢量，可同時測量一個面上的速度場。(2)測量精度高，片光源面上速度精度0.1％，穿過片光源面方向0.2％。(3)測速范圍寬：0～1000m／s。(4)原理簡單，受外界影響小。(5)應(yīng)用面廣，可以用于微尺度流動測量(微米量級)，也可用于風(fēng)、水洞測量，多相流測量。(6)系統(tǒng)響應(yīng)頻率能夠到達10kHz，大大提高了PIV系統(tǒng)觀測流場時序變化的能力。(7)可同時觀察流動的速度場和溫度、濃度場。

因為粒子圖像測速儀昂貴的價格以及出現(xiàn)較晚，在目前國內(nèi)的熱能工程領(lǐng)域應(yīng)用很少，但其測量瞬時流場的場參數(shù)的優(yōu)點，已經(jīng)被國內(nèi)從事熱能工程研究的工作者所認同，相信其很快將會在國內(nèi)熱能工程領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

六、結(jié)語

熱線熱膜風(fēng)速儀、激光多普勒風(fēng)速儀、相位多普勒風(fēng)速儀和粒子圖像測速儀四種湍流實驗儀器都是現(xiàn)在湍流研究中實現(xiàn)湍流測量的儀器，其各有優(yōu)缺點和應(yīng)用范圍。

熱能工程有許多領(lǐng)域的研究都要涉及到單相或多相流體湍流流動研究。熱線熱膜風(fēng)速儀、激光多普勒風(fēng)速儀、相位多普勒風(fēng)速儀和粒子圖像測速儀四種實驗儀器為我們對這些湍流流動的研究提供了可靠的測量手段，為工程實際應(yīng)用打下了堅實的基礎(chǔ)。

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