孟祥忠

摘 要：該設(shè)計(jì)構(gòu)想是基于光通信原理來測非透明管道內(nèi)的氣態(tài)流體流速狀態(tài)。本設(shè)計(jì)構(gòu)思主要介紹通過透明管道氣態(tài)流體內(nèi)部的流體紊亂變動(dòng)，形成不同程度的折射率，再由激光照射，經(jīng)過紊亂氣態(tài)流體的折射，其激光就會(huì)因紊亂氣態(tài)流體的流動(dòng)而頻繁改變傳播路徑或過濾程度，形成被調(diào)制的光信號，再由光電調(diào)制器轉(zhuǎn)換成音頻信號而判別氣態(tài)流體狀態(tài)。

關(guān)鍵詞：光通信原理；光信號；光電調(diào)制器；氣態(tài)流體

引言

在很多大學(xué)實(shí)驗(yàn)室測定流體狀態(tài)的方法大多是采用觀察有色流體在非同色流體中的狀態(tài)來判定層流和紊流。這種方法雖然直觀，但準(zhǔn)確率差，有時(shí)候所獲得的數(shù)據(jù)并不準(zhǔn)確。本設(shè)計(jì)構(gòu)思是基于光通信原理一種新穎的測試法，解決了實(shí)驗(yàn)室內(nèi)采用通過透明管道來觀察管中有色流體細(xì)小流線的變化而判斷流體狀態(tài)的不足，具有更好地實(shí)踐性和實(shí)用性。本設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)可以實(shí)現(xiàn)對流體狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，再配合報(bào)警裝置可以應(yīng)用于生活中的諸多方面。

實(shí)驗(yàn)原理：

本實(shí)驗(yàn)的主要原理是光通信原理與管道內(nèi)流體狀態(tài)隨流速的變化而變化的構(gòu)成。

對于氣態(tài)流體（本實(shí)驗(yàn)采用空氣），由于氣態(tài)流體屬于可壓縮性流體，其密度會(huì)發(fā)生改變。由其氣體一元流動(dòng)連續(xù)性方程pvA=常量（質(zhì)量流量），可知對于任意兩斷面內(nèi)的質(zhì)量流量是相等的。對其微分得：

由此公式可知，當(dāng)流速小于音速時(shí)即馬赫數(shù)M<1，速度增加，密度就會(huì)減小，從而可知?dú)鈶B(tài)流體流速的變化會(huì)導(dǎo)致管道氣體的密度的變化，從而導(dǎo)致不同的折射率，判斷其流體狀態(tài)。被調(diào)制的光信號可有各種方法實(shí)現(xiàn)，基于本實(shí)驗(yàn)的目的，就是通過管道內(nèi)部氣態(tài)流體的紊亂變化或氣態(tài)流體密度變化導(dǎo)致水的折射率發(fā)生變化，繼而產(chǎn)生變化的光信號。產(chǎn)生的被調(diào)制的光信號的照射在硅光電池上，利用硅光電池能夠使光信號轉(zhuǎn)化成電信號的能力，將產(chǎn)生不同的電信號，再有導(dǎo)線連接入放大器。通過放大器的放大作用，接入示波器中，在示波器的屏幕上將產(chǎn)生不同幅度不同的波形，通過觀察波形來判斷流體狀態(tài)。（實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)如圖1）

實(shí)驗(yàn)過程與結(jié)果：

當(dāng)氣態(tài)流體流量較大時(shí)，氣態(tài)流體處于紊流狀態(tài)，那么通過的激光信號的波動(dòng)情況比較復(fù)雜和頻繁，相應(yīng)形成的電信號也將產(chǎn)生較大的變化，通過在示波器的顯示器上可以看出波動(dòng)比較復(fù)雜（如圖2）；而當(dāng)氣態(tài)流體處于層流狀態(tài)時(shí)，水體的波動(dòng)不是太大，那么通過管道形成的光信號就比較平穩(wěn)，相應(yīng)形成的電信號也比較平穩(wěn)，顯示在示波器上的波動(dòng)情況也是總體平穩(wěn)的。由此可以得出，氣態(tài)流體從紊流狀態(tài)到層流狀態(tài)的波動(dòng)情況不一樣，那么由紊流到層流的轉(zhuǎn)變就會(huì)在示波器上形成不一樣的波形，在紊流波形與層流波形之間的過渡點(diǎn)就是臨界點(diǎn)，即雷諾數(shù)時(shí)的氣態(tài)流體狀態(tài)。（如圖2所示）

展望與前景：

本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)不僅直觀的展現(xiàn)出層流到紊流的變化過程，而且對待測定流體無污染，對一些要求較高的流體能夠進(jìn)行非接觸，非污染的測量，不擾動(dòng)原有的流體流場。本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)可以替換現(xiàn)在用有色細(xì)小水流判斷流體狀態(tài)的實(shí)驗(yàn)，克服了原有實(shí)驗(yàn)不準(zhǔn)確，不宜觀察的缺點(diǎn)。如果加以改進(jìn)，可以運(yùn)用到一些流體報(bào)警裝置中。

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