王 軍耿 介李 東王心慧

（1.山東大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院，濟南 250061；2.山東建筑大學(xué)，濟南 250101）

管流測試中激光技術(shù)的應(yīng)用及分析

王 軍1,2耿 介1李 東1王心慧2

（1.山東大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院，濟南 250061；2.山東建筑大學(xué)，濟南 250101）

利用二維頻移激光多普勒測速儀對管內(nèi)流動進行速度場測試，測試結(jié)果表明，隨雷諾數(shù)的增加軸向速度增長較快，平均速度剖面圖顯示出流動逐步由過渡區(qū)進入紊流區(qū)；徑向速度在接近管軸區(qū)域時，由于主流區(qū)的作用變化較為平緩，遠(yuǎn)離管軸的區(qū)域徑向速度的波動幅度和頻率隨雷諾數(shù)的增加而變大，近管壁區(qū)由于粘性力作用的增強，徑向速度的數(shù)值和波動幅度顯著降低。

管內(nèi)流動 激光 雷諾數(shù) 粘性力

引言

管內(nèi)流動是工業(yè)過程中最常見的現(xiàn)象之一，流體在管內(nèi)的流動是不穩(wěn)定的，其流體動力學(xué)特性非常復(fù)雜?？蒲腥藛T對管流的研究做了大量工作，由于其流動性質(zhì)具有特殊性，因此，對它的研究具有重要意義。激光自出現(xiàn)以來，在多數(shù)場合得到廣泛應(yīng)用，對速度的測量是其中的一個重要方面，激光測速技術(shù)在流場測量中的應(yīng)用可以獲得更多的流場信息。傳統(tǒng)測速方法需要把測速裝置布置在流場中，對流動產(chǎn)生一定影響，使誤差增大，激光測速技術(shù)的應(yīng)用有效解決了這個問題。多普勒測速儀利用布置在流場外的激光發(fā)射器照射流動顆粒，利用顆粒本身的特性獲得流場詳細(xì)信息，不會對流場產(chǎn)生干擾，具有較高的準(zhǔn)確度，因此，在很多場合得到廣泛應(yīng)用[1]。

1 實驗原理及裝置

多普勒測速儀[1-2]利用運動顆粒散射光的多普勒頻移來獲得顆粒速度信息，大多數(shù)顆粒如空氣中的塵埃、水流中的雜質(zhì)等，它們的尺寸和濃度都可以滿足多普勒測速的要求，而且都可以隨流體較好地流動，因此，通過多普勒測試可以獲得流場的詳細(xì)信息。

整個實驗系統(tǒng)由水循環(huán)系統(tǒng)和多普勒測試系統(tǒng)組成。測試段采用直管段，用有機玻璃材料制作。多普勒測試系統(tǒng)[3-5]如圖1所示，主要由激光發(fā)生器、入射光系統(tǒng)、接收光系統(tǒng)，信號處理器、計算機、坐標(biāo)架系統(tǒng)組成。

圖1 多普勒測速系統(tǒng)

2 系統(tǒng)調(diào)整及實驗方案

2.1 系統(tǒng)調(diào)整

水循環(huán)系統(tǒng)[6]負(fù)責(zé)流動狀態(tài)的維持和流動的調(diào)整，通過控制閥門的開度來調(diào)節(jié)管內(nèi)的流量，以形成不同流態(tài)下的流動。半導(dǎo)體激光器的發(fā)射光單元放置在主導(dǎo)軌上，在導(dǎo)軌上通過搖臂滑動可適當(dāng)移動位置，對不同位置進行測量，激光器發(fā)射出的三束入射光應(yīng)嚴(yán)格相交。

接收光單元的接收透鏡光軸線應(yīng)盡量與入射光單元的光軸線位于同一軸線上，確保接收器高度與入射光單元一致。

2.2 實驗方案

半導(dǎo)體激光器對環(huán)境溫度比較敏感，工作前一般應(yīng)預(yù)熱30min，保證激光發(fā)射器工作的穩(wěn)定性。按照三維坐標(biāo)架的技術(shù)參數(shù)對LDV進行調(diào)整。根據(jù)管內(nèi)流動特點，近壁處流速變化較大，進入主流區(qū)后變化趨緩，近壁處測點布置加密以便反映流動特點。

3 實驗結(jié)果分析

3.1 LDV和DPIV的實驗結(jié)果對比

選取Re=5 400的軸向速度分布進行分析，該流動雷諾數(shù)和Westerweel實驗里的雷諾數(shù)非常接近，對本文的實驗數(shù)據(jù)和Westerweel的實驗結(jié)果進行對比分析[7]。

圖2 LDV和DPIV的實驗結(jié)果對比

圖2給出了圓管流動的統(tǒng)計結(jié)果，在圖2中，Wester代表Westerweel[7]的DPIV結(jié)果。從圖中可以看出，平均速度剖面在該雷諾數(shù)下的趨勢和Wester實驗結(jié)果吻合。相比在遠(yuǎn)壁段兩種實驗的吻合度較高，在近壁端，由于管壁影響的微小差別，吻合的趨勢有一定變化，但速度變化的總體趨勢一致。

3.2 流場軸向速度變化情況分析

通過閥門調(diào)節(jié)控制流態(tài)變化，獲得速度場的分布。選取了雷諾數(shù)為2000、2400、3800、5400和7800五種流態(tài)下的測試結(jié)果進行分析，考慮到流場的瞬時性和突變性，為了更好地反映速度變化情況，比較不同流態(tài)下的流場變化，把相關(guān)參數(shù)無量綱化，以便在同一基準(zhǔn)上對流動作進行分析。

圖3 軸向速度分布圖

圖3為軸向速度分布圖，r以管中心為起點，管內(nèi)壁為終點。由圖3可看出，脫離近壁區(qū)后為主要加速區(qū)，由于粘性力的影響減小，隨雷諾數(shù)的增加，軸向速度增加較快。雷諾數(shù)較低時，軸向速度曲線比較平緩，雷諾數(shù)大于5 400時，曲線形狀變化比較明顯。當(dāng)Re=2 000，r/D小于0.475時，流動區(qū)域逐漸向管中心移動，軸向速度出現(xiàn)較大幅度增加；當(dāng)Re=5 400，r/D小于0.487時，軸向速度才出現(xiàn)較明顯的變化，說明隨流動雷諾數(shù)的增加，主流區(qū)的范圍擴大。不同雷諾數(shù)的流動均在管道中心軸上獲得最大速度，隨雷諾數(shù)的增加，最大速度的數(shù)值有較大幅度提升。

3.3 流場徑向速度變化分析

圖4 徑向速度絕對值分布圖

圖4為不同雷諾數(shù)下徑向速度取絕對值后的分布情況，雷諾數(shù)為3 800時，徑向速度近似為零，隨測量點位置的變化，徑向速度變化不明顯。雷諾數(shù)為5 800時，徑向速度絕對值波動趨勢增強，距離管軸線較近時，波動較平緩，隨著與管軸線距離的增加，波動的幅度變大，而且波動的情況具有隨機性。雷諾數(shù)達到7 800時，徑向速度波動的幅度進一步增加，和雷諾數(shù)為5 800時相比，在距離管軸線較近的位置，徑向速度就出現(xiàn)了較大幅度變化，且波動的幅度、頻率、隨機性要高于雷諾數(shù)為5 800時的情況。

雷諾數(shù)為5 800和7 800時，在距管軸線較近的位置，徑向速度絕對值的變化都比較平緩，但前者更為明顯，原因是雷諾數(shù)為5 800時，流動受主流區(qū)的影響較大，隨著逐漸遠(yuǎn)離主流區(qū)，兩種雷諾數(shù)下的徑向速度都出現(xiàn)了較大變化，流動進入湍流區(qū)。

4 結(jié)論

（1）本文利用二維頻移激光多普勒測速儀對流體管內(nèi)流動的速度分布進行測試，獲得了不同流態(tài)下的速度曲線，在相近的雷諾數(shù)下，軸向平均速度分布測試結(jié)果和Westerweel的DPIV測試結(jié)果基本吻合，證明了實驗結(jié)果的可靠性。

（2）主流區(qū)流動對徑向速度的變化有一定影響，特別是隨雷諾數(shù)的降低，這種影響逐漸加大，在距離管軸較近的位置，主流區(qū)軸向流動較強，造成徑向速度波動趨緩，隨著距管軸距離的增加，徑向速度波動的幅度變大。

（3）流動過程中，粘性力對徑向速度的變化有明顯作用。雷諾數(shù)較小時，粘性力的影響較大，徑向速度波動的幅度減小且絕對值下降明顯，隨雷諾數(shù)的增加，雖然徑向速度波動幅度增加，但近壁處受到粘性力作用，速度絕對值快速下降。

[1]沈熊.激光多普勒測試技術(shù)原理及應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社，2004.

[2]F.杜斯特，A.梅林，J.H.懷特洛.激光多普勒測速技術(shù)的原理和實踐[M].北京：科學(xué)出版社，1992.

[3]Zhou Jian. Application of Frequency Spectrum Refinementand Correction Technology in Laser Doppler Velocimeter[J].Laser&Infrared，2010，（2）：146-151.

[4]Liu You, Yang Xiaotao, Ma Xiuzhen.Technique of Flow Field Measurement Based on Laser Doppler Velocimetry. [J]. Laser&Infrared，2012，（1）.

[5]He Chunsheng, Zhang Hongjun,Wang Tianyu. A Study on the Image Processing Method in Doppler Global Velocimetry[J]. Chinese Journal of Scientific Instrument，2011，（32）.

[6]Liu Yonghui, Du Guangsheng,Liu Liping,Shao Zhufeng,Zhai Chengyuan.Experim-ental Study of Velocity Distribution in the Transition Region of Pipes[J]. Journal of Hydrodyn-amics，2011，（5）：643-648.

[7]J.Westerweel，A.A.Draad，J.G.Th.Vanderhoeven，J.VanOord. Measurement of Fully-dEveloped Turbulent Pipe Flow with Digital Particle Image Velocimetry[J].Experiments in Fluids，1996，（20）：165-177.

Application and Analysis of Laser Technology in Pipe Flow

WANG Jun1，2,GENG Jie1, LI Dong1,WANG Xinhui2
(1.School of Energy and P ower Engineering, Shandong University, Jinan 250061;2.Shandong Jianzhu University,Jinan 250101)

A t wo-dimensional Laser Doppler Velocimetry was utilized to test the velocit y field of a pipe.The t est results show that axial velocity is increas ed with the improvement of the Reynolds number, the profile of average velocity shows that the flow is gradually shifted from the transition zone to the turbulent region. Radial velocity near the pipe axis changes more gently by the action of mainstream area; with the increase of the Reynolds number, the amplitude and frequency of radial velocity fluctuation are improved in the area away from pipe axis. Because of the effect of viscous force the value and fluctuation amplitude of radial velocity decreases significantly in the region near the pipe wall.

pipe flow, laser, reynolds number, viscous force