激光多普勒测速技术_ldv.pdf

第八章 激光多普勒测速技术 《现代流体测试技术》《现代流体测试技术》 2015年年6月月15日日 刘宝杰，于贤君刘宝杰，于贤君 主要内容 8.1 关键背景 8.2 基本原理 8.3 测量精度的影响因素 8.4 典型应用案例 8.5 思考题 8.1 关键背景  测速技术的分类 测量技术 激光多普勒测速仪（LDV） 皮托管 接触式 非接触式 气动探针 热线风速仪 粒子图像测速技术（PIV、SPIV） 激光诱导荧光技术（LIF、 PLIF ） DGV、MTV …… 8.1 关键背景  为什么叫“激光多普勒”测速仪？ Laser Doppler Velocimeter简称LDV 激光多普勒效应 什么是多普勒效应? 8.1 关键背景  多普勒效应 水波 声波 8.1 关键背景  激光多普勒效应 设光源O、运动微粒P和静止的光检测器S之间的相对位置如 下图所示其中光源光波的频率为f0，粒子的运动速度为 则粒子接收到的光波频率为： 其中为入射光单位向量，c为光速 当U 跟得上 粒子的跟随性问题 粒子的光散射性问题 看得见 8.2 基本原理  8.2.2 示踪粒子 粒子的跟随性 8.2 基本原理  8.2.2 示踪粒子 湍流中粒子的跟随性 水 中 粒 子 的 跟 随 性 粒子的跟随性 8.2 基本原理  8.2.2 示踪粒子 湍流中粒子的跟随性 空 气 中 粒 子 的 跟 随 性 粒子的跟随性 8.2 基本原理  8.2.2 示踪粒子 高速气流中粒子的跟随性 可压流中粒子的 阻力系数： 为Knudsen数 激波波前速度 波后速度 x(激波下游的距离), inch 在超声速 或高亚音 速中理想 的粒子直 径应小于 粒子的跟随性 mm 8.2 基本原理  8.2.2 示踪粒子  粒子的直径  粒子的密度  粒子的形状 除了流体的性质外，粒子对其跟随性的主要影响因素： 粒子的跟随性 8.2 基本原理  8.2.2 示踪粒子 1.散射光是由包括不同阶的球谐波组成的，它们是强度取决于 两种介质的特性和粒子直径与光波波长的比值； 米氏(G. Mie)散射理论：1908年 2.当粒子直径远小于光波波长时，散射光强度分布如下图所示， 这种散射称为瑞利(Rayleigh)散射； 瑞利(Rayleigh)散射 粒子的光散射性 8.2 基本原理  8.2.2 示踪粒子 3.当粒子直径逐渐增大，散射光强度分布逐渐偏离对称， 前向比后向散射更多的光线，这种效应称为米氏效应。

粒子的光散射性 8.2 基本原理  8.2.2 示踪粒子 3.当粒子直径逐渐增大，散射光强度分布逐渐偏离对称， 前向比后向散射更多的光线，这种效应称为米氏效应 粒子的光散射性 4. 空间不同方向上的散射光之间还存在相位差 8.2 基本原理  8.2.2 示踪粒子 粒子的有效散射截面与粒子直径的关系： 颗粒直径 几何截面 瑞利散射 Nd：YAG(532nm) m2 颗粒直径 → μm 粒子的光散射性 8.2 基本原理  8.2.3 信号采集和处理 如何提取多普勒频移？ 光学外差检测模式 条纹模型 光学频移 如何优化控制多普勒频移？ 8.2 基本原理  8.2.3 信号采集和处理 没有传感器可以直接测量，只能想办法直接测频移量 氩（Ar）离子激光器：476.5nm、488 nm、514.5 nm 对应的频率：6.3×1014Hz、6.1×1014Hz、5.8×1014Hz 如何测量多普勒频移？ 8.2 基本原理 参考光模式：  8.2.3 信号采集和处理 光学外差检测模式 8.2 基本原理 单光束-双散射模式： 由于： 则：  8.2.3 信号采集和处理 光学外差检测模式 8.2 基本原理 双光束-双散射模式： 由于： 则： 多普勒频移只取决于两束入射光的方向，与散射光方向无关 ！  8.2.3 信号采集和处理 光学外差检测模式 8.2 基本原理 LDV基本 光路结构  8.2.3 信号采集和处理 光学外差检测模式 8.2 基本原理  8.2.3 信号采集和处理 条纹模型 P Direction of motion Incident beams 光学外差/频差 混频/相干 8.2 基本原理  8.2.3 信号采集和处理 条纹模型 •Focused laser beams intersect and form the measurement volume（测量体） •Plane wave fronts: beam waist in the plane of intersection •Interference in the plane of intersection •Pattern of bright and dark stripes/planes 8.2 基本原理  8.2.3 信号采集和处理 条纹模型 Flow with particles d (known) t (measured) Signal Time Laser Bragg Cellbackscattered light measuring volume Detector Processor 8.2 基本原理  8.2.3 信号采集和处理 条纹模型 •The transmitting system generates the measurement volume •The measurement volume has a Gaussian intensity distribution in all 3 dimensions •The measurement volume is an ellipsoid •Dimensions/diamet ers  x,  y and  zare given by the 1/e2 intensity points F  DL Y Z X Transmitting system Measurement volume Intensity distribution 0 1/e 2 1 z x y X Z Y 8.2 基本原理 控制体高度 控制体宽度 控制体长度 控制体中的条纹间距 入射光系统和控制体积  8.2.3 信号采集和处理 条纹模型 8.2 基本原理 控制体中的条纹间距 当粒子以速度UY穿过控制体 控制体中的条纹数为 控制体的体积为  8.2.3 信号采集和处理 条纹模型 8.2 基本原理  8.2.3 信号采集和处理 光学频移 LDV的测量能否判断速度方向？ 8.2 基本原理  8.2.3 信号采集和处理 光学频移 条纹的移动速度为： 频移后多普勒频率和速度间的关系： 频移的可以帮助LDV的测量判断方向！ 8.2 基本原理  8.2.3 信号采集和处理 光学频移 LDV测量是否有速度幅值的限制？ 8.2 基本原理 频移后的信号频谱 基底信号与多普勒频 谱的混叠 频移的第二个功能是实现高湍流度流场的测量！  8.2.3 信号采集和处理 光学频移 8.2 基本原理  8.2.3 信号采集和处理 光学频移 LDV测量是否有速度最大值的限制？ 8.2 基本原理 LDV测量的“方向优先”性 根据散射粒子必须通过的最少 条纹数Ncr，可以计算出可测 速度向量的极限方向角，越小 则测量的“死区”越大。

频移的第三个功能是消除测量的死区！  8.2.3 信号采集和处理 光学频移 8.3 测量精度的影响因素 8.3.1 多普勒电信号的形式 8.3.2 信噪比的影响因素 8.3 测量精度的影响因素  8.3.1 多普勒电信号的形式 双光束控制体中的光强分布 8.3 测量精度的影响因素  8.3.1 多普勒电信号的形式 8.3 测量精度的影响因素  8.3.1 多普勒电信号的形式 多普勒闪烁的电流信号波形多普勒闪烁的频谱 信号幅值ia和基底信号的幅值id比值，决定了测信号的信噪比 8.3 测量精度的影响因素  8.3.1 多普勒电信号的形式 低闪烁密度（上）和高闪烁密度（下）信号 示踪粒子 浓度适中 示踪粒子 浓度低 8.3 测量精度的影响因素  8.3.1 多普勒电信号的形式 当湍流度为10%时， 要使平均速度具有 1%的精度和95%的 置信度，则有效采 样点数为400；但要 使湍流脉动量达到 相同的测量精度， 则有效的采样点需 要达到20000 示踪粒子 浓度适中 8.3 测量精度的影响因素  8.3.2 信噪比的影响因素 信噪比不同的多普勒信号 8.3 测量精度的影响因素  8.3.2 信噪比的影响因素 散射光接收方向的影响 双光束模式的散射光强度分布 粒子尺寸和浓度的影响 速度越高，信噪比越低? 越高？ 激光功率和粒子速度的影响 8.3 测量精度的影响因素  8.3.2 信噪比的影响因素 1.适当增加粒子的尺寸和散射效率； 2.减小控制体大小提高测量体中的照度； 3.提高光接收系统的效率； 4.提高入射光功率； 5. 减弱非测量体中的散射光和环境光进入光检测器。

8.4 典型应用案例  多维LDV系统的组成方式 色分离型二维LDV系统 色分离二维光路 8.4 典型应用案例  多维LDV系统的组成方式 六光束三维LDV基本光路布置 色分离型三维LDV系统 8.4 典型应用案例  多维LDV系统的组成方式 速度W分量的误差： 色分离型二维LDV系统 8.4 典型应用案例  LDV的应用示例 8.4 典型应用案例  LDV的应用示例 8.4 典型应用案例  LDV的应用示例 8.4 典型应用案例  LDV的应用示例 8.4 典型应用案例  LDV的应用示例 8.4 典型应用案例  LDV的应用示例 8.4 典型应用案例  LDV的应用示例 实验模型和测量截面布置 8.4 典型应用案例  LDV的应用示例 实验现场照片 8.4 典型应用案例  LDV的应用示例 实验现场照片，玻璃窗厚度不到3mm 8.4 典型应用案例  LDV的应用示例 94.2%叶高回转面内的马赫数分布 示踪粒子 8.4 典型应用案例  LDV的应用示例 转子出口1截面切向湍流脉动速度转子出口2截面切向湍流脉动速度 8.4 典型应用案例  LDV的应用示例 不同转速下叶尖泄露流的发展演化过程 8.4 典型应用案例  LDV的应用示例 另一个设计转子出口2个不同截面处LDV测量结果与计算结果对比 8.4 典型应用案例  LDV的应用示例 8.4 典型应用案例  LDV的应用示例 8.5 思考题  弧形的玻璃视窗会对LDV的测量带来那些 影响？ 8.5 思考题  如果要将测量通道内散播上示踪粒子，则 需要在压气机进口多大面积上散播粒子？ 转子叶片数17 。