風(fēng)洞風(fēng)速風(fēng)量測(cè)試校準(zhǔn)系統(tǒng)

1、風(fēng)洞風(fēng)速與風(fēng)量測(cè)試校準(zhǔn)系統(tǒng)課程：熱工計(jì)量技術(shù)學(xué)院：計(jì)量測(cè)試項(xiàng)目學(xué)院班級(jí)：10力學(xué) 1班姓名：林星馳學(xué)號(hào)： 100205126指導(dǎo)老師：孫在2018年 6 月 20 日目 錄一、風(fēng)洞的介紹及概述二、實(shí)驗(yàn)原理概述（一）風(fēng)速的測(cè)量校準(zhǔn)1 、風(fēng)速測(cè)量原理及裝置2 、測(cè)量方法及步驟3 、風(fēng)洞中風(fēng)速的校準(zhǔn)4 、誤差分析（二）風(fēng)量的測(cè)量校準(zhǔn)1 、風(fēng)量測(cè)量原理與裝置2 、測(cè)量方法與步驟3 、風(fēng)洞中風(fēng)量的校準(zhǔn)三、心得總結(jié)一風(fēng)洞的介紹及概述風(fēng)洞：風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)是飛行器研制工作中的一個(gè)不可缺少的組成部分。它不僅在航空和航天項(xiàng)目的研究和發(fā)展中起著重要作用，隨著工業(yè)空氣動(dòng)力學(xué)的發(fā)展，在交通運(yùn)輸、房屋建筑、風(fēng)能利用等領(lǐng)域更是不

2、可或缺的。這種方法，流動(dòng)條件容易控制，可重要依據(jù)是運(yùn)動(dòng)的相對(duì)性原理。實(shí)驗(yàn)時(shí)，常將模型或?qū)嵨锕潭ㄔ陲L(fēng)復(fù)地、經(jīng)濟(jì)地取得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。為使實(shí)驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確，實(shí)驗(yàn)時(shí)的流動(dòng)必須與實(shí)際流動(dòng)狀態(tài)相似，即必須滿足相似律的要求。但因?yàn)轱L(fēng)洞尺寸和動(dòng)力的限制，在一個(gè)風(fēng)洞中同時(shí)模擬所有的相似參數(shù)是很困難的，通常是按所要研究的課題，選擇一些影響最大的參數(shù)進(jìn)行模擬。此外，風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)段的流場(chǎng)品質(zhì)，如氣流速度分布均勻度、平均氣流方向偏離風(fēng)洞軸線的大小、沿風(fēng)洞軸線方向的壓力梯度、截面溫度分布的均勻度、氣流的湍流度和噪聲級(jí)等必須符合一定的標(biāo)準(zhǔn)，并定期進(jìn)行檢查測(cè)定。風(fēng)洞測(cè)試簡(jiǎn)介和原理：流體力學(xué)方面的風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)指在風(fēng)洞中安置飛行器或其他物體模型

3、，研究氣體流動(dòng)及其與模型的相互作用，以了解實(shí)際飛行器或其他物體的空氣動(dòng)力學(xué)特性的一種空氣動(dòng)力實(shí)驗(yàn)方法；而在昆蟲(chóng)化學(xué)生態(tài)學(xué)方面則是在一個(gè)有流通空氣的矩形空間中，觀察活體蟲(chóng)子對(duì)氣味物質(zhì)的行為反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)。簡(jiǎn)單地講，就是依據(jù)運(yùn)動(dòng)的相對(duì)性原理，將飛行器的模型或?qū)嵨锕潭ㄔ诘孛嫒斯きh(huán)境中，人為制造氣流流過(guò)，以此模擬空中各種復(fù)雜的飛行狀態(tài)，獲取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。這是現(xiàn)代飛機(jī)、導(dǎo)彈、火箭等研制定型和生產(chǎn)的“綠色通道 ”。簡(jiǎn)單的說(shuō)，風(fēng)洞就是在地面上人為地創(chuàng)造一個(gè)“天空 ”。本系統(tǒng)使用的風(fēng)洞如下：該風(fēng)洞屬于回流式低速風(fēng)洞 , 實(shí)驗(yàn)段用透明有機(jī)玻璃制作 , 尺寸為 2.4m×2.4m×4m,其最大速度可達(dá)

4、 60M/秒, 結(jié)構(gòu)如圖 1 所示1.固定段2.蜂窩器3.阻尼網(wǎng)4.收縮段5.模型6.風(fēng)洞天平7.實(shí)驗(yàn)段8.壓力平衡孔9.擴(kuò)壓段10.電動(dòng)機(jī)11.風(fēng)扇12.反扭導(dǎo)流片 13.整流體 14.回流段 15.拐角 16.導(dǎo)流片圖 1 風(fēng)洞效果圖二、實(shí)驗(yàn)原理概述( 一)風(fēng)速的測(cè)試校準(zhǔn)1、風(fēng)速測(cè)量原理及裝置本系統(tǒng)使用的是激光多普勒測(cè)速儀激光多普勒測(cè)速的特點(diǎn)a、無(wú)接觸測(cè)量，測(cè)量過(guò)程對(duì)流場(chǎng)無(wú)干擾；b、空間分辯率高 ,適用于邊界層、薄層流體及狹通道流體的測(cè)量；c、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，可進(jìn)行瞬時(shí)測(cè)量，是研究紊流,測(cè)量瞬時(shí)速度的新方法；d、測(cè)量精度高，該儀器的基本原理是一個(gè)精確的物理表達(dá)式，基本上與流體的其它特性無(wú)關(guān)；e

5、、利用測(cè)須差來(lái)測(cè)速度，因?yàn)轫毑詈退俣葟牡退俚礁咚偈且粋€(gè)線性關(guān)系式，故不需校正，并且頻移的可測(cè)速度范圍很大；f 、好的方向靈敏性，可以比較方便地測(cè)量任意方向上的速度分量。激光多普勒測(cè)速的局限性局限性a、被測(cè)流體要有一定的透光度，管道要有透明窗口。實(shí)驗(yàn)段一般采用透明的有機(jī)玻璃，但若測(cè)量精度要求很高,通常采用光學(xué)玻璃；b、測(cè)純凈的水或空氣時(shí)，須人工摻入適當(dāng)?shù)牧Ｗ幼魃⑸渲行模?duì)粒子尺寸有一定要求；c、流速很高時(shí)，要求提高激光輸出功率，另外因?yàn)樾盘?hào)頻率高而使信號(hào)處理困難；d、價(jià)格較貴，且有一定的防震要求。1. 儀器原理：激光多普勒測(cè)速儀<LDA ）：由布拉格單元輸出的兩束強(qiáng)度相同的光，其中一束被

6、加了一個(gè)頻移。這兩束光通過(guò)聚焦進(jìn)入光纖，然后被傳輸?shù)教筋^。這些光經(jīng)過(guò)一個(gè)聚焦透鏡在探測(cè)體內(nèi)相交于一點(diǎn)。在探測(cè)體內(nèi)，因?yàn)楣獾母缮娆F(xiàn)象，光的強(qiáng)度被調(diào)整而產(chǎn)生一組干涉條紋 ,條紋的方向與兩束入射光的的角平分線平行。由兩列相干涉平面波相互干涉的結(jié)果可知，干涉條紋的距離是由激光的波長(zhǎng)和兩光束的角度決定的：式中 入射光的波長(zhǎng)；入射光束的夾角。當(dāng)示蹤粒子在垂直于干涉條紋方向上隨流體以速度V 穿過(guò)條紋時(shí)，若粒子位于條紋的亮區(qū)，則對(duì)光的阻擋及散射最大，相反對(duì)光的阻擋及散射最小。因此，散射光中包含了一個(gè)多普勒頻移，在條紋之后接收到的光信號(hào)是一個(gè)調(diào)制量，它與和這兩個(gè)光束等分線垂直的速度分量成比例。光電探測(cè)器把光強(qiáng)度

7、的波動(dòng)轉(zhuǎn)化成電信號(hào)，即多普勒脈沖。多普勒脈沖在信號(hào)處理器中被過(guò)濾和放大，然后經(jīng)過(guò)頻率分析<諸如快速傅立葉變換）確定多普勒頻率，進(jìn)而獲得粒子的速度信息。圖 1 LDV 原理圖激光的多普勒效應(yīng) ：當(dāng)光源和運(yùn)動(dòng)物體發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí), 從運(yùn)動(dòng)物體散射回來(lái)的光會(huì)產(chǎn)生多普勒頻移 , 這個(gè)頻移量的大小與運(yùn)動(dòng)物體的速度、入射光和速度方向的夾角都有關(guān)系。圖 2 激光多普勒效應(yīng)示意圖圖 3 激光多普勒測(cè)速技術(shù)基本原理及結(jié)構(gòu)框圖2.測(cè)試系統(tǒng)一臺(tái)完整的 LDV 通常由以下幾部分組成：光路系統(tǒng)，訊號(hào)處理系統(tǒng)，記錄、顯示部分。激光器、光束擴(kuò)展器和準(zhǔn)直透鏡和分束安裝在遠(yuǎn)離風(fēng)洞處。偏振旋轉(zhuǎn)器和聚焦透鏡被安放能夠通過(guò)風(fēng)洞實(shí)

8、驗(yàn)段作軸向和橫向測(cè)量的 X 一 Y 測(cè)量架上，從分束器出來(lái)的光束由介質(zhì)膜平面反射鏡第一表面射到測(cè)量架處。輸出或接收光學(xué)系統(tǒng)安裝在風(fēng)洞對(duì)面一側(cè)。針孔光闌和準(zhǔn)直透鏡被安裝在精密微調(diào)架上。全部光學(xué)系統(tǒng)均安裝在X 一 Y 測(cè)量架上 ,它與輸入光學(xué)測(cè)量架的位移相配合。2 、測(cè)量方法及步驟實(shí)驗(yàn)步驟：一、儀器開(kāi)機(jī)<1）打開(kāi)氬離子激光器的冷卻水閥門(mén)；<2）開(kāi)啟冷卻水循環(huán)水泵電源；<3）開(kāi)啟激光器控制面板上“鑰匙”開(kāi)關(guān)，等激光器出口處有激光射出，預(yù)熱10 分鐘后，再調(diào)整激光的功率<這點(diǎn)很重要）。一般，通過(guò)調(diào)整功率來(lái)對(duì)激光的強(qiáng)度進(jìn)行調(diào)整，一般0.5w-0.6w 左右即可；<4）接通

9、PDPA 系統(tǒng)處理器的電源，打開(kāi)開(kāi)關(guān)；<5）打開(kāi)三維坐標(biāo)架 <Lightweight ）電源；<6）開(kāi)啟系統(tǒng)計(jì)算機(jī)。二、 BSA Flow Software 軟件操作<1）打開(kāi) BSA Flow ，如圖 3 所示。圖 3 啟動(dòng) BSA Flow 軟件<2）新建一個(gè)文件，選擇“BSA F/P Application ”，命名，點(diǎn)擊“Ok”，進(jìn)入操作界面。<3）連接處理器，如圖4 所示，將點(diǎn)中 Device List 下面樹(shù)狀菜單的 Processor，右鍵，左鍵選中Connect to Processor。如果連線錯(cuò)誤請(qǐng)檢查處理器與電腦主機(jī)之間的交叉線是否連接

10、正確。<4）連接三維坐標(biāo)架，與步驟<3）類(lèi)似，右鍵TraverseSystem，左鍵點(diǎn)中 Connect to Traverse。<5）調(diào)出系統(tǒng)監(jiān)視器，在操作界面任意位置右鍵，選擇SystemMonitor 。圖 5 系統(tǒng)監(jiān)視器<6）調(diào)整坐標(biāo)架上激光發(fā)射鏡頭<內(nèi)含探測(cè)器）的姿態(tài)，讓激光的入射角度方便于后續(xù)光電探測(cè)器捕捉調(diào)制信號(hào)，調(diào)整完畢，將激光發(fā)射鏡頭固定在坐標(biāo)架上。<7）右鍵選擇Traverse System，在右鍵菜單中選擇TraverseController ，調(diào)出三維坐標(biāo)架的控制器，將坐標(biāo)架調(diào)整到待測(cè)點(diǎn)，如果是多點(diǎn)測(cè)量，則一般先將激光焦點(diǎn)調(diào)整到測(cè)點(diǎn)網(wǎng)

11、格的原點(diǎn)。<8）調(diào)出 Processor的右鍵菜單，點(diǎn)擊配置管理器ConfigurationManager，跳出如圖6 所示的對(duì)話框，可以選擇進(jìn)行測(cè)試項(xiàng)目的類(lèi)型，如 1D LDA 指測(cè)一維速度， 1D PDA 即測(cè)一維速度的同時(shí)，還測(cè)量示蹤粒子的直徑，選擇完畢，點(diǎn)擊完成，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)重新進(jìn)行初始化配置。圖 6 配置管理器圖7 激光焦點(diǎn)在光電信號(hào)探測(cè)器內(nèi)位置的調(diào)整<9）通過(guò)調(diào)整光電信號(hào)探測(cè)器的機(jī)械定位機(jī)構(gòu)，使其與激光發(fā)射鏡頭的相對(duì)位置能滿足信號(hào)探測(cè)的要求，在這個(gè)調(diào)整的過(guò)程中主要通過(guò)觀察光電信號(hào)探測(cè)器的小視窗觀察激光的焦點(diǎn)是否處在探測(cè)器內(nèi)圓環(huán)標(biāo)記的中心。<10）完成步驟9 之后，觀

12、察系統(tǒng)監(jiān)視器內(nèi)各通道是否出現(xiàn)穩(wěn)定的突發(fā)信號(hào) <Burst signal），并與多普勒頻移信號(hào)的特征一致，如果突發(fā)信號(hào)未出現(xiàn)，則需要對(duì)光電信號(hào)的探測(cè)器的位置和姿態(tài)進(jìn)行微調(diào)，反復(fù)調(diào)試直到系統(tǒng)監(jiān)視器上的突發(fā)信號(hào)穩(wěn)定且滿足多普勒信號(hào)的一般特征，同時(shí)Group 下的 Data rate、Validation 等都達(dá)到較高的水平，如圖 8 所示。圖 9 運(yùn)行數(shù)據(jù)采集<11）信號(hào)采集。點(diǎn)擊工具欄上的運(yùn)行“run”按鈕進(jìn)行數(shù)采集。（ 12）右鍵 Project Explorer 樹(shù)狀菜單下的 Start，選擇 New，添加一個(gè)表格 List ，此時(shí)測(cè)量的數(shù)據(jù)就會(huì)直接加載到表格內(nèi)，其它的數(shù)據(jù)，如粒徑

13、分布，也可以從這個(gè)界面中進(jìn)行添加。之后的數(shù)據(jù)采集則可以通過(guò)工具欄的數(shù)據(jù)加載“Load”按鈕進(jìn)行加載。圖 8 突發(fā)信號(hào)三、導(dǎo)出數(shù)據(jù)。點(diǎn)擊菜單欄上的File/Export選擇保存路徑和文件名，點(diǎn)擊保存即可。3 、風(fēng)洞中風(fēng)速的校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)時(shí)需注意有兩個(gè)地方需要對(duì)準(zhǔn)：二個(gè)位移方向的機(jī)械對(duì)準(zhǔn)和光學(xué)系統(tǒng)的對(duì)準(zhǔn)。機(jī)械對(duì)準(zhǔn)包括位移平臺(tái)相對(duì)于實(shí)驗(yàn)段窗口的定位以使測(cè)量位移能包容實(shí)驗(yàn)段的窗口 ,然后校水平并對(duì)準(zhǔn)它們,使得在水平移動(dòng)時(shí)移動(dòng)著的測(cè)點(diǎn)與實(shí)驗(yàn)段窗口保持等距離。并使橫向穿越時(shí),移動(dòng)著的測(cè)點(diǎn)與窗口垂直。輸入光學(xué)平面反射鏡對(duì)準(zhǔn)得使三束輸入光束的交點(diǎn)(測(cè)量體積 > 在位移過(guò)程中保持在水平面內(nèi)。依靠輸入側(cè)量架和輸入

14、聚焦透鏡定位測(cè)量體積實(shí)驗(yàn)位于實(shí)驗(yàn)段的垂直中心線上(Y=0> 。4 、誤差分析為了進(jìn)一步提高激光多普勒測(cè)速儀測(cè)速精度 , 在實(shí)際測(cè)量過(guò)程中必須考慮各方面的影響 , 使之達(dá)到最佳效果。為此 , 實(shí)驗(yàn)時(shí)需要選用線寬較窄的激光器；選用孔徑較小的探測(cè)器；在滿足外差干涉條件的情況下 , 適當(dāng)增大兩光束光軸之間的夾角；在保證信號(hào)強(qiáng)度的前提下 , 適當(dāng)增大待測(cè)點(diǎn)到半透半反鏡上有效光斑中心的距離，以減小系統(tǒng)的測(cè)量誤差。在選擇信號(hào)光中心光線的方向與粒子的運(yùn)動(dòng)方向的夾角 H 時(shí), 既要考慮原理公式近似和探測(cè)器孔徑的尺寸引起的誤差 , 也要考慮有限渡越時(shí)間引起的誤差。探測(cè)器孔徑的尺寸引起的誤差較為明顯 , 因此

15、可適當(dāng)選擇較小的夾角；另一方面較小夾角會(huì)使信號(hào)的強(qiáng)度下降 , 所以這一參數(shù)需要在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中反復(fù)調(diào)試 , 以選取最佳值。在選擇光束光斑半徑時(shí) , 同樣也需要同時(shí)考慮高斯光束干涉和有限渡越時(shí)間引起的誤差和激光的質(zhì)量。( 二)風(fēng)量的測(cè)試校準(zhǔn)1、 風(fēng)量測(cè)量原理及裝置本系統(tǒng)使用的是威力巴流量計(jì)威力巴流量計(jì)性能特點(diǎn)：測(cè)量精度：± 1% 重復(fù)精度：± 0.1%適用壓力： 040MPa 適用溫度：180 + 550 測(cè)量上限：取決于探頭強(qiáng)度測(cè)量下限：取決于測(cè)量最小差壓要求量 程 比：大于 101適用管徑： 38mm9,000mm 圓管、方管適用介質(zhì)：滿管、單向流動(dòng)的、單向的氣體、蒸汽和粘度

16、不大于10 厘泊的液體威力巴的使用范圍及其廣泛，它大量用于各種氣體、液體和蒸汽的測(cè)量，以下為典型應(yīng)用介質(zhì)。氣體/ 液體/ 蒸汽天然氣 / 冷卻水 / 飽和蒸汽壓縮空氣 / 鍋爐水 / 過(guò)熱蒸汽燃?xì)?/ 除鹽水氣體碳?xì)浠衔?/ 液體碳?xì)浠衔餆峥諝?/ 低溫液體發(fā)生爐氣體 / 導(dǎo)熱液體儀器原理當(dāng)流體流過(guò)探頭時(shí)，在其前部產(chǎn)生一個(gè)高壓分布區(qū)，高壓分布區(qū)的壓力略高于管道的靜壓。根據(jù)伯努利方程原理，流體流過(guò)探頭時(shí)速度加快，在探頭后部產(chǎn)生一個(gè)低壓分布區(qū)，低壓分布區(qū)的壓力略低于管道的靜壓。流體從探頭流過(guò)后在探頭后部產(chǎn)生部分真空，并在探頭的兩側(cè)出現(xiàn)旋渦。均速流量探頭的截面形狀、表面粗糙狀況和低壓取壓孔的位置

17、是決定探頭性能的關(guān)鍵因素。低壓信號(hào)的穩(wěn)定和準(zhǔn)確對(duì)均速探頭的精度和性能起決定性作用。威力巴均速流量探頭能精確地檢測(cè)到由流體的平均速度所產(chǎn)生的平均差壓。威力巴均速流量探頭在高、低壓區(qū)有按一定準(zhǔn)則排布的多對(duì)取壓孔，使準(zhǔn)確測(cè)平均流速成為可能 .測(cè)量原理威力巴流量計(jì) 是一種插入式流量測(cè)量?jī)x表。在管道中插入一根威力巴傳感器 , 當(dāng)流體流過(guò)傳感器時(shí) , 在其前部 迎流方向 產(chǎn)生一個(gè)高壓分布區(qū), 在其后部產(chǎn)生一個(gè)低壓分布區(qū)。傳感器在高、低壓區(qū)有按一定規(guī)則排列的多對(duì) 一般為三對(duì) 取壓孔 , 分別測(cè)量流體的全壓力 包括靜壓力和平均速度壓力 Pl 和靜壓力 P2。將 P1 和 P2 分別引入差壓變送器 , 測(cè)量出差

18、壓 P=P1-P2, P 反映流體平均速度的大小 , 以此可推算出流體的流量。2 、測(cè)量方法與步驟1 安裝步驟：傳感器安裝正確：完成傳感器在管道上安裝后，投運(yùn)前必須認(rèn)真檢查，要求焊接牢固，方向正確，嚴(yán)格不泄漏，插入深度恰當(dāng)?shù)?。儀表調(diào)校：傳感器配套儀表有差壓變送器和智能流量積算儀( 還可能有壓力變送器和溫度變送器 >等。都必須經(jīng)檢驗(yàn)和調(diào)校后，方可投入使用。儀表的測(cè)量范圍要符合傳感器和被測(cè)介質(zhì)的要求。例如被測(cè)空氣最大流量 Qmax=5000m3/h, 經(jīng)計(jì)算算出傳感器產(chǎn)生的差壓最大值 Pmax=0.6Kpa，則差壓變送器的測(cè)量范圍應(yīng)調(diào)校為 00.6KPa, 對(duì)應(yīng)輸出 420mADC 電流信號(hào)

19、。對(duì)于通用型流量積算儀, 應(yīng)該按實(shí)時(shí)的流量范圍、差壓范圍、介質(zhì)密度、溫度、壓力、流量運(yùn)算要求等，事先編程組態(tài)輸入積算儀，務(wù)必使積算儀能正確運(yùn)算和顯示流量。儀表接線正確：傳感器與差壓變送器、流量積算儀等組成測(cè)量系統(tǒng)，配套儀表的電源線，儀表之間的信號(hào)輸出與輸入線，控制與報(bào)警聯(lián)線等，在各個(gè)儀表的接線板( 又稱(chēng)端子板> 上都有明確的標(biāo)記，必須正確認(rèn)別和選擇使用，投運(yùn)前對(duì)儀表接線要反復(fù)檢查無(wú)誤。為了做好投運(yùn)前的準(zhǔn)備工作，除了認(rèn)真閱讀威力巴流量計(jì)使用說(shuō)明書(shū)外 , 還應(yīng)該閱讀差壓變送器使用說(shuō)明書(shū)、智能流量積算儀使用說(shuō)明書(shū)等資料，遵從說(shuō)明書(shū)的指導(dǎo)進(jìn)行工作。威力巴流量計(jì)屬于差壓式均速管流量計(jì)的范疇，它們都是通過(guò)流體通過(guò)流量?jī)x表前后的差壓來(lái)測(cè)量流體的流量的，因此在選擇訂購(gòu)流量計(jì)時(shí)要知道一下幾個(gè)參數(shù)：1、管道的口徑2、流體的