流動(dòng)測試技術(shù)概述課件

1第一章現(xiàn)代流動(dòng)測試技術(shù)概述1.1流動(dòng)測試技術(shù)的基本概念2第一章現(xiàn)代流動(dòng)測試技術(shù)概述1.1流動(dòng)測試技術(shù)的基本概念3測試系統(tǒng)的基本組成

一般說來，測試系統(tǒng)由傳感器、中間變換裝置和顯示記錄裝置三部分組成

傳感器將被測物理量（如壓力、速度、噪聲、溫度及其導(dǎo)出物理量）檢出并轉(zhuǎn)換為電量中間變換裝置對接收到的電信號用硬件電路進(jìn)行分析處理或經(jīng)過A/D變換后用軟件進(jìn)行信號分析顯示裝置將測量結(jié)果顯示出來，提供給觀察者。

信號分析方法：以傅里葉分析為主

涉及的理論：概率論與隨機(jī)過程理論、分形理論、小波理論等

特征參數(shù)：時(shí)均值、脈動(dòng)量均方根值；由自相關(guān)、互相關(guān)函數(shù)導(dǎo)出的時(shí)間尺度和積分長度、分維數(shù)、多重分形譜、時(shí)頻譜分析等流動(dòng)測試技術(shù)的基本概念外差檢測：參考光模式，單光束-雙散射模式和雙光束-雙散射模式氣/液兩相流，水力旋流器成像，混合過程，環(huán)境監(jiān)測（3）解決流體力學(xué)及流體工程中的關(guān)鍵問題：外差檢測：參考光模式，單光束-雙散射模式和雙光束-雙散射模式動(dòng)特性依賴于邊界條件。investigatemodellimits由自相關(guān)、互相關(guān)函數(shù)導(dǎo)出的時(shí)間尺度和積分長度、分維數(shù)、多重分形譜、時(shí)頻譜分析等傳感器：圍繞在被成像的管道或容器外圍的極板陣列組成。MeasurementsaredifficultMeasurementsaredifficult對所獲原始圖像進(jìn)行分析處理并從圖像中獲取反映被測多相流體流動(dòng)狀態(tài)的定量或定性特征信息是PT系統(tǒng)需要具備的重要功能。相關(guān)流量測量技術(shù)：概述；滿足連續(xù)性介質(zhì)方程，N－S方程1967年英國EMI公司的G.激光器：氦氖激光器（mW）、氬離子激光器（W）4流動(dòng)測試技術(shù)的研究方法主要概括為以下幾種：

直觀物理現(xiàn)象觀察分析

基本物理特性的樣本試驗(yàn)和局部試驗(yàn)

基本運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)物理方程的建立和分析

現(xiàn)場實(shí)體觀測

物理比尺模型試驗(yàn)物理模型數(shù)值計(jì)算

物理模型與數(shù)學(xué)模型相互耦合的交叉模型試驗(yàn)實(shí)際的流動(dòng)現(xiàn)象極為復(fù)雜，如多相流體，無法用定量的理論分析，數(shù)學(xué)模型在邊界條件、初始條件和參數(shù)的確定、三維問題等方面存在眾多困難，實(shí)驗(yàn)研究仍是解決多數(shù)流體測量問題的主要方法。

流體測試技術(shù)發(fā)展的歷史也是流體測量儀器的發(fā)展歷史，尤其是對于紊流瞬時(shí)流場的測量問題。

探索準(zhǔn)確、全面獲取流體運(yùn)動(dòng)信息的測試技術(shù)第一章現(xiàn)代流動(dòng)測試技術(shù)概述1.2流動(dòng)測試技術(shù)的研究意義5（1）推動(dòng)相關(guān)學(xué)科的發(fā)展：的實(shí)驗(yàn)技術(shù)和實(shí)驗(yàn)手段出現(xiàn)后，觀察到新現(xiàn)象，了解新機(jī)理，推動(dòng)學(xué)科發(fā)展，產(chǎn)生新學(xué)科分支。（2）從應(yīng)用的對象，部門和行業(yè)：應(yīng)用廣泛：跨學(xué)科、跨行業(yè)、跨部門的物理

現(xiàn)象（3）解決流體力學(xué)及流體工程中的關(guān)鍵問題：Almostallindustrialflowsareturbulent.Almostallnaturallyoccurringflowsonearth,inoceans,andatmosphereareturbulent.Turbulentmotionis3D,vortical,anddiffusivegoverningNavier-Stokesequationsareveryhard(orimpossible)tosolve.MeasurementsaredifficultIndustrial:investigatetechnicalproblems;checktechnicalspecifications；verifyperformance，improveperformanceEngineering:determineparametersinturbulencemode；develop，extend,refinemodels；investigatemodellimitsTheoreticalfluidmechanics：verifymodelpredictions；verifytheoreticalprediction，verifynewconceptsConceptualideas:searchfornewideas第一章現(xiàn)代流動(dòng)測試技術(shù)概述1.2流動(dòng)測試技術(shù)的研究意義6一、層流和湍流的2種形態(tài)：

1883年雷諾的流動(dòng)可視化實(shí)驗(yàn)：水平管道的水流中引入有色液體或染料顯示流動(dòng)，觀察到由層流到時(shí)湍流的現(xiàn)象，推動(dòng)了相似定律和雷諾數(shù)概念的提出。第一章現(xiàn)代流動(dòng)測試技術(shù)概述1.3流體流動(dòng)信號的特征7一、層流和湍流的2種形態(tài)：

第一章現(xiàn)代流動(dòng)測試技術(shù)概述1.3流體流動(dòng)信號的特征8二、湍流特性不規(guī)則性或隨機(jī)性。不可預(yù)測，用統(tǒng)計(jì)的方法2.擴(kuò)散性。湍流傳熱、傳質(zhì)和阻力（動(dòng)量傳遞）與湍流的擴(kuò)散有關(guān)3.大雷諾數(shù)。只有在大雷諾數(shù)下才出現(xiàn)湍流。4.渦旋性。充斥大大小小的渦，以高頻擾動(dòng)渦為主要特征5.耗散性。分子粘性耗散能量，平均動(dòng)能供給。耗散系統(tǒng)。6.連續(xù)性。滿足連續(xù)性介質(zhì)方程，N－S方程7.動(dòng)特性依賴于邊界條件。湍流邊界層和尾跡流，工程上沒有統(tǒng)一的模式處理，但其本質(zhì)是普適的，尋找它正是湍流研究的中心任務(wù)。8.記憶特性。在不同時(shí)刻不同空間上是互相關(guān)聯(lián)的9.間歇特性。湍流中某些高階物理量并不在空間的每一個(gè)點(diǎn)都存在；邊界層邊緣的情況10.猝發(fā)與擬序結(jié)構(gòu)。湍流中的某些渦量凝結(jié)的團(tuán)，相干結(jié)構(gòu)，猝發(fā)現(xiàn)象。無序（隨機(jī)）中疊加有序（擬序渦)第一章現(xiàn)代流動(dòng)測試技術(shù)概述1.3流體流動(dòng)信號的特征9第一章現(xiàn)代流動(dòng)測試技術(shù)概述二、湍流特性1.3流體流動(dòng)信號的特征湍流中的某些渦量凝結(jié)的團(tuán)，相干結(jié)構(gòu)，猝發(fā)現(xiàn)象。第一章現(xiàn)代流動(dòng)測試技術(shù)概述第一章現(xiàn)代流動(dòng)測試技術(shù)概述Radon在“天線數(shù)學(xué)”雜志上發(fā)表著名的論文“論如何根據(jù)某些流形上的積分以確定函數(shù)”，證明了一個(gè)二維或三維的物體能夠通過其無限個(gè)或連續(xù)的投影數(shù)據(jù)來重建，并提出了圖像重建理論，奠定了層析成像的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，現(xiàn)稱該理論為Randon變換及其逆變換。２、過程層析（斷層）成像技術(shù)（ProcessTomography，簡記為PT）及其發(fā)展PT是CT技術(shù)與工業(yè)要求相結(jié)合的產(chǎn)物：它的產(chǎn)生和發(fā)展與科學(xué)研究和工程實(shí)踐中對兩相流或多相流流動(dòng)系統(tǒng)過程內(nèi)部(相分布)信息獲取的迫切需求密切相關(guān)，是目前多相流檢測技術(shù)研究發(fā)展的主要趨勢和前沿研究課題。層析成像（Tomography）或計(jì)算機(jī)輔助層析成像（ComputerAssistedTomography，簡記為CAT）：在不損傷研究對象內(nèi)部結(jié)構(gòu)的條件下，利用某種探測源，根據(jù)對象外部設(shè)備獲得的投影數(shù)據(jù)，運(yùn)用一定的數(shù)學(xué)模型和重建技術(shù)，使用計(jì)算機(jī)生成對象內(nèi)部的二維/三維圖像，重現(xiàn)對象內(nèi)部特征。透明流體——不透明；特點(diǎn)：精度與空間分辨率高，能夠瞬間測量某一時(shí)刻的面或整個(gè)流場，非接觸式測量，測速范圍大，能夠測量兩相流，但對示蹤粒子的跟隨性要求較高，示蹤粒子在流場中的濃度分布影響相關(guān)運(yùn)算效果1流動(dòng)測試技術(shù)的基本概念第一章現(xiàn)代流動(dòng)測試技術(shù)概述激光誘導(dǎo)熒光技術(shù)（Laserinducedfluorescence,LIF)湍流中某些高階物理量并不在空間的每一個(gè)點(diǎn)都存在；為減少誤差以提高重建圖像的質(zhì)量，一般圖像重建算法中均包含有對原始重建圖像進(jìn)行修正的濾波程序。圖像重建：根據(jù)圖像重建算法，利用掃描測量數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)由投影重建圖像，獲得反映被測多相流體相組分分布的信息。10第一章現(xiàn)代流動(dòng)測試技術(shù)概述1.3流體流動(dòng)信號的特征二、湍流特性11第一章現(xiàn)代流動(dòng)測試技術(shù)概述1.3流體流動(dòng)信號的特征二、湍流特性12第一章現(xiàn)代流動(dòng)測試技術(shù)概述1.3流體流動(dòng)信號的特征二、湍流特性13第一章現(xiàn)代流動(dòng)測試技術(shù)概述1.3流體流動(dòng)信號的特征二、湍流特性14第一章現(xiàn)代流動(dòng)測試技術(shù)概述1.4流動(dòng)測試技術(shù)的發(fā)展歷程常用的流動(dòng)測速技術(shù)對比測試技術(shù)測量方式適用范圍（mm/s）測量體跟隨粒子畢托管接觸式>80單點(diǎn)不需要旋槳流速儀接觸式>25單點(diǎn)不需要?dú)錃馀菁夹g(shù)非接觸式<300全場需要HWFA（熱線膜測速）接觸式<3*10^5單點(diǎn)不需要LDV非接觸式0.01-超音速單點(diǎn)需要ADV非接觸式0.1－2500單點(diǎn)需要LIF激光誘導(dǎo)熒光非接觸式標(biāo)定范圍單點(diǎn)需要PIV非接觸式>0.1全場需要PT(層析成像)非接觸式100-3000全場不需要15第一章現(xiàn)代流動(dòng)測試技術(shù)概述1.4流動(dòng)測試技術(shù)的發(fā)展歷程皮托管測速原理：以其發(fā)明者，法國工程師HenriPitot的名字命名，它由總壓探頭和靜壓探頭組成，利用流體總壓與靜壓，即動(dòng)壓來測量流速，故也稱為動(dòng)壓管。特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單、制造使用方便、價(jià)格低廉，而且只要精心制造并經(jīng)過嚴(yán)格標(biāo)定和適當(dāng)修正，即可在一定的速度范圍內(nèi)達(dá)到較高的測量精度。皮托管測取的是流場空間某點(diǎn)的平均速度，且是接觸式測量，因而探頭的尺寸決定了皮托管測速的空間分辨率。目前皮托管頭部直徑約為0.1-0.2mm。使用：一端彎曲的細(xì)管，將其開口放在流場中，并正對著流體方向，當(dāng)液體注入細(xì)管不再流動(dòng)，其全部動(dòng)能轉(zhuǎn)換為勢能。皮托管測速它由總壓探頭和靜壓探頭組成，利用流體總壓與靜壓，即動(dòng)壓來測量流速，故也稱為動(dòng)壓管。17第一章現(xiàn)代流動(dòng)測試技術(shù)概述1.4流動(dòng)測試技術(shù)的發(fā)展歷程原理：機(jī)械能轉(zhuǎn)換，動(dòng)水壓力產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)，流速越大，旋槳轉(zhuǎn)動(dòng)越快。一般分為電阻式、電感式及光電式。特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單、制造使用方便、性價(jià)比較高。旋槳流速儀測取的是流場空間某點(diǎn)的平均速度，且是接觸式測量，無法獲得脈動(dòng)量，且測量精度難以滿足較高要求。使用：將固定在傳感器支架上的旋槳置于水流中測速點(diǎn)，旋槳正對水流方向，由動(dòng)水壓力產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)。旋槳流速儀18第一章現(xiàn)代流動(dòng)測試技術(shù)概述1.4流動(dòng)測試技術(shù)的發(fā)展歷程原理：1902年由Shakepear在伯明翰完成，1914年由King提出無限長線和流體之間的熱對流理論，推出King公式，奠定HWFA基礎(chǔ)。一般分為熱線、熱膜。特點(diǎn)：空間分辨率高、背景噪聲低、測量范圍大、對流體干擾小，僅限于低溫、低速、低紊流度、常特性檢測。熱線熱膜測速測取的是流場空間某點(diǎn)的平均速度，且是接觸式測量，且受探頭大小限制，對測量空間分辨率有要求。上述方法均是接觸式測量使用：在流場中旋轉(zhuǎn)一根通有電流的細(xì)而短的金屬絲，在只考慮強(qiáng)迫對流的熱交換條件下，金屬絲溫度隨著流體流速改變。熱線熱膜測速（Hotwire/filmanemometry,HWFA）（1）推動(dòng)相關(guān)學(xué)科的發(fā)展：的實(shí)驗(yàn)技術(shù)和實(shí)驗(yàn)手段出現(xiàn)后，觀察到新現(xiàn)象，了解新機(jī)理，推動(dòng)學(xué)科發(fā)展，產(chǎn)生新學(xué)科分支。原理：1902年由Shakepear在伯明翰完成，1914年由King提出無限長線和流體之間的熱對流理論，推出King公式，奠定HWFA基礎(chǔ)。過程層析成像技術(shù)技術(shù)也常稱為流動(dòng)成像技術(shù)(Flowimaging)，是本世紀(jì)80年代后期開始正式形成和發(fā)展起來的，以CT技術(shù)為基礎(chǔ)，一種以兩相流或多相流為主要對象的過程參數(shù)二維或三維分布狀況的在線實(shí)時(shí)檢測技術(shù)。充斥大大小小的渦，以高頻擾動(dòng)渦為主要特征過程層析成像技術(shù)（ProcessTomograph,PT)這應(yīng)要求PT成像系統(tǒng)具有較醫(yī)學(xué)成像系統(tǒng)高得多的數(shù)據(jù)采集、處理及圖像重建和顯示速度。多普勒激光全場測速技術(shù)（Dopplerglobalvelocimetry,DGV）激光多普勒原理：利用激光的多普勒效應(yīng)。原理：基于粒子跟蹤的光學(xué)流體測量技術(shù)，利用在液體中散播跟隨性好的示蹤粒子，在片光的照射下，通過圖像記錄裝置獲得包含粒子運(yùn)動(dòng)信息的圖像，經(jīng)過圖像處理得到粒子的速度，粒子的信息反映了對應(yīng)流體質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)信息。使用：將固定在傳感器支架上的旋槳置于水流中測速點(diǎn)，旋槳正對水流方向，由動(dòng)水壓力產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)。多相流、流化床，無損檢測該信息為從根本上解決多相流體各相分布等因素對多相流參數(shù)測量的影響問題提供了一條途徑，使系統(tǒng)各參數(shù)的準(zhǔn)確測量成為可能。第一章現(xiàn)代流動(dòng)測試技術(shù)概述第一章現(xiàn)代流動(dòng)測試技術(shù)概述特點(diǎn)：精度與空間分辨率高，能夠瞬間測量某一時(shí)刻的面或整個(gè)流場，非接觸式測量，測速范圍大，能夠測量兩相流，但對示蹤粒子的跟隨性要求較高，示蹤粒子在流場中的濃度分布影響相關(guān)運(yùn)算效果熱線熱膜測速基于無限長線和流體之間的熱對流理論，在只考慮強(qiáng)迫對流的熱交換條件下，金屬絲溫度隨著流體流速改變20第一章現(xiàn)代流動(dòng)測試技術(shù)概述1.4流動(dòng)測試技術(shù)的發(fā)展歷程激光多普勒原理：利用激光的多普勒效應(yīng)。只要物體散射光線，應(yīng)可以利用多普勒頻移效應(yīng)測量流速，利用流場中粒子的Mie散射，測量散射光相對于原入射激光的多普勒頻移，計(jì)算粒子運(yùn)動(dòng)速度。特點(diǎn)：空間、時(shí)間分辨率高，不影響場，不受溫度、密度和成分影響，響應(yīng)速度快，但需要示蹤粒子，對研究條件（透光度、顆粒濃度等）有較高要求。上述方法均是單點(diǎn)測量激光/聲學(xué)多普勒測速技術(shù)（Laser/AcousticDopplervelocimeter,LDV）（1）多普勒效應(yīng)（1）多普勒效應(yīng)當(dāng)光源和運(yùn)動(dòng)物體發(fā)生相對運(yùn)動(dòng)時(shí)，從運(yùn)動(dòng)物體散射回來的光會產(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（2）聲學(xué)多普勒測速原理

（3）激光多普勒測速（LDV）原理

系統(tǒng)組成：相對論激光器：氦氖激光器（mW）、氬離子激光器（W）入射光學(xué)單元：將激光束分成多束互相平行的入射光，再通過聚焦透鏡聚到測量點(diǎn)。接收光學(xué)單元：收集運(yùn)動(dòng)微粒通過測量體時(shí)的散射光，再轉(zhuǎn)換成多普勒頻移頻率的光電流信號。多普勒信號處理器：對多普勒信號進(jìn)行處理，如頻率跟蹤器、計(jì)數(shù)式處理器等，將頻率量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)：得到各種流動(dòng)參數(shù)（3）激光多普勒測速（LDV）原理激光多普勒測速的檢測方法主要有兩種：直接檢測和外差檢測。外差檢測：參考光模式，單光束-雙散射模式和雙光束-雙散射模式直接檢測：可見光波的頻率通常在1014

Hz

左右，有實(shí)用意義的多普勒頻移最高不過108

-109

Hz。常用的光電器件不能響應(yīng)光波的頻率，對探測器的光電器件性能要求太高，基本不用。（3）激光多普勒測速的進(jìn)一步發(fā)展應(yīng)用1.激光相位多普勒測量系統(tǒng)（PDA/PDPA

）頻率差速度相位差粒徑26第一章現(xiàn)代流動(dòng)測試技術(shù)概述1.4流動(dòng)測試技術(shù)的發(fā)展歷程原理：20世紀(jì)70年代發(fā)展起來，測量基礎(chǔ)是熒光信號與物質(zhì)濃度之間存在線性關(guān)系。將熒光物質(zhì)添加到時(shí)流體中，在激光的激發(fā)下，產(chǎn)生反映流動(dòng)特性的熒光信號。與圖像處理方法相結(jié)合，可用于濃度場、溫度場、壓力場等定量測量。特點(diǎn)：定性揭示流動(dòng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)，但熒光物質(zhì)大多有毒，且在定量測量時(shí)只能通過標(biāo)定曲線完成，測量精度不高。激光誘導(dǎo)熒光技術(shù)（Laserinducedfluorescence,LIF)27第一章現(xiàn)代流動(dòng)測試技術(shù)概述1.4流動(dòng)測試技術(shù)的發(fā)展歷程原理：基于粒子跟蹤的光學(xué)流體測量技術(shù)，利用在液體中散播跟隨性好的示蹤粒子，在片光的照射下，通過圖像記錄裝置獲得包含粒子運(yùn)動(dòng)信息的圖像，經(jīng)過圖像處理得到粒子的速度，粒子的信息反映了對應(yīng)流體質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)信息。特點(diǎn)：精度與空間分辨率高，能夠瞬間測量某一時(shí)刻的面或整個(gè)流場，非接觸式測量，測速范圍大，能夠測量兩相流，但對示蹤粒子的跟隨性要求較高，示蹤粒子在流場中的濃度分布影響相關(guān)運(yùn)算效果粒子圖像測速技術(shù)（Particleimagevelocimetry,PIV)粒子圖像測速技術(shù)原理原理29第一章現(xiàn)代流動(dòng)測試技術(shù)概述1.4流動(dòng)測試技術(shù)的發(fā)展歷程過程層析成像技術(shù)（ProcessTomograph,PT)層析成像（Tomography）或計(jì)算機(jī)輔助層析成像（ComputerAssistedTomography，簡記為CAT）：在不損傷研究對象內(nèi)部結(jié)構(gòu)的條件下，利用某種探測源，根據(jù)對象外部設(shè)備獲得的投影數(shù)據(jù)，運(yùn)用一定的數(shù)學(xué)模型和重建技術(shù)，使用計(jì)算機(jī)生成對象內(nèi)部的二維/三維圖像，重現(xiàn)對象內(nèi)部特征。注意：層析成像不同于從“圖像到圖像”的常規(guī)計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)，而是由投影數(shù)據(jù)重建反映對象內(nèi)部特征的圖像，是一類特殊的圖像處理技術(shù)，常稱為“圖像重建”。1、層析（斷層）成像技術(shù)（ComputerizedTomography，簡記為CT）及其發(fā)展

30理論基礎(chǔ)建立：1917年奧地利科學(xué)家J.Radon在“天線數(shù)學(xué)”雜志上發(fā)表著名的論文“論如何根據(jù)某些流形上的積分以確定函數(shù)”，證明了一個(gè)二維或三維的物體能夠通過其無限個(gè)或連續(xù)的投影數(shù)據(jù)來重建，并提出了圖像重建理論，奠定了層析成像的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，現(xiàn)稱該理論為Randon變換及其逆變換。初步應(yīng)用：Radon的理論首先應(yīng)用于射電天文學(xué)，第一幅重建圖像是由射電天文學(xué)家于1956年獲得的太陽圖。1961年美國神經(jīng)外科醫(yī)生W.H.Oldendorf采用旋轉(zhuǎn)-遷移法實(shí)現(xiàn)了具有醫(yī)學(xué)應(yīng)用價(jià)值的圖像重建，闡明了醫(yī)學(xué)重建斷層掃描的可能性。1963年美國物理學(xué)家A.M.Cormack教授在Radon變換的基礎(chǔ)上發(fā)展了投影重建圖像理論，提出了從X射線投影重建圖像的解析數(shù)學(xué)方法，即醫(yī)學(xué)中應(yīng)用的Randon變換。1967年英國EMI公司的G.N.Housfield博士研制出世界上第一臺可用于臨床的X-射線CT掃描儀1971年G.N.Housfield研制的頭部X-射線CT掃描儀安裝在英國的一家醫(yī)院中。1974年美國的R.S.Ledley等研制成功全人體掃描CT并投入實(shí)際應(yīng)用。1979年CT的發(fā)明者G.N.Hounsfield博士和A.M.Cormack教授共同獲得了諾貝爾醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。

評價(jià)-“1895年發(fā)現(xiàn)X-射線以來，在這個(gè)領(lǐng)域，沒有能與CT相比擬的發(fā)明了?！睂游龀上窦夹g(shù)在醫(yī)學(xué)工程上的成功應(yīng)用在世界范圍內(nèi)產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響，目前一般概念意義上的CT指的就是醫(yī)學(xué)CT，醫(yī)學(xué)上CT作為一種成熟的技術(shù)廣泛地應(yīng)用于臨床診斷和病理研究。層析成像技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用范圍擴(kuò)大：醫(yī)學(xué)CT不僅促進(jìn)了現(xiàn)代醫(yī)學(xué)技術(shù)的發(fā)展，而且對計(jì)算機(jī)科學(xué)、電子學(xué)、應(yīng)用數(shù)學(xué)、生物電子學(xué)及生物基礎(chǔ)理論的發(fā)展也起了積極的推動(dòng)作用。同時(shí)，醫(yī)學(xué)CT中的一些成熟理論和方法還被應(yīng)用于雷達(dá)探測、無損探傷、地震學(xué)、地質(zhì)勘探、氣象及環(huán)境工程等非醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。31第一章現(xiàn)代流動(dòng)測試技術(shù)概述1.4流動(dòng)測試技術(shù)的發(fā)展歷程

過程層析成像技術(shù)技術(shù)也常稱為流動(dòng)成像技術(shù)(Flowimaging)，是本世紀(jì)80年代后期開始正式形成和發(fā)展起來的，以CT技術(shù)為基礎(chǔ)，一種以兩相流或多相流為主要對象的過程參數(shù)二維或三維分布狀況的在線實(shí)時(shí)檢測技術(shù)。

PT是CT技術(shù)與工業(yè)要求相結(jié)合的產(chǎn)物：它的產(chǎn)生和發(fā)展與科學(xué)研究和工程實(shí)踐中對兩相流或多相流流動(dòng)系統(tǒng)過程內(nèi)部(相分布)信息獲取的迫切需求密切相關(guān)，是目前多相流檢測技術(shù)研究發(fā)展的主要趨勢和前沿研究課題。

２、過程層析（斷層）成像技術(shù)（ProcessTomography，簡記為PT）及其發(fā)展

過程層析成像技術(shù)（ProcessTomograph,PT)32過程層析成像系統(tǒng)的基本構(gòu)成PT成像系統(tǒng)一般構(gòu)成ECT系統(tǒng)PC/工作站電子設(shè)備極板管道屏蔽罩傳感器

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

控制成像顯示第一章現(xiàn)代流動(dòng)測試技術(shù)概述33PT成像系統(tǒng)主要由：傳感器：圍繞在被成像的管道或容器外圍的極板陣列組成。其基本原理是在流體流動(dòng)管道沿管道外側(cè)均勻地粘貼若干檢測極板，任意兩個(gè)極板均可組成一個(gè)兩端檢測值，對管截面上不同區(qū)域進(jìn)行掃描測量。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)：負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集、濾波、A/D轉(zhuǎn)換和掃描控制，以獲得反映多相流體相分布信息的測量數(shù)據(jù)(投影數(shù)據(jù))，對于多相流動(dòng)的快速動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，要求采樣速度足夠快，保證一次完整掃描時(shí)間間隔內(nèi)多相流各相組分分布無變化。圖像重建：根據(jù)圖像重建算法，利用掃描測量數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)由投影重建圖像，獲得反映被測多相流體相組分分布的信息。為減少誤差以提高重建圖像的質(zhì)量，一般圖像重建算法中均包含有對原始重建圖像進(jìn)行修正的濾波程序。第一章現(xiàn)代流動(dòng)測試技術(shù)概述圖像分析和特征提?。焊鶕?jù)圖像重建后獲得的關(guān)于多相流各相組分局部分布的原始信息，通過相應(yīng)的數(shù)學(xué)分析和處理，給出測量所需的各種測量參數(shù)值(例如空隙率或分相含率、流型等)、反映被測流體流動(dòng)特性的各特征量和表征被測流體各相組分分布狀況的數(shù)字圖像各像素的灰度值。PT知識庫：為圖像重建模塊與圖像分析和特征提取模塊提供有關(guān)的各類模型、重建算法和先驗(yàn)知識以適應(yīng)測量過程中被測對象多種變化和要求。知識庫本身具有學(xué)習(xí)能力并在測量過程中不斷補(bǔ)充和完善。實(shí)時(shí)圖像顯示：圖像顯示單元是根據(jù)給出的數(shù)字圖像灰度值和所需的各檢測參數(shù)值，在計(jì)算機(jī)顯示屏上顯示出反映多相流體各相分布的實(shí)時(shí)圖像以及其他有關(guān)的測量信息等。34工業(yè)PT與醫(yī)學(xué)CT

PT和CT的數(shù)學(xué)原理相同，利用Randon變換及其逆變換得到物料的截面分布圖像，但由于成像對象的不同，要將醫(yī)學(xué)工程上已成功應(yīng)用的CT技術(shù)應(yīng)用于多相流參數(shù)檢測，PT檢測系統(tǒng)在技術(shù)上必須解決與多相流系統(tǒng)特點(diǎn)相關(guān)的技術(shù)問題：(1)、快速：多相流動(dòng)系統(tǒng)是一快速動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，管道或裝置中流體的流動(dòng)特性變化迅速，在某些應(yīng)用場合甚至處于劇烈運(yùn)動(dòng)變化狀態(tài)，而非醫(yī)學(xué)CT中相對“靜止”人體或其中某一部分。這應(yīng)要求PT成像系統(tǒng)具有較醫(yī)學(xué)成像系統(tǒng)高得多的數(shù)據(jù)采集、處理及圖像重建和顯示速度。(2)對象復(fù)雜：醫(yī)學(xué)CT的成像對象(人體或其中某一部分)特性較容易掌握，而PT系統(tǒng)的成像對象特性復(fù)雜多變，難以對此作出可行的預(yù)測和估計(jì)，且被測物場往往是高度非線性，故要求PT系統(tǒng)的信息獲取手段(涉及傳感方法的選擇和傳感器的研制)和圖像重建算法應(yīng)能適應(yīng)多相流系統(tǒng)種類、特性和不同操作條件的多種要求和變化。(3)應(yīng)用環(huán)境惡劣：實(shí)際多相流工藝裝置所處的工業(yè)現(xiàn)場條件非常惡劣、客觀上要求PT系統(tǒng)必須能與工藝裝置的物理、化學(xué)特性及其變化相匹配，具有抗干擾、抗腐蝕、抗磨損等特性。(4)需進(jìn)行后處理：在大多數(shù)情況下，僅依據(jù)重建的原始圖像難以實(shí)現(xiàn)多相流體各參數(shù)的檢測和多相流工業(yè)過程狀態(tài)監(jiān)控的。對所獲原始圖像進(jìn)行分析處理并從圖像中獲取反映被測多相流體流動(dòng)狀態(tài)的定量或定性特征信息是PT系統(tǒng)需要具備的重要功能。PT技術(shù)能夠在不破壞或不干擾多相流體流動(dòng)的情況下提供有關(guān)多相流體流經(jīng)管道或裝置各相分分布局部的微觀的分布信息。該信息為從根本上解決多相流體各相分布等因素對多相流參數(shù)測量的影響問題提供了一條途徑，使系統(tǒng)各參數(shù)的準(zhǔn)確測量成為可能。35工業(yè)PT與醫(yī)學(xué)CT主要區(qū)別目前，相對于CT許多PT（例如電容PT、電阻PT和超聲PT等）中采用的圖像重建算法是較為粗糙和不甚精確的，其重建出的圖像質(zhì)量也不高，主要原因：(1)、有些PT技術(shù)的檢測機(jī)理研究和圖像重建算法研究還不夠充分，目前還未找到能有效克服電學(xué)PT“軟場”特性的傳感器設(shè)計(jì)方法和和圖像重建算法。(注：“軟場”這一概念是相對于射線CT或PT的測量場不受介質(zhì)分布影響的特性而言的。所謂“軟場”是指受測量介質(zhì)分布影響的測量場，如電容PT中的測量場就是“軟場”，相應(yīng)地射線CT或PT中的測量場就稱為“硬場”。)(2)、PT的實(shí)時(shí)性要求很高，客觀上希望圖像重建算法越簡單越快速越好，而高精度的圖像重建算法往往是計(jì)算量大、復(fù)雜且費(fèi)時(shí)的算法，對系統(tǒng)實(shí)時(shí)性能不利。

36三、過程層析成像系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀依據(jù)信息獲取手段和傳感機(jī)理不同，PT經(jīng)分類有X射線層析成像；

射線層析成像；正電子發(fā)射層析成像；中子射線層析成像；核磁共振成像；光學(xué)層析成像；電容層析成像；電阻(導(dǎo))層析成像；超聲層析成像；電磁感應(yīng)層析成像；微波層析成像；電荷感應(yīng)層析成像等十余種。37三、過程層析成像系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀PT方法被測介質(zhì)特性參數(shù)裝置復(fù)雜性分辨率敏感場性質(zhì)應(yīng)用核PTX射線衰減系數(shù)

高高硬場多相流，混合過程，流化床，填料塔

射線衰減系數(shù)

多相流、流化床，無損檢測正電子發(fā)射輻射系數(shù)

粒子流，離析過程正電子粒子示蹤輻射系數(shù)

各種流動(dòng)過程的濃度廓形核磁共振流速V或濃度高高軟場流速成像，集中固體懸浮顆粒的成像光學(xué)PT透射衰減系數(shù)

中高硬場多相流，火焰檢測輻射(紅外)溫度分布T溫度場成像干涉折射率n混合過程，流動(dòng)成像38三、過程層析成像系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀PT方法被測介質(zhì)特性參數(shù)裝置復(fù)雜性分辨率敏感場性質(zhì)應(yīng)用電學(xué)PT電容介電常數(shù)分布

低低軟場油/氣、氣/液、流化床電阻電導(dǎo)率分布

氣/液兩相流，水力旋流器成像，混合過程，環(huán)境監(jiān)測電磁介電常數(shù)分布

電導(dǎo)率分布

無損檢測聲學(xué)PT反射反射介面分布低中介于硬場與軟場中間氣/液兩相流透射吸收系數(shù)

泡狀流成像衍射壓縮率K密度

無損檢測TOF聲速C流速V空隙率，爐溫成像，流速成像微波PT繞射壓縮率K或密度

中高軟場無損檢測，流體研究，熱傳感電荷PT靜電感應(yīng)低中軟場氣固兩相流速，流型流動(dòng)顯示方法簡介表面流動(dòng)顯示技術(shù)壁面絲線技術(shù)油流技術(shù)升華技術(shù)空間流動(dòng)顯示技術(shù)色線技術(shù)、氫氣泡技術(shù)、煙線技術(shù)、蒸汽屏技術(shù)、陰影技術(shù)和紋影技術(shù)等，現(xiàn)代流動(dòng)顯示技術(shù)PIV、LIF、激光分子測速(LMV)、PT39第一章現(xiàn)代流動(dòng)測試技術(shù)概述流動(dòng)顯示方法簡介40第一章現(xiàn)代流動(dòng)測試技術(shù)概述41第一章現(xiàn)代流動(dòng)測試技術(shù)概述1.5流動(dòng)測試技術(shù)的發(fā)展趨勢（1）需求一直是測試技術(shù)發(fā)展的源動(dòng)力

航空航天技術(shù)發(fā)展需要各種復(fù)雜流動(dòng)要求新的測量技術(shù)滿足其要求42第一章現(xiàn)代流動(dòng)測試技術(shù)概述1.5流動(dòng)測試技術(shù)的發(fā)展趨勢（2）相關(guān)技術(shù)的發(fā)展提供硬件支持:電子技術(shù)、材料技術(shù)、光纖技術(shù)、激光技術(shù)、芯片技術(shù)、數(shù)字信號處理、圖像圖形處理等學(xué)科和技術(shù)的發(fā)展推動(dòng)了測試技術(shù)的發(fā)展。（3）流動(dòng)測試技術(shù)發(fā)展的特點(diǎn)：單點(diǎn)測試——多點(diǎn)——平面——空間,注重空間分辨力的提高；穩(wěn)態(tài)測試——?jiǎng)討B(tài)，注重時(shí)間分辨力的提高；單相測試——多相；透明流體——不透明；

3D-PIV技術(shù)：從二維到三維StereoscopicPIVDualPlaneStereoscopicPIVHolographicPIV實(shí)時(shí)速度測量ScanningPIV Micro-PIV技術(shù)：測量微小尺度流動(dòng)，如血管TR-PIV技術(shù)(Time-resolved

）：測量高頻信號PIV與PLIF（PlanarLIF)的結(jié)合使用：測量運(yùn)動(dòng)與狀態(tài)量43第一章現(xiàn)代流動(dòng)測試技術(shù)概述聲學(xué)多普勒測流剖面儀（AcousticDopplerCurrentProfiler,ADCP）:應(yīng)用矢量合成法，遙測流速的垂直剖面分布，得到一個(gè)剖面上若干層水流速度的三維分量和絕對值。多普勒激光全場測速技術(shù)（Dopplerglobalvelocimetry,DGV）三維粒子圖像測速技術(shù)非定常、空間、多參量、無接觸、快速、定量44第一章現(xiàn)代流動(dòng)測試技術(shù)概述1.6本課程內(nèi)容安排現(xiàn)代流動(dòng)測試技術(shù)概述測試信號分析與處理：測試系統(tǒng)的特性；信號的分類與描述；周期信號與連續(xù)頻譜；隨機(jī)信號多相流及其測量方法：多相流的概念；工業(yè)中常見的兩相有多相流的分類及特點(diǎn)；兩相與多相流的基本特性參數(shù)；多相流的測量方法；多相流離散相濃度的測量方法相關(guān)流量測量技術(shù)：概述；相關(guān)流量計(jì)的原理及構(gòu)成；相關(guān)流量計(jì)的精度分析與設(shè)計(jì)層析成像技術(shù)：電容傳感器結(jié)構(gòu)與激勵(lì)方式；電容傳感器有限元建模；圖像重建方法其它流動(dòng)測試技術(shù)：熱線/熱膜測速技術(shù)；激光多普勒技術(shù)；粒子圖像測速PIV技術(shù)45第一章現(xiàn)代流動(dòng)測試技術(shù)概述1.3流體流動(dòng)信號的特征二、湍流特性46第一章現(xiàn)代流動(dòng)測試技術(shù)概述1.3流體流動(dòng)信號的特征二、湍流特性(3)應(yīng)用環(huán)境惡劣：實(shí)際多相流工藝裝置所處的工業(yè)現(xiàn)場條件非常惡劣、客觀上要求PT系統(tǒng)必須能與工藝裝置的物理、化學(xué)特性及其變化相匹配，具有抗干擾、抗腐蝕、抗磨損等特性。常用的光電器件不能響應(yīng)光波的頻率，對探測器的光電器件性能要求太高，基本不用。第一章現(xiàn)代流動(dòng)測試技術(shù)概述相關(guān)流量測量技術(shù)：概述；粒子圖像測速PIV技術(shù)TR-PIV技術(shù)(Time-resolved

）：測量高頻信號Almostallindustrialflowsareturbulent.一、層流和湍流的2種形態(tài)：過程層析成像技術(shù)（ProcessTomograph,PT)傳感器：圍繞在被成像的管道或容器外圍的極板陣列組成。第一章現(xiàn)代流動(dòng)測試技術(shù)概述對所獲原始圖像進(jìn)行分析處理并從圖像中獲取反映被測多相流體流動(dòng)狀態(tài)的定量或定性特征信息是PT系統(tǒng)需要具備的重要功能。粒子圖像測速技術(shù)（Particleimagevelocimetry,PIV)湍流中某些高階物理量并不在空間的每一個(gè)點(diǎn)都存在；層析成像技術(shù)：電容傳感器結(jié)構(gòu)與激勵(lì)方式；47第一章現(xiàn)代流動(dòng)測試技術(shù)概述1.4流動(dòng)測試技術(shù)的發(fā)展歷程原理：機(jī)械能轉(zhuǎn)換，動(dòng)水壓力產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)，流速越大，旋槳轉(zhuǎn)動(dòng)越快。一般分為電阻式、電感式及光電式。特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單、制造使用方便、性價(jià)比較高。旋槳流速儀測取的是流場空間某點(diǎn)的平均速度，且是接觸式測量，無法獲得脈動(dòng)量，且測量精度難以滿足較高要求。使用：將固定在傳感器支架上的旋槳置于水流中測速點(diǎn)，旋槳正對水流方向，由動(dòng)水壓力產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)。旋槳流速儀（3）激光多普勒測速（LDV）原理激光多普勒測速的檢測方法主要有兩種：直接檢測和外差檢測。外差檢測：參考光模式，單光束-雙散射模式和雙光束-雙散射模式直接檢測：可見光波的頻率通常在1014

Hz

左右，有實(shí)用意義的多普勒頻移最高不過108

-109

Hz。常用的光電器件不能響應(yīng)光波的頻率，對探測器的光電器件性能要求太高，基本不用。49第一章現(xiàn)代流動(dòng)測試技術(shù)概述1.4流動(dòng)測試技術(shù)的發(fā)展歷程原理：基于粒子跟蹤的光學(xué)流體測量技術(shù)，利用在液體中散播跟隨性好的示蹤粒子，在片光的照射下，通過圖像記錄裝置獲得包含粒子運(yùn)動(dòng)信息的圖像，經(jīng)過圖像處理得到粒子的速度，粒子的信息反映了對應(yīng)流體質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)信息。特點(diǎn)：精度與空間分辨率高，能夠瞬間測量某一時(shí)刻的面或整個(gè)流場，非接