11.激光多普勒测速技术-LDV-

第八章激光多普勒测速技术《现代流体测试技术》2015年6月15日刘宝杰，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  c时，上式可以非常近似地表示为：8.1  关键背景激光多普勒效应当静止的光检测器接收到微粒散射的光波时，其间同样存在多普勒效应，其频率为：粒子向四周散射的光的频率，就是其接受到光的频率：8.1  关键背景激光多普勒效应由以上两式可得：8.1  关键背景激光多普勒效应多普勒频移fD：8.1  关键背景激光多普勒测速仪（LDV/LDA）激光器入射光学单元被测流场收集光学单元信号采集和处理8.1  关键背景激光多普勒测速仪（LDV/LDA）8.1  关键背景历史发展1964年，Yeh和Cummins三个阶段：1964-1972年：发展阶段——平均速度测量1973-1978年：成熟阶段——湍流速度测量1979年-至今：应用发展阶段——计算机化8.2  基本原理8.2.1光源8.2.2  示踪粒子8.2.3  信号采集和处理8.2  基本原理8.2.1光源激光光源：氩（Ar）离子激光器：476.5nm、488nm、514.5nmLDV的光源能不能不用激光光源？单色性定向性高亮度，高能量密度相干性8.2  基本原理8.2.2示踪粒子跟得上  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mm8.2  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、488nm、514.5nm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PDirectionofmotionIncidentbeams  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•Focusedlaserbeamsintersectandformthemeasurementvolume（测量体）•Planewavefronts:beamwaistintheplaneofintersection•Interferenceintheplaneofintersection•Patternofbrightanddarkstripes/planes8.2  基本原理8.2.3信号采集和处理  条纹模型Flowwithparticlesd(known)t(measured)SignalTimeLaserBraggCellbackscatteredlightmeasuringvolumeDetectorProcessor8.2  基本原理8.2.3信号采集和处理  条纹模型•Thetransmittingsystemgeneratesthemeasurementvolume•ThemeasurementvolumehasaGaussianintensitydistributioninall3dimensions•Themeasurementvolumeisanellipsoid•Dimensions/diametersx,yandzaregivenbythe1/e2intensitypointsFDLYZXTransmittingsystemMeasurementvolumeIntensitydistribution01/e21zxyXZY8.2  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3mm8.4  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