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1、3.3 温度场及速度场实验3.3.1 实验环境本实验在西安交通大学流体机械国家专业PIV实验室完成。3.3.2 实验仪器仪表本实验所使用的仪器经统计后列成下表表 实验器材仪器仪表名称型号精确度生产厂家数量用途铜-康铜热电 偶0.01 C自己焊接对测模型内部定 点温度热球式电风速 仪QDF-280.1m/s北京市检测仪器 厂1个测模型回风口 和排风口的风 速UNIT数字钳式万用表UT2024%+40优利德电子（上 海）有限公司1个测量热源发热 功率FLUKE温湿 度仪FLUKE971温度：土 0.5C（0C45C）相对湿度：2.5%（10% 90%）FLUKE公司1个测量送回风相 对湿度二级标准
2、温度 计0.1C上海医用仪器厂1个标定热电偶型超级恒温器501A上海实验仪器厂 有限公司入1个标定热电偶卷尺0.001m上海杰义五金工 具有限公司1个测量模型结构 尺寸数据米集卡及 配套软件ADAM40180.001 C研华科技6个采集热电偶测 得的温度值PIV及配套软 件美国TSI公司1套拍摄、处理模 型内部速度场倾斜式微压计YYT-20001.0 (Pa)上海宏宇环保应 用研究所1台测量管道、静 压箱内压力流量计3.3.3 实验系统1.温度场测量系统 测温元件在本实验中，采用T型即铜-康铜热电偶作为测温元件采集模型内部各测点的温度值。T 型热电偶是一种最佳的测量低温的廉金属热电偶并且在低温
3、测量中具有很高的准确度。它 的两极由铜和康铜组成，其中褐红色电极为正极（铜， 100%），银白色电极为负极（铜：55%， 镍：45%）。T型热电偶测温范围为-200+300C,并且在此范围内具有线性度好，热电势 大、灵敏度高、稳定性好和均匀性好的优点，还具有较好的抗氧化性和抗还原性。本试验所采用的热电偶以0.2mm的铜丝和康铜丝自己焊接而成，本试验所采用的热电偶以0.2mm的铜丝和康铜丝自己焊接而成，？所制作好的热电偶在使用前均采用二级标准水银温度计作为标准仪器对其进行标定， 其误差范围是 C。 测点布置考虑到模型内部送风是对称的，则流场也是对称的，因此选择在垂直于送风口的模型 对称面上布置热
4、电偶。又因为本文的目的是观察模型内的热分层现象，所以在垂直方向的热 电偶是均匀布置的，以便于观察整个模型内部的温度变化情况。图 表示了测点分布。送风口处布置了 1 对热电偶，这样可以测出送风温度，在进行计算的时候就是以它作 为送风温度，回风口布置了1 对热电偶，排风口布置了1对热电偶。此外，在四个壁面上也 分别布置了2 对热电偶，本次实验一共布置了 36对T型热电偶，为了便于布置模型空间内的测点，采用直径5mm 的有机玻璃柱制作了热电偶布置框架和网格，温度测点的位置由网格点确定。测点的位置如 图 所示，图中“+”号表示所做实验室测点的位置。以模型一个端点为坐标原点，指向 方向为 z 轴正向建立
5、坐标系，如上图 所示，建立 好坐标系后，布置的热电偶的各个测点的坐标见表 为便于与数据采集卡对应，热电偶标号 采用*-*的格式。表 测温点的坐标热电偶坐标(mm,mm,mm)热电偶坐标(mm,mm,mm)热电偶坐标(mm,mm,mm)1-02-03-01-12-13-11-22-23-21-32-33-31-42-43-41-52-53-54-05-06-04-15-16-14-25-26-24-35-36-34-45-46-44-55-56-5 温度采集系统本实验采用 ADAM4018 进行数据采集， 并通过 由研华科技开发的 Advantech WebAccess5.0 版本 实现温度值在
6、计算机上的显示及记录。 温度采集过程可以由下图表示：热电偶显示并记录温度值2.速度场测量系统 PIV 技术 为证实流场理论计算的正确性，需要用实验来测试空调房间内的流场，对于这种复杂的 非定常流动，测量其流场需要的条件是无干扰，非接触，不改变流场本来的状态，并且能够 瞬时记录流场的信息。在所有这些流场显示与测量技术中,IV技术及其演化发展而来的HPV 等相关技术，因为可以实现对二维和三维流场的非接触测量并且实验成本不高而广受关注， 发展很快。为了验证流场理论计算的正确性，需要通过实验测定模型内部的流场。而对测量手段的 要求是无干扰、非接触、对流场本来的状态没有影响，此外还应当能够记录流场的信息
7、。目 前可以用于测量流场速度的技术有：毕托管、热线风速仪、粒子图像测速技术(Particle Image Velocimetry, PIV)等。在所有这些流场显示与测量技术中，PIV技术及其演化发展而来的 HPV 等相关技术，因为可以实现对二维和三维流场的非接触测量并且实验成本不高而广受关 注,发展很快。PIV技术是在20世纪70年代由固体力学散斑法发展而来的一种技术，它通过拍摄运动 流体中散播的示踪粒子的运动图像并对该图像进行分析来获得被测流场信息,是一种非接 触、瞬时、动态、全流场的直接测量技术。它突破了传统测量仪器如毕托管、热线风速仪等 只能进行单点测量的局限，能够在同一时刻记录下整个待
8、测平面的有关信息，从而将该面的 二维速度信息全部描述出来。PIV测量对流场无扰动，具有较高的分辨率和精度；测量可以 实时或近似实时地进行，可靠性较高；如果对被测流场进行连续拍摄，则能够观测到流动演 变的过程，测量结果可以进行定性和定量研究4。因此，我们可以借助PIV技术来观察和 测量模型内部流场的详细情况。PIV 的基本原理是，用脉冲激光片光源照射所要研究的流场区域，通过成像记录系统 对流场中散播的失踪粒子按照一定的时间间隔进行连续两次或多次曝光以获得粒子运动图 像，之后利用光学杨氏条纹法，自相关或互相关法对图像进行逐点处理，便可获得每一判读 域中示踪粒子图像的平均位移Vx，Vy，当两次曝光时
9、间Vt足够小时，有V = lim i_XiV = lim 巴 x Vt TO t ty Vt TO t t2 1 2 1由此可以得到很好的近似速度场矢量。同时通过上式可以看出，PIV是通过测量示踪粒子的 两次曝光图像之间的距离t=x2-xl和厶y=y2-yl来测量该点的速度的，这就要求在两次曝 光之间，粒子的轨迹必须接近直线，且速度基本恒定，即要求Vt=t -1足够小。同时要求2l所研究的流场区域内粒子浓度应当为中等，一般是在最小分辨容积内有410个粒子，在获 取速度信息时采用确定在该最小分辨容积内所有粒子的统计平均速度的方法。图 所示为 PIV 测量系统组成，主要包括光源系统、需要研究的流场
10、装置和示踪粒子的投放系统、图像采集系统、同步控制及图像数据分析软件等。光源系统包括脉冲激光器、 光路系统和光学系统,；图像采集系统指图像捕捉装置(Charge Coupled Device, CCD)。图 像分析系统由帧抓取器和分析显示软件组成。帧抓取器将图像捕捉装置采集到的粒子图像数 字化,然后储存到计算机,分析显示软件处理图像数据,计算出速度矢量场。采用脉冲激光 器时,需要设置脉冲间隔、脉冲延迟时间等, CCD 相机拍摄两个激光脉冲照射生成的粒子 散斑的图像，然后将图像数字化传输到计算机，最后使用分析软件Insight,将成对的图形文 件以一定的算法处理,得到测试区域的速度矢量场。下面本文
11、对这几部做一简单介绍。 光源系统 拍摄光源是 PIV 技术中极为重要的一部分,要确定被测截面上的粒子的 位移，就要求照射光源是可供多次曝光记录的多脉冲激光光源。常用的激光光源有Ar离子 激光器、红宝石脉冲激光器和Nd： YAG脉冲激光器，各个光源的特点及主要参数本文不再 赘述。其中采用Nd： YAG脉冲激光器的PIV系统测量流场时，需要将激光光束经过扩束镜、 聚焦镜等组成的透镜组形成具有一定厚度的均匀和足够光强的激光光片以照亮整个测量区 域，透镜组主要由球面镜和柱面镜组成，球面镜用于控制片光的厚度，柱面镜则用于使激光 光束在宽度方向扩展，其光路结构如图 所示45。片光最薄的部分在球面镜的聚焦处
12、，一 般应不大于1mm,拍摄时应尽量让这部分照射到所需截面，以减少在垂直于偏光方向例子 影像的重叠记录。由于脉冲激光器的瞬时功率非常高，光路系统中所有的透镜均需镀膜，且 不能采用一般的凸柱透镜作扩束镜，否则会在聚焦点产生电火花，必须采用凹柱透镜4。 具体测量时应当根据被测流场的不同，选择不同焦距的球面镜和柱面镜来产生合适的片光。 示踪粒子的投放系统 示踪粒子的合理投放是 PIV 的另一个关键问题。示踪粒子除 了应当满足无毒、无腐蚀、无磨损、化学性质稳定、清洁等要求外，还应当遵循如下三个要 求：粒子可见度高，对光的散射性强，可拍摄记录性能良好；粒子和流体之间的相对运动尽 可能小，有良好的跟随性；
13、粒子在流场内散播均匀，浓度适宜，从而保证对流场测量的可靠 性。但是实际上，前两条准则是相互矛盾的，测量时应综合考虑被测流场的速度范围、流动 类型等因素以保证所选粒子能够最大程度地同时满足两者的要求。通常，在气体流场的测量 中通常采用的示踪粒子有直径在1到 3个微米的橄榄油微粒或直径在1 到10 个微米的烟雾 微粒。如果是对水的流动测量，由于水具有较高的折射率，同时水的密度也比较大，则可以 选用直径比较大的粒子作为示踪粒子。选择粒子的浓度要考虑使源密度和像密度都达到比较 高的值，像密度的大小和空间的分辨率及测量精度有关。 图像采集系统 CCD 相机由于可以实现速度场的测量实时化，并且拍摄出来的相
14、片不需 要湿处理，而逐步取代了早期使用的普通照相机和底片。较之过去，现在所使用的CCD相 机空间分辨力已大幅度提高，配置了数据转换和传输率大于2040MB/s的图像卡和相应的 计算速率之后，已经可以实现粒子运动图像的实时测量。除去目前使用较多的二维PIV系统， 已经出现了三维PIV系统，其中有体现PIV (Stereoscopic PIV)中的两相机图像记录系统， 全息PIV(Holographic PIV)的全息图像记录系统等等，对于三维系统组件本文不再赘述。 同步控制及图像数据分析软件PIV的图像残疾系统提供了粒子的运动图像，(其中曝光时间间隔At已知)，如何匹配 图像中的粒子对进而提取位
15、移信息是PIV技术走向实用的关键一步。PIV进行信息处理和判 读时，首先将粒子图像分割成多个小区域，称为查问域(Interrogation spot),每个查问 域分别对应于被测流场中的一个有大小的空间点；然后依次对每个查问域中粒子群的平均位 移的大小和方向进行处理和判读，即可取得整个图像场的位移信息。目前这一工作均由计算 机控制的图像处理系统来完成。通常采用的信息处理方法有光学杨氏干涉条纹法、自相关法和互相关法。三种方法相比 较而言，在互相关方法中，由于采用的是两帧粒子图像，粒子浓度可以比自相关更浓，因此 可以将查问域划分的更小而同时获得足够高的空间分辨力；由于互相关采用单帧单脉冲方法 拍摄图像，从而减少了背景噪声的相关峰值，因此互相关方法的信噪比是所有相关方法中最 好的；而且由于两帧图像的先后顺序
