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1、PDA测量系统的原理及应用简介 刘艳丽1PDA测量系统简介PDA测量系统的应用PDA测量系统测量原理测量中应注意的几点问题主要内容：2PDA的两种解释 Phase Doppler Anemometer Particle Dynamic Analyzer 3Phase Doppler Anemometer 相位多普勒风速仪又称相位多普勒技术，是运用多普勒频移和多普勒相位差原理进行速度和粒径测量的一种技术。它发明于1975年，在欧洲习惯上称为PDA ，而在美国习惯上称为Phase Doppler Particle Analyzer (PDPA)。4Particle Dynamic Analyzer
2、 粒子动态分析仪，它是相位多普勒技术的一种市场产品，是丹麦丹迪公司生产的，还有一种类似的市场产品是美国的TSI公司生产的APV（Adaptive Phase/Doppler Velocimeter)系统。这两种产品的测量原理和组成是基本相同的。5 PDA系统的组成 粒子动态分析仪（PDA)主要由激光光源、传输光路系统、接收光路系统、信号处理器、计算机（包括硬件接口与软件）、三维自动坐标架等组成。 678 光的三种散射方式9与光的三种散射方式对应的三种接收方式10目前常用的测速方法有：l皮托管测速法l热线风速仪测速法l相位多普勒风速仪测速法11相位多普勒测速仪的优点：l对流场无干扰；l输出特性的
3、直线性好，无须标定；l测量精度不受流体折射率以外的其他物理性能的影响；l空间分辩率高、无惯性，因而频响特性好；l测速范围广，可以从10-3mm/s级的低速至超音速；l测量方向特性稳定；12 PDAPDA可以应用于下列领域可以应用于下列领域：l液滴尺寸的测量l喷射特性的研究l燃烧系统的研究l燃油喷射器的研究l气泡的动态特性的研究l两相流的研究l一到三维速度场的测量13PDA在国内的应用： 现在国内大约有20多家单位拥有PDA测量系统，应用遍布动力、医药、消防等领域。l动力方面：用来研究锅炉炉膛、燃气轮机燃烧室中的流场情况；涡轮机气液两相喷嘴的喷雾特性等等；l医学领域：用来测量注射液中的不溶性微粒
4、及检测药品的粒度分布；l消防领域：用来研究超细水雾的雾场特性。14151617激光多普勒效应 当激光照射到跟随流体一起运动的微粒上时，微粒散射光频率将偏离入射光频率。这种现象就叫作激光多普勒效应。PDA就是利用激光多普勒效应进行流速测量的。 18颗粒速度测量原理19颗粒速度方向测量原理 当两束频差很小且恒定的光束在流体测量区相交时，产生光混合而形成一组移动的干涉条纹。两束光频差为fs, 移动速度为 当微粒穿过测量区条纹时，其散射光将出现忽明忽暗的闪烁现象，散射光的闪烁频率 为： “+”号表示条纹移动方向与微粒运动方向相反，“-”表示两者方向相同。20颗粒粒径测量原理21 PDA粒径测量是根据米
5、氏散射理论，采用相位差法，即把多个检测器采用不对称方法放置，将各检测器产生的信号进行比较，各检测器信号间呈现相位差，在很宽的尺寸范围内相位差与粒子直径成线性关系。这样，只要测得相位差就可以求出粒子直径。粒径测量范围是0.5-13000m。颗粒粒径测量原理22 浓度不能直接测量，只能通过测得垂直于主轴方向的测量体截面的颗粒数量、颗粒速度和粒径分布后，用软件计算得出。浓度测量的准确性与PDA系统的参数设置及颗粒折射率等因素密切相关。在实际测量中，浓度的测量精度要远比速度、粒径的测量精度低。PDA系统的最大测量浓度为106/cm3 浓度测量原理23课题简介 本课题以元宝山电厂3炉为原型，根据再燃改造
6、方案，设计建造冷模试验台，应用PDA对试验台的再燃区和燃尽区的流场进行测量，了解实行再燃改造后再燃区和燃尽区的空气动力场特性。24试验台系统图 1-电机 2-料斗 3-螺旋给粉机 4-流量计 5-再燃风管 6-喷口 7-槽钢支架 8-玻璃窗 9-清粉口 10-炉膛 11-风道 12-多管除尘器 13-吸风机 14-布袋除尘器25试验窗口段的设计 使用PDA测量流场，必须将激光光束射入试验段，试验段就需要开窗。设计窗口段时应考虑到PDA的测量深度、镜头支架的宽度、三维坐标架的移动范围及发射镜头与接收镜头之间的角度这些因素的影响。我们试验中的系统发射镜头与接收镜头之间的角度为145，最大测量深度为
7、500mm，在实际应用中，在宽度和深度方面的设计中应留有一定的余量。此外，实验段窗口不能为弧形，否则就会发生聚焦点分离的问题。26测量区域示意图27示踪粒子的选择 利用PDA 测量流速，实际上是测量悬浮在流体中跟随流体一起运动的示踪粒子的速度，所以示踪粒子的选择是十分重要的问题，它直接关系到试验结果的可靠性及其真实物理意义。28合格的示踪粒子应具备以下基本特性:l具有良好的跟随性l具有高的散射效率l具有良好的物理化学性质l清洁的l便宜的l无毒、无腐蚀、无磨蚀的29在气液两相流实验中常用的示踪粒子为:l水蒸汽l硅油30在气固两相流测量中常用示踪粒子性能对比粒子名称 粒子特性 效果评价 价格 滑石
8、粉 形状不规则，白色固体，表面较光滑 跟随性差，反光性差 低 三氧化二铝 形状不规则，表面较光滑 跟随性较差，反光性较好 较低 玻璃微珠 球形度好，白色固体，表面较光滑跟随性较好，反光性较好 较高聚苯乙烯胶粒 灰色固体，球形度好，表面光滑跟随性好，反光性好 昂贵 31粒子的添加浓度选择l粒子浓度太大时将会出现失真的多普勒信号，得到超出仪器量程的畸值。此外，微粒浓度过高时，附着在信号窗口上的微粒也会很快增多，容易污染窗口、产生噪声。l浓度太小时，取样时间延长，其测量误差增大。 推荐的粒子添加浓度为105-107/cm3。 32 速度的转换 根据PDA测速原理，测得的速度U1，U2，U3的正方向分
9、别为三束光的频移方向。在对实验段的速度数据分析之前，需先将测得的速度转换为与实验对应的垂直速度分量。3334 根据实验段坐标第与标准正交速度系之间的角度关系，确定出如下的速度变换矩阵。35紫光测速的误差 对于三维测量系统，三束光各有自己的测量体，蓝光的测量体与绿光的大体重合，但是紫光的测量体，其长轴与蓝、绿光的测量体长轴有较大的夹角。在测量过程中出现了紫光速度偏大的测量结果。丹麦专家认为这种情况属于系统误差，是无法避免的。36光线逐渐变暗甚至消失 这一问题在试验中经常碰到且现象比较明显，严重影响了测量速度，而且对于浓度的计算产生了较大的影响。对这一问题，丹麦专家认为是热效应引起的，并没能提出进
10、一步的解决方案。37coincidence与non-coincidence测量 在3D-PDA的测量过程中，若选择non-coincidence方式测量时，Validation和Sphere Validation的值相对较高，能达到90%左右，而改用coincidence方式测量时，这两个值变得较小，比如说20-30%，并且测量速度变慢，好多测量点2分钟刚测到几十个甚至几个粒子。38解决方法 调整测量体交点及BSA软件方面的设置,Validation和Sphere Validation提高，能达到50-55;测量速度方面提出了采用软件相关的测量方式，这样采集速度相对较快。39几点建议：l测量前应仔细阅读BSA软件说明书的5-7章，对参数设置及测量结果有一定的了解；l在移动三维坐标架时要注意方向，避免破坏镜头；l测量时应注意安全。40 Thank you ！414243
