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第５期盛森芝等：近ｌ‘年来流动测量技术的新发展１近十年来流动测量技术的新发展盛森芝徐月亭ＨＥ隶大学特赛流动测量研究中心袁辉靖北京１００８７１）１耶日盛森芝，１９３３年出生，１９５７年毕业于北京大学数力系．北京大学教授，周培源基金会理事，北京建大流体技术研究院院长．著有《流速测量技术》一书，曾获国家教委科技进步奖和优秀科技图书奖，是预移相型恒温风速计原理和ＩＦＡ一９００型智能流速测量系统’的主要发明人之一，该项发明获国家教委科技进步奖和国家发明奖．与美国ＨＰ公司、ＴＳＩ公司合作建立了两个现代化的研究中心．对产、学、研相结合的方针，对基础科学、技术科学和工程科学三者之间的关系等，有一系列独到的见解．摘要流动是一种跨行业、跨部门，跨学科的现象．现代卒气动力学、流体力学、热力学、水力学以及航空航天Ｔ程、水利水电工程、热能工程、流体机械丁程郁提出了系列复杂流动问题，其中包括高速流、低速流、臂道流、燃烧流、冲击流、振荡流、涡流、湍流、旋转流、多相流等等．这些流动都需要人们提供新的测量方法和新的量测仪器，使之能够适应单点向多点、平面向卒间、稳态向瞬态、单相向多相方向发展．这就促使人们不断利用新技术，发展新原理，采用新结构和新工艺，以政善仪器性能，增强讯号处理能力，提高仪器的测量精度，同时简化操作技术，使之便于推Ｊ＇‘应用．近ｌｏ年来，伴随着光纤技术．芯片技术、激光技术、数字信号处理技术，图形、图像趾理技术以及汁算机技术的日益成熟和完善，流速测量技术也随之得到了新的发展．木文就这些发展作…扼要介绍．关键词热线热膜风速计（ＨＷＦＡ），激光多普勒流速计（ＬＤＶ），相位多普勒粒子分析仪（ＰＤＰＡ），粒了成像速度场仪（ＰＩＶ），声学多普勒水流仪（ＡＤＶ）１热线热膜风速计（简称ＨＷＦＡ）技术的新发展【“４】ＨＷＦＡ的基础是一根无限长的圆柱体在无限人的流场中的热对流理论．１９１４年Ｋｉｎｇ推导了这一圆柱体的热对流方程，并且给出了方程的解，导出了热对流耗散和流动速度之间的关系，这就是著名的Ｋｉｎｇ公式，即Ｈ＝（Ａ＋ＢｆＵ）（Ｔｓ—Ｔｏ）（１）Ｒ其中打代表对流热耗散；Ａ、日为常数；ｕ为流动速度；珏为热线或热膜的丁作温度；蜀为环境温度．根据热平衡原理，热产生应该等于热耗散，因而有《尺。
《现代检测技术》综述前言:随着现代科学技术的不断发展、社会的日益进步，现代化生产的规模越来越大，管理的形式和方式趋于多样性，管理也更加科学，人们对产品的产量和质量的要求也越来越高，这就导致常规的检测参数、检测手段、检测仪表难以满足现代生产和生活的需求。
从一般的单参数测量到相关多参数的综合自动检测，从一般的参数的量值测量到参数的状态估计，从确定性的测量到模糊的判断等等，已成为当前检测领域中的发展趋势，正受到越来越广泛的关注，从而形成了各种新的检测技术和新的检测方法，这些技术和方法统称为现代检测技术。
检测的发展和现代检测技术：检测是指在各类生产、科研、试验及服务等各个领域，为及时获得被测、被控对象的有关信息而实时或非实时地对一些参量进行定性检查和定量测量，而工业化的发展则对传统的检测提出了更高的要求，为了保证生产过过程能正常、高效、经济的运行，严格控制生产过程中某些重要的工艺参数（如温度、压力、流量等）进行严格的控制，基于这样的理念现代检测呼之欲出。
1 检测的发展：检测技术是20世纪六十年代发展起来的一门具有广泛应运价值的交叉学科，发展过程经历了三个阶段。
(1)第一阶段是依靠人工为主。
通过专家现场获取设备运行时的感观状态，感知异常的震动、噪声、温度等信息，凭经验确定可能存在何种故障或故障隐患。
(2)第二阶段是信号分析监测与诊断阶段。
随着传感器技术、测量技术以及分析技术的发展，状态监测逐步发展为依靠传感器和测量仪器获取设备的工作参数(如频率、振幅、速度、加速度、温度等参数)，通过与正常工作状态下的参数进行对比，确定故障点或故障隐患点。
(3)第三阶段是现代化状态监测与故障诊断阶段。
随着信号处理技术、软测量技术、计算机技术和网络技术的发展，状态监测与故障诊断技术也发展到计算机时代，数据采集工作站采集现场的各种传感器信号，通过计算机网络将数据发送到远程的监测与诊断工作站，利用各种信号处理技术和分析软件对设备状态进行监测。
《现代流体测试技术》第三章流动显示技术刘宝杰，于贤君2015/6/15通过直观的影像可以看到什么？简单的物理现象可以揭示复杂的科学问题这些短片显示了气流的流动状态，都属于流动显示的范畴将看不见或者看不清的流动现象观测记录下来的方法就是流动显示。
要将复杂的流动现象显示出来，往往需要人为的创造条件，这就会形成不同的流动显示技术。
人们如何从“天圆地方”的认识转变到“地球是圆的”？人们的认识如何从“地心说”转变到“日心说”？人们从对各种物理现象的认识总是从最基本的感性层次开始，然后随着认识的加深而加以修正。
为什么要学习流动显示技术？•湍流的发现（O. Reynolds，1883）•激波的发现（E. Mach，1888）•附面层的发现（L. Prandtl，1904）•涡街（V. Karman，1919）•脱体涡流型（20世纪60年代）•湍流拟序结构/相干结构（S. J. Kline，1967）•大迎角分离流型（20世纪80年代）流体力学发展中的任何一次学术上的重大突破，及其应用于工程实际，几乎都是从对流动现象的观察开始的。
为什么要学习流动显示技术？⏹Da. Vinci（达. 芬奇，1452-1519）与流动显示湍流⏹Da. Vinci（达. 芬奇，1452-1519）与流动显示钝体绕流⏹O. Reynolds（雷诺，1842-1912）与流动显示Different Flow Phenomena in Tube流动显示技术的发展历史⏹Ernst Mach（马赫，1838-1916）与流动显示全尺寸风洞中车辆周围的烟线现代科学努力构造的世界图像不是来自推测，而是尽可能地来自事实，并依靠观察加以证实。
——马赫·E⏹L. Prandtl（普朗特，1875-1953）与流动显示Boundary Layer⏹S. J. Kline平板湍流附面层拟序结构的发现（Kline，1967）流动显示技术的发展历史达·芬奇雷诺马赫、普朗特Kline 被动记录（记录）主动观测（显示并记录）客观创造（创造环境，显示并记录）科学分析（有针对性地深入分析研究）科学技术发展的历史展示了人们对科学问题逐步认识的过程，也是我们研究问题最为合适的思考途径。
现代测流方法河流流量测量是水文工作者的重要任务之一。
传统的河流流量方法包括人工船测，桥测，缆道测量，和涉水测量等。
其基本原理是在测流断面上布设多条垂线。
在每条垂线处测量水深并用流速仪测量一至几个点的流速仪从而得到线平均流速。
进而得到断面面积和断面平均流速。
流量则由断面面积和断面平均流速的乘积得到。
流量测验(flow measurement；discharge measurement)，江河、渠道流量的实地测量。
流量测验有流速面积法、建筑物法、稀释法等多类方法。
可因地因时制宜和经济合理地选择使用。
江河、渠道的流量常随时间而变化，通常不直接用实测流量来反映变化过程，而是用实测流量和相应水位资料建立水位流量关系，然后用连续观测的水位资料转换成流量资料。
流量测验的次数及其在水位上时间上的分布，以能满足确定水位流量关系的需要为度。
下面，就着重介绍一下现代测流的几种方法。
流速面积法流速面积法这是使用最广泛的方法。
其基本原理是：通过横断面上单元面积的流量是该面积与水流速度(流速)的乘积。
分别测量各个部分的流速和面积即可求得流量。
此类方法要设置垂直于流向的横断面，进行断面测量。
一般要在断面上布设许多测深垂线，在垂线上测量水深，并测定垂线与岸上断面起点桩间的距离，即起点距。
施测水深可以用测深杆、测深锤、铅鱼或回声测深仪。
后者是用位于水面下的换能器发射超声波，声波遇到河床后反射回来，由仪器接受，按照声波的往返走行时间和巳知的声波在水中的传播速度来确定水深。
起点距则可通过缆索、视距、仪器交会等方法确定。
两相邻垂线起点距之差即部分宽，乘以部分平均水深，即为部分面积，其总和即断面面积，根据断面测量的资料，可以绘出以起点距为横坐标、河床高程为纵坐标的断面图。
对于断面稳定不变的河流，实测流量时不必每次都实测断面，可借用巳有的断面图，用水位计算垂线水深和面积。
流速仪法流速仪法是最基本的方法。
常规的作法是在部分或全部测深垂线上用流速仪测定流速，用部分平均流速与部分面积之乘积作为部分流量，部分流量的总和即为断面流量。
现代流体测试技术2013-2014学年第一学期现代流体测试技术期末试题一、什么是测量，举例说明3种流动显示技术，详述其特征。
详述流动显示中的纹影法、阴影法和干涉法。
1、测量是按照某种规律，用数据来描述观察到的现象，即对事物作出量化描述。
测量是对非量化实物的量化过程。
2、例举三种流动显示技术：静态法中的涂膜法：这是一种比较常用的方法。
这种方法就是在模型或原型表面涂以具有某种特性的涂料，然后置于流动中，根据涂层在试验中出现的图谱，可以分别定性地确定出层流和湍流区、转捩点位置、流动分离区、表面压力和表面温度分布等流动性状。
不同的涂料配方，涂膜法显示原理是不同的，选择涂料要视所显示的流动性状而定。
例如，利用某些涂料在不同条件下的蒸发、升华或溶解度的不同，就可在显示的图谱中区分出层流区和湍流区。
一般观察水流中边界层的转换，可用安息香酸添加对苯二酚、双醋酸醋、红丹粉与铬酸铅粉末等。
在气流中，显示边界层的层流一湍流所用的涂料有轻油，液体石蜡与碳粉或与二氧化氢混合成的涂料、以及混有挥发液的陶土等。
显示温度分布的方法是利用对温度敏感的涂料，如液晶，于已知其颜色是局部温度的函数，因此，根据表面图谱中的颜色分布，就得到物体表面的温度分布。
如果涂了涂料的物体表面在流动中可以变形，但又不影响流动，则流动对物面的不均匀压力分布，使涂层产生一个确定的表面起伏，据此可分析出压力分布的结果。
这种方法最适宜显示马赫波在壁面的反射，所用涂料是碳黑。
动态法中的光学方法：在高速气流中，于可压缩性，无法应用示踪粒子法。
于光学技术的发展，光学测试方法就在实验流体力学中得到十分广泛的应用。
虽然有各种光学方法，但其原理复杂，设备繁多。
光学方法的基本原理可归结为两种:一种是光线通过流场，光的折射率随流体密度而变，其折射偏转量与流场密度分布有关；第二种是受到流场扰动的光线相对于未受扰动的光线，产生相移，这种相移量与流场密度变化有关。
根据这两种关系，可设计出各种装置，对流场进行各种观测。
流动测试技术简介摘要：水利工程是国民经济的基础设施，水泵是水利工程中最重要的组成部分。
提高水泵效率，有利于节约能源，提高经济效益。
因此，知晓泵内流体的流动特性，流速分布尤为重要。
水泵几何结构及内部流动的复杂性，对内部流动的测量技术提出了苛刻的要求。
本文就水泵内部流场测试常用的三种现代测试方法进行总结介绍。
关键词：流动测试技术；五孔探针；LDV ；PIV1、三种测量技术介绍1.1 五孔探针技术探针测定恒定流场，其稳定性好、重复性好，对现场条件要求不高，适应性好，设备费用低，简便易行，测量精度高。
虽然近年来出现了许多现代流场测定方法，但探针在流场压力测定和条件复杂的现场流场测定方面，以及其简便易行的特点仍具有不可替代的地位。
1.1.1 五孔探针测流场原理毕托管的构造如图1所示，由图可以看出这种毕托管是由两根空心细管组成。
细管1为总压管，细管2为测压管。
量测流速时使总压管下端出口方向正对水流流速方向，测压管下端出口方向与流速垂直。
在两细管上端用橡皮管分别与压差计的两根玻璃管相连接。
图1 毕托管示意图如图，毕托管有两根细管。
一管孔口正对液流方向，90°转弯后液流的动能转化为势能，液体在管内上升的高度是该处的总水头gv g P Z 22++ρ；而另一根管开口方向与液流方向垂直，只感应到液体的压力，液体在管内上升的高度是该处的测压管水头（就是相应于势能的那部分水头）gP Z ρ+，两管液面的高差就是该处的流速水头g v 22，量出两管液面的高差H ∆，则H gv ∆=22，即H g v ∆=2,从而间接地测出该处的流速V 。
五孔探针应用该原理，利用头部感应部位上的五个感应孔，测量系统如图2所示，不仅可测出流场的流速分布，还可测出测点的静压、全压分布，根据轴向速度对面积的积分，即可间接测出测量断面的流量[1-3]。
图2 五孔探针测量系统1.1.2 提高测量精度的措施及误差分析1.1.2.1 测量系统选择探针系统的组成对针孔压差测量反应时间和测量误差有很大影响。
合理选择连接管管径、材料弹性有利于节省测量时间，提高测量精度。
用差压变送器测量针孔压差，反应速度较水柱测压计快50~80倍，针孔压差测量精度为%5.0=p δ时的反应时间为2~6s ，但需保证差压变送器的零点漂移满足要求。
1.1.2.2 探针杆挠曲影响与修正由于水体对针杆的绕流阻力大，当针杆插入流场的长度较长时，针杆会产生较大挠度，针头挠度最大，产生转角，从而造成测点位置误差和流速分量测量误差。
计算表明，标准探针测定轴向流速为6.0m/s 左右的流场，插入长度为355mm 时，轴向流速误差为1.0%。
因此，对该误差需要进行修正。
1.1.2.3 探针杆共振影响针杆绕流会产生周期性的卡门涡，当探针固有频率等于或接近卡门涡脱落频率时，探针就会发生发生共振，影响测量结果，甚至造成针杆的塑性弯曲，损坏探针。
因此，施测前对平均流速进行近似预估，选择合理的探针刚度，预测探针共振长度，布置测点时应该避开共振区域。
1.1.2.4 泵吸水室涡带影响测量断面位于水泵叶轮前，压力较低。
有些进水流道设计不良的泵站，如采用X 形流道的抽水站，叶片进口处会发生阵发性涡带。
涡带发生时，泵吸水室会发出低频振动，涡带区压力急剧下降，此时应暂停测量，待涡带过后再进行测量[3-6]。
1.2 LDV 技术激光多普勒测速仪技术（LDV ）有50多年的历史，是实验流体力学技术发展的一个飞跃。
1.2.1 LDV 技术原理在流场中加入微粒充当随流体运动的示踪粒子，当激光束聚焦到示踪粒子上时，会发生散射现象，用检测器接受散射光。
散射光和入射光的频率差就是激光多普勒频移。
多普勒频移是速度的函数，如公式1所示，测得频移就可以得到速度。
现在的（LDV ）系统均建立在上述原理之上[7,8]。
⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎭⎫ ⎝⎛+-=∆2sin 2cos 20ψψϕλvn f （1） 式中：υ为粒子运动速度；n 为介质的折射率；切为入射激光法线与粒子速度的夹角；ψ为接收器与入射激光的夹角。
随着光纤技术、集成技术、光电技术和计算机技术的发展，已出现了高频响的光纤集成LDV 系统，以及集成型一维和二维光纤探头。
二者组合可以测量三维速度。
现在正在向微小化、低成本、多功能及便携型方向发展[8,9]。
1.2.2 LDV 测量特点1）激光多普勒测量仪应用多普勒频差效应的原理，结构紧凑、重量轻、容易安装操作、容易对光调校；2）激光多普勒测量仪可以在恒温，恒湿，防震的计量室内检定量块，量杆，刻尺和坐标测量机等；3）激光多普勒测量仪既可以对几十米甚至上百米的大量程进行精密测量，也可以对手表零件等的微小运动进行精密测量；既可以对几何量如长度、角度、直线度、平行度、平面度、垂直度等进行测量，也可以用于特殊场合，诸如半导体光刻技术的微定位和计算机存储器上记录槽间距的测量等等[10]。
LDV 具有高频响、高精度、不干扰流场、易于判别流向等优点。
缺点是信号随机采样、信号不连续、单点测量、需示踪粒子、系统价格昂贵等。
1.3 PIV 技术粒子图像速度场仪技术（PIV ）有30多年的历史，它能够测量流体流动空间某一平面上的瞬时速度矢量场[7]。
1.3.1 PIV 技术原理基本原理是：用一个脉冲式激光片光源照射流场，用摄像机同步拍照，适当设置脉冲时间间隔，得到一系列互相关联的流场示踪粒子图像，然后进行图像互相关分析，就可以得到该时刻成像位置的速度矢量场。
PIV 技术的出现是现代流体力学实验技术的又一个重大发展是流动测试技术不断发展的产物，是激光、数字成像、计算机、光学等技术发展的结晶。
PIV 技术需要的相机具有很高的要求，特别是在流体的速度很快，区域很小，具有反光粒子的情况下。
测量时，需要相机在很短的时间内拍摄两张照片，可以让同一个粒子同时出现在两张照片上，利用能够以几kHz 的速度连续记录图像的高速摄影机或逐行扫描构架的相机可以达到要求。
由于高速摄像机采集图像的时间间隔最短大约为10μs ，这是让第一束脉冲激光在第一次曝光的末尾时到达，并让第二束激光在第二次曝光的初始时到达。
如果使用具有先进扫描结构的相机能在1μs 的时间间隔内拍两张照片。
图4显示的就是具有这样布局的一个传感器，第一张图片被记录以后，每个像素被直接转移到位于隔行扫描位移寄存器中，然后就可以获取新的图片，直到第一幅图片被移出去以后才会接收到第二幅图片，之后以同样的方式寄出。
因为第二张的曝光时间比较长所以可以在摄像机镜头前安装智能透过激光的滤光器来防止环境曝光过度[8]。
1.3.2 PIV测量特点1）无接触测量速度矢量，同时测量一个面上的速度场；2）测量精度高；3）测速范围宽：0－超音速；4）原理简单，受外界影响小；5）应用面广，可以用于微尺度流动测量（微米量级），也可用于风、水洞测量，多相流测量[11]；2、三种测量技术比较三种测量技术，在实际流场测量中，都有着较高的实用价值，各自具有自己不可替代的优点，当然也存在一定的缺点，下表1对三种测量技术进行了详细的比较。
3、结论本文所介绍的流动测试技术并不能代表流动测试技术的全部，例如HWA技术。
现代流动测试技术相对已较为成熟，但是，流体机械内部流动机理及流动细节的研究是目前该领域的前沿性热点研究领域，发达国家一直没有间断这方面的试验研究工作；同时，这又是一项非常艰巨的工作，需要多方进行合作[8]。
本文主要将几种测量技术进行介绍，并作了对比。
参考文献[1]王涛, 李飞行. 五孔探针结构和校准[J]. 现代机械. 2012, 4: 19-22.[2]Wendt and Reichert. A New Algorithm for Five-hole Probe Calibration, Data Reduction, and Uncertainty Analysis. NASA, Lewis Research Center, 1994, E-8319.[3]仇宝云. 大中型水泵装置理论与关键技术[M]. 北京: 中国水利水电出版社, 2005: 89-101.[4]仇宝云, 刘超, 等. 五孔测球在水泵流场测试技术中的应用[J]. 排灌机械. 1992, 10(1): 23-27.[5]钱涵欣, 李启文, 等. 五孔测球测流速场的数据采集与处理[J]. 水利水电技术. 1999, 30(5): 72-74.[6]仇宝云, 刘超. 探针杆挠曲对水流场测量的影响研究[J]. 水利学报. 1999(11): 7-11.[7]宫武旗, 黄淑娟, 徐忠. 现代流动测试技术在流体机械流动分析中的应用[J]. 通用机械. 2003, 7: 53-56.[8]宫武旗. 几种特种测试技术在流体机械内流场测试中的应用[J]. 燃气涡轮试验与研究. 2004, 17(3): 51-55.[9]Rao Jiang, Ge Manchu, Xu jiangzhong. Experiment Study of the Interaction of the Particle and the Wall of Rectangular Channel[R]. The Fourth International Conference on Pumps and Fans(4th ICPF), 2002.[10]激光多普勒测速仪[DB/OL]. . 2011-03-18/2016-02-21.[11]PIV流速仪简介[DB/OL]. . 2011-08-26/2016-02-21.。
