温度场及速度场实验.doc

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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：0.5（045）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温度计0.1上海医用仪器厂1个标定热

2、电偶型超级恒温器501A 上海实验仪器厂有限公司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采集卡及配套软件ADAM40180.001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

3、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+300，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 。 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

4、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

5、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 实现温度值在计算机上的显示及记录。温度采集过程可以由下图表示：温度值电势差温度采集计算机热电偶显示并记录温度值2.速度场测量系统

6、 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，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。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。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

7、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

8、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，当两次曝光时间足够小时，有 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-x1和y=y2-

9、y1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，即要求足够小。同时要求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

10、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

11、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，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

12、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；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

13、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

14、，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t已知），如何匹配图像中的粒子对进而提取位移信息是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

15、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一致，所以不需要附加的装置就可判断粒子运动方向；另外互相关方法的测速范围和测量精度都比自相关法要好，因此可以更好的适用于流场中存在方向流动或强紊流的情况。但是互相关法在应用上也存在着一定的限制，即当成像记录系统的空间分辨率比较高或测量流速很高的流场时，要求两次曝光图像之间的时

16、间间隔要足够小。在解决这一问题时，可以利用CCD相机硬件的性能，将其设定成隔行扫描模式，这样两次曝光的时间间隔就可以压缩到10s，而目前TSI公司应用跨帧技术则可以实现在软硬件设备无重大改变的情况下使两光脉冲时间间隔小于5s，大大改善了PIV互相关技术上的测速限制。 综上所述， PIV系统需要有能够准确反映流场流动的失踪粒子、性能优良的脉冲激光系统、高精度的CCD相机以及大容量高速度的图像处理系统才能实现其对不同类型的流体流动的测量，目前PIV的产品已走向市场，美国TSI公司、Aerometrice公司和丹麦Dantec公司等均有成套产品推出。本实验采用的是TSI公司推出的PIV测量系统，下文

17、将会加以简单介绍。 PIV实验台作者在流体机械国家专业实验室搭建了模型内流场测量试验台，其中模型尺寸如上一节所述。模型整体采用8mm厚有机玻璃制成。本次试验所用的试验台如下图所示，激光发生器及其配套设备由美国TSI公司生产，生产日期为1998年4月，出厂编号为3627。该PIV试验台有以下基本构成：YAG脉冲激光器：本PIV测量系统中的激光光源系统是由两台Nd：YAG激光器及光路调整系统封装成一体组成的。激光器的工作频率为10Hz，脉冲能量设定为高、中、低三档可调（最大值为300mJ），脉冲间隔时间可以从几微秒到几百毫秒大范围调整，本试验根据被测面的速度不同而在1000s1600s之间进行调整

18、。测量时，两台激光器由同步器分别触发，产生的两束激光脉冲在光源系统内部的光路系统合为一体，然后通过光臂引导到固定在坐标架上的蜗壳的顶部窗口，由球面镜和柱面镜组成的透镜组将其变为测量所需要的片光源，片光的厚度通过调节光臂的位置来控制，测量时要保证其厚度小于1mm。太厚则会把三位的速度“压入“二维，导致测量结果无法准确地反映被测流场的二维速度分布，在实验中要认真进行调整。 CCD相机： 本PIV测量系统中的粒子成像记录系统是标准 型PIV CAM 10-30型互相关CCD相机，它的分辨率能够达到1018像素*1008像素，最大图像采集速率为30帧/秒。该相机采用了“跨帧”技术和数据矩阵快速传输技术

19、，可以将两帧图像之间的曝光时间间隔控制在1s以下，能够满足曝光时间应当短的要求。在进行实验测量时，CCD的采集区域不宜过大，本试验中根据被测位置，设定图像规格为70mm70mm，。同步器 同步器的作用是控制激光脉冲的发出和图像采集的顺序，从而保证系统中的所有部件都能够按照一定的时间顺序协调运行。在同步器上可以设置激光的工作方式（本试验为双脉冲式）、CCD的工作方式、脉冲的延迟时间和双脉冲的时间间隔等参数，系统工作时，CCD的帧同步信号为主同步信号，同步器通过捕捉CCD的脉冲信号结合设定的脉冲延迟时间和脉冲时间间隔来准确地控制激光器的发光。 示踪粒子及其发生和散布技术：如前文所述，示踪粒子应当具

20、有良好的随动跟随性和对特定波长激光较高的折射率，并且应当在流场内均匀分布并且浓度适合。实验要求能够向模型内部保持释放连续性的示踪粒子，由于本实验中气体流速比较低，决定选择烟雾微粒作为示踪粒子，烟气颗粒粒径不超过10m，粒径分布范围集中，连续性及浓度容易控制和调节，粒子激光散斑也可以满足PIV测试的要求。粒子图像生成软件：本PIV测量系统中采用的控制和图像处理软件为TSI公司配套推出的Insight NT，工作平台式Windows NT4.0。该软件具备连续捕获1000帧高分辨率图像的能力，还能够对图像进行批处理操作，从而快速得到被测流场的二维速度分布。三维坐标架控制系统 本PIV系统的三维坐标

21、架控制系统为TSI公司配套产品，由坐标支架和数显式坐标控制箱两部分组成，其主要作用是为了改变片光的空间位置。坐标架用于固定和支持激光发射口，控制箱可以显示激光发射口当前的空间坐标值。实验中，如果需要取得多个被测面的速度信息，则要求片光的位置可以快速准确的进行变换以便能够照亮不同的被测区域。由于控制箱上的坐标值以数字形式显示，比较直观，因此可以非常方便地进行片光位置的调整。对于PIV的试验过程，以流程框图 的形式来描述。散布示踪粒子片光照射成像记录取样量化加强筛选相关性预估确认分析流场结果（获取图）（调整像）（识别）本文实验的目的是为了验证Fluent软件对所建物理数学模型计算的正确性，为了达到

22、这个目的，再综合考虑实验室的实际情况，决定在垂直于风口的断面上进行拍摄。由于物理模型具有对称面，没有必要在对称面上进行两次实验，只需选择一面拍摄即可。在实际进行实验的过程中，遇到了如下问题：相机拍摄范围过小，而本实验模型又相对过大，因此无法进行太多截面的拍摄实验；激光发生器光臂长度有限，无法完整地拍摄到模型靠近送风口处；释放烟雾后会导致模型内部透光性变差，CCD相机无法拍摄到模型中间的对称面。在综合考虑实际情况后，决定拍摄距离外壁面150mm的部分截面；另外回风口附近速度梯度会比较大，拍摄此处的流场也会更加有意义，因此选择拍摄该位置的一个截面；排风口过高，在使用PIV拍摄时很难解决对光、调焦等

23、问题，因此本实验放弃拍摄排风口风速。拍摄具体的拍摄位置见下图 所示。另外，为了获得更加清晰的粒子运动图像，在需要拍摄的位置，重新开设了两个400mm400mm的3mm厚无色玻璃窗口。同时这两个窗口也将作为操作口，方便在对光、调校时置入、取出标尺。使用无色玻璃能够满足实验要求，同时又比光学玻璃造价低很多。由拍摄得到的粒子图像看，选用无色玻璃是经济可行的。3.3.4 实验方案设计本次实验制定了一种实验方案，目标是测试室内热源分开布置的情况下，采用置换送风，室内的温度场以及速度场分布。3.3.5 实验方法每次进行实验的方法如下： 布置好模型内部的热电偶； 打开风机及电炉，通过调节阀门使送风参数保持在

24、要求的范围。 当实验室内各个热电偶处的温度都达到稳定状态时（各个热电偶的温度在相当长的一段时间内没有太大波动），记录热电偶温度； 打开模型上开的窗口，置入标尺，调整PIV的激光器的位置，再通过调整光臂位置使激光能够准确地打在所要拍摄的截面；调整CCD位置，使其能够拍摄到要求的范围；调焦，保证CCD能够拍摄到清晰的画面； 取出置入模型内的标尺，将取下的窗口再装回模型，并等待模型内温度场重新稳定； 待温度场稳定后，通过送风管道向模型释放烟雾，并使用PIV拍摄所需截面； 更改拍摄截面时，需重复步骤； 实验结束，关闭风机及电炉。3.3.6实验结果及处理1.温度场实验结果及处理 实验结果在温度采集过程中

25、，温度采集板有某几个接口出现故障，所以最后36对热电偶温度不能全部采集到。采集到的温度数据如下表 所示。实验结果为同一个实验步骤重复三次进行测量所得数据的平均值。标号标定温度标号标定温度标号标定温度1-023.1212-022.7193-022.7971-124.0582-122.9053-123.0681-224.6042-223.4713-223.9971-325.1622-323.583-323.931-425.8272-424.2863-424.1871-526.9682-53.3023-514.794-025.4675-022.7636-044.6044-124.1045-124.3336-121.5364-225.4235-222.1246-223.4154-322.3885-322.5516-322.4454-423.7535-512.8476-422.7974-521.1985-616.8086-522.056 结果分析及处理2.速度场实验结果及处理 实验结果 结果分析及处理