基于二維激光多普勒測(cè)速儀測(cè)量低壓流場(chǎng)速度

尹鑫昊 周艷 朱寧 陳煒驕 彭曦真

【摘要】低壓流場(chǎng)中的速度分布對(duì)于流動(dòng)特性的理解和優(yōu)化設(shè)計(jì)具有重要意義。基于激光多普勒測(cè)速儀的測(cè)速技術(shù)是一種非侵入性、高精度的流場(chǎng)速度測(cè)量技術(shù)，其能夠?qū)崟r(shí)測(cè)量流場(chǎng)中各個(gè)位置的速度分布。本研究將基于激光多普勒測(cè)速儀測(cè)速技術(shù)對(duì)低壓流場(chǎng)中的速度進(jìn)行測(cè)量，并探究速度分布規(guī)律，為相關(guān)領(lǐng)域的研究提供重要的參考依據(jù)。

【關(guān)鍵詞】激光多普勒測(cè)速儀；低壓；流場(chǎng)；速度測(cè)量

【DOI編碼】10.3969/j.issn.1674-4977.2024.02.056

【基金項(xiàng)目】本文受自然科學(xué)基金-科市聯(lián)合項(xiàng)目“基于LDV測(cè)速技術(shù)的現(xiàn)場(chǎng)風(fēng)量測(cè)量方法及應(yīng)用研究”（2022JJ90052），自然科學(xué)基金-科市聯(lián)合項(xiàng)目“便攜式高精度風(fēng)量計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)裝置的研究”（2023JJ60534）資助。

Measurement of Low-pressure Flow Velocity Based on Two-dimensional Laser Doppler Velocimeter

YIN Xinhao， ZHOU Yan， ZHU Ning， CHEN Weijiao， PENG Xizhen

（Hunan Institut of Metrology and Test， Changsha 410014， China）

Abstract： Understanding the velocity distribution in low-pressure flow fields is of significant importance for the understanding and optimization design of flow characteristics. Laser Doppler velocimetry is a non-intrusive， high-precision method for measuring flow velocities， capable of real-time measurement of velocity distributions at various locations in the flow field. This research will measure the velocity in the low-pressure flow field based on the laser Doppler velocimetry technology and explore the rules of velocity distribution， providing important reference for research in related fields.

Keywords： two-dimensional LDV； low pressure； flow distribution； velocity measurement

0引言

近年來，低壓流體力學(xué)研究在能源、航空航天、化工等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。低壓流場(chǎng)中的速度分布對(duì)于流動(dòng)特性的理解和優(yōu)化設(shè)計(jì)具有重要意義。因此，準(zhǔn)確測(cè)量低壓流場(chǎng)中的速度分布成為研究的關(guān)鍵問題。基于激光多普勒測(cè)速儀（Laser Doppler Velocimetry，LDV）的測(cè)速技術(shù)（以下簡(jiǎn)稱“LDV技術(shù)”）是一種非侵入性、高精度的流場(chǎng)速度測(cè)量技術(shù)，能夠?qū)崟r(shí)測(cè)量流場(chǎng)中各個(gè)位置的速度分布。LDV技術(shù)通過激光散射原理，利用多普勒效應(yīng)測(cè)量流場(chǎng)中散射粒子的速度，從而獲得流場(chǎng)速度信息。相比其他測(cè)量方法，LDV技術(shù)具有高精度、高靈敏度和無干擾等優(yōu)點(diǎn)。目前對(duì)于低壓流場(chǎng)速度測(cè)量的研究還相對(duì)較少。因此，本研究將基于LDV技術(shù)對(duì)低壓流場(chǎng)中的速度進(jìn)行測(cè)量，并探究其速度分布規(guī)律。這項(xiàng)研究可以使我們更加深入地了解低壓流場(chǎng)的流動(dòng)特性，為相關(guān)領(lǐng)域的研究提供重要的參考依據(jù)。

1二維LDV技術(shù)簡(jiǎn)介

1.1二維LDV原理

二維LDV利用激光束照射到流場(chǎng)中的微粒，這些微粒會(huì)散射光線，被接收到的光線頻率會(huì)發(fā)生變化，然后根據(jù)多普勒效應(yīng)，通過測(cè)量光頻的變化來計(jì)算流體的速度。二維LDV在測(cè)量過程中需要兩個(gè)激光束，形成一個(gè)交叉的測(cè)量平面，通過測(cè)量?jī)蓚€(gè)平面上的速度分量，可以得到流場(chǎng)中的二維速度分布。具體可以分為以下幾個(gè)關(guān)鍵步驟：首先，激光束發(fā)射器發(fā)出一束高頻調(diào)制的激光束，通過光學(xué)元件使激光束聚焦在被測(cè)流場(chǎng)上的一個(gè)點(diǎn)上。然后，激光束經(jīng)過被測(cè)流體散射，散射光經(jīng)過光學(xué)系統(tǒng)聚焦到光電二極管上（如圖1所示）。最后，通過頻移分析可以得到散射光的頻移量，從而計(jì)算出流體速度。通過二維LDV技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)二維平面內(nèi)流體速度的測(cè)量。在實(shí)際應(yīng)用中，通過在不同位置的測(cè)量平面上進(jìn)行多次測(cè)量，獲得流場(chǎng)中的二維速度分布，從而對(duì)流體運(yùn)動(dòng)進(jìn)行詳細(xì)分析和研究。二維LDV廣泛應(yīng)用于流體力學(xué)、湍流研究、氣動(dòng)性能測(cè)試等領(lǐng)域。總體來說，二維LDV利用多普勒效應(yīng)和頻移分析來測(cè)量流體速度，通過交叉的測(cè)量平面獲得二維速度分布，為流體力學(xué)研究提供了有力的工具。

1.2二維LDV系統(tǒng)構(gòu)成

二維LDV系統(tǒng)主要由以下幾個(gè)部分構(gòu)成：激光器、光學(xué)系統(tǒng)、散射信號(hào)檢測(cè)和處理系統(tǒng)，如圖2所示。激光器產(chǎn)生一束高頻調(diào)制的激光束，光學(xué)系統(tǒng)將激光束聚焦在被測(cè)流場(chǎng)上，并收集散射光信號(hào)。散射信號(hào)檢測(cè)和處理系統(tǒng)用于接收和處理散射光信號(hào)，通過頻移分析得到流體速度信息。