湍流的现代实验研究方法

[摘要]湍流是一种高度复杂的三维非稳态、带旋转的不规则流动，其复杂性使得其研究工作进展缓慢。随着现代电子计算机技术和实验测量方法的进展，湍流的实验研究方法取得了重大进展。文章简要介绍在热能工程领域使用热线热膜风速仪、激光多普勒风速仪、相位多普勒风速仪和粒子图像测速仪等测量技术对湍流进行测量和研究的应用。

[关键词]湍流；实验研究；热能工程

[作者简介]徐斌，广东省电力设计研究院，广东广州，510663

[中图分类号]TP27

[文献标识码]A

[文章编号]1007-7723(2009)09-0013-0003

一、前言

湍流是一种高度复杂的三维非稳态、带旋转的不规则流动，其各种物理参数都随时间与空间随机变化。从物理结构上说，可把湍流看成是由各种不同尺度的涡旋叠合而成的流动，这些旋涡的大小及旋转轴的方向分布是随机的。流体内部共尺度涡旋的随机运动构成了湍流的一个重要特点：物理量的脉动。

对湍流的研究已超过一百年了，人们发展出了如统计理论、边界层计算理论等多种湍流基础理论。但因为湍流物理量的脉动特性，过去通过实验只能测得其时均值，无法测得其脉动值，所以人们至今未能掌握湍流的基本机理。

随着现代电子计算机技术和实验测量方法的进展，湍流的实验研究得到了重大进展。特别是热线热膜风速仪、激光多普勒风速仪、相位多普勒风速仪和粒子图像测速仪等测量技术的应用，使得测量湍流流动中各物理量的脉动值成为可能。这些先进的湍流实验研究方法，不仅被用于湍流基础理论研究，也被大量应用在工程领域的湍流流动测量，能更好地解决工程实际问题。

本文简要介绍热线热膜风速仪、激光多普勒风速仪、相位多普勒风速仪和粒子图像测速仪四种湍流实验仪器的原理及其在热能工程领域对于湍流测量和研究的应用。

二、热线热膜风速仪(HWFA)

热线或热膜风速仪的敏感元件是一根细金属丝探针或敷于玻璃材料支架上的一层金属薄膜元件。其工作原理是将此探针或热膜元件置于流体介质内，用电加热，使其温度高于流体介质温度而产生热交换，利用此热交换率的大小，就可以求出被测对象的速度、温度甚至浓度的平均值和脉动值。

经过多年发展，采用数字化分析方法的现代恒温式热线热膜风速仪测量得到了广泛应用，可以准确测量湍流空间某点的平均速度、湍流度、脉动速度的均方根、雷诺应力、偏斜因子、平坦因子间歇因子、两点间的速度相关和时间相关、流体的温度等。其工作原理是在电路上保持热线的电阻恒定，即热线的温度保持恒定。这时通过测量热线的电流(即其两端的电压)随流场的速度的变化值，用电子计算机按一定要求的采样速度，把流场内连续的随机信号用A/D转换器变成离散的数字信号，然后用某些算法来加工处理，便可测量出流场的速度值。其优点是：(1)适用范围广，可用于气体或液体；(2)可测量平均速度、脉动值和湍流量；(3)可同时测量多个方向的速度分量；(4)频率响应高；(5)测量精度高。但其缺点为：(1)为接触式测量，探针会对被测流场流动产生一定扰动；(2)测量时必须保证流体流动方向在探针前一定的角度内；(3)如果流动方向与探针测量方向相反，无法测量；(4)测量前要对热线热膜风速仪进行校准。

哈尔滨工业大学的秦裕琨、张泽等采用热线风速仪，在四角切圆燃烧的流场中，改变水平浓淡风煤粉燃烧器的侧二次风与一次风动量比，对射流的刚性及湍流特性调节进行了详细的试验研究，并分析了其稳燃及防水冷壁高温腐蚀机理，得到了最佳的侧二次风与一次风的动量比范围。

哈尔滨工业大学的秦裕琨、孙锐等采用一维热膜风速仪对径向浓淡旋流煤粉燃烧器单相冷态湍流流场进行了试验研究，测量了脉动速度均方根、湍流度、平坦因子和偏斜因子在流场内的分布，得到了新型旋流燃烧器气流湍流特性参数的分布规律，用于研究径向浓淡旋流煤粉燃烧器的燃烧特性。

东南大学的李彦鹏、刁勇强等采用三维热膜风速仪对一大型四角切圆燃烧锅炉的旋流数进行了模型试验研究。测得了炉内不同位置处瞬时速度、脉动速度和湍动度分布，得到了表征炉内气流旋转强度的旋流数沿炉膛高度的分布规律，以此采取了减少残余旋转的措施。

三、激光多普勒风速仪(LDV)

激光多普勒风速仪(Laser Doppler Velocimeter，LDV)的原理是利用激光多普勒效应来衡量流体速度的变化。其在被测流体中加入示踪粒子，由于流体中悬浮着小粒子的运动，使散射光频率产生偏移，测出频率的偏移量就可以算出流体的移动速度。大量的实践证明，使用激光多普勒风速仪测量的湍流物理量是可以信赖的，尤其在工程应用领域。

现代激光多普勒测速仪主要由光路系统和信号处理系统组成。光路系统的工作过程为：激光光源产生激光束，激光束经过分光器被分成多束互相平行的入射光，再通过发射透镜聚焦到测量点，接收透镜收集运动微粒通过测量体时的散射光，再由光检测器转换成多普勒频移频率的光电流信号。信号处理系统主要由多普勒信号处理器和数据处理器组成。多普勒信号处理器主要对多普勒信号进行处理，如频率跟踪器、计数式处理器等，将频率量转换成数字量。数据处理器是通过各种数字量计算出各种物理量。

激光多普勒测速仪适合用于流速多变且不适合接触式测量的封闭空间流场中的测量；同时又因为频率测量与流动速度成线性关系，有时候不需要校准，这些是热线测量所不具备的。但因为激光多普勒测速仪价格昂贵，调整技术也比热线复杂得多，因此其使用迄今没有热线热膜风速仪广泛。

中国石油大学的王建军、金有海利用二维激光多普勒测速仪测量了旋风管内湍流流动的时均速度、脉动速度、能谱函数、微分尺度及湍流耗散等参数，对湍流特性参数分布进行了详细的描述，并初步分析了旋风管内湍流运动特性对颗粒分离的影响。

四、相位多普勒风速仪(PDA)

相位多普勒风速仪(Phase Doppler Anemome－try,PDA)是20世纪80年代以后由激光多普勒风速仪发展得来的一项可以同时测量流场中粒子的速度和粒径信息的新技术。一定条件下，球形粒子的直径同相位差成正比。因此，在原有的激光多普勒测速系统上再加一个或两个光检测器和一套相位检测系统，就可以从粒子多普勒散射光中的相位信息中得到流场中单个粒子的速度和粒径信息，这就是相位多普勒风速仪。其优点是：(1)可对液体流动或气体流动中的球形粒子、液滴或气泡的尺寸、速度和浓度进行实时测量。(2)对粒子尺寸、一维到三维流动速度和粒子浓度进行同步、无接触实时测量。(3)可以对以超音速、几乎静止不动或环流湍流中作反向流动的粒子的特性进行测量。(4)可进行测量的粒子尺寸范围从微米级到厘米量级。其缺点是价格昂贵、调整技术复杂。

相位多普勒风速仪的出现为气固两相流动的测量带来了很大的方便。

东华大学的苏亚欣、浙江大学的岑可法采用三维相位多普勒风速仪对方形下排气旋风分离器内气固两相流场进行了实验研究，并对流场、脉动速度、颗粒速度、湍动能、湍流强度等分布进行了讨论。边角区域的颗粒脉动强烈，湍流动能和局部湍流强度在边角附近取得较大值，表明此处两相流耗散了气流的能量较多，是造成分离器压力损失的主要区域之一。

清华大学的普勇、张健等建立了采用分级进风的旋流燃烧室实验台，用三维相位多普勒风速仪测量了湍流旋流燃烧的热态瞬时速度场。在一次风旋流数为0.59的工况下，得到了燃烧室内气体时均轴向与切向速度和轴向与切向脉动均方根值的分布。此研究最大的特点是为采用相位多普勒风速仪测量湍流旋流燃烧热态实验的瞬时速度场测量。

五、粒子图像测速仪(PlV)

粒子图像测速仪(Particle Image Velocimetry，PIV)是20世纪90年代后期成熟起来的流动显示技术，是利用粒子的成像来测量流体速度的一种测速系统。其工作原理如下：由脉冲激光器发出的激光通过由球面镜和柱面镜形成的片光源镜头组，照亮流场中一个很薄的面(1～2mm)；在于激光面垂直方向的PIV专用的跨帧CCD相机摄下流场层片中的流动粒子的图像，然后把图像数字化送入计算机，利用自相关或互相关原理处理，可以得到流场中的速度场分布。其优点是：(1)无接触测量速度矢量，可同时测量一个面上的速度场。(2)测量精度高，片光源面上速度精度0.1％，穿过片光源面方向0.2％。(3)测速范围宽：0～1000m／s。(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。(6)系统响应频率能够到达10kHz，大大提高了PIV系统观测流场时序变化的能力。(7)可同时观察流动的速度场和温度、浓度场。

因为粒子图像测速仪昂贵的价格以及出现较晚，在目前国内的热能工程领域应用很少，但其测量瞬时流场的场参数的优点，已经被国内从事热能工程研究的工作者所认同，相信其很快将会在国内热能工程领域得到广泛应用。

六、结语

热线热膜风速仪、激光多普勒风速仪、相位多普勒风速仪和粒子图像测速仪四种湍流实验仪器都是现在湍流研究中实现湍流测量的仪器，其各有优缺点和应用范围。

热能工程有许多领域的研究都要涉及到单相或多相流体湍流流动研究。热线热膜风速仪、激光多普勒风速仪、相位多普勒风速仪和粒子图像测速仪四种实验仪器为我们对这些湍流流动的研究提供了可靠的测量手段，为工程实际应用打下了坚实的基础。

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