现代流动测试技术大作业.doc

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1、精品文档，仅供学习与交流，如有侵权请联系网站删除现代流动测试技术大作业姓名：学号：班级：电话：时间：2016 第一次作业1）孔板流量计测量的基本原理是什么？对于液体、气体和蒸汽流动，如何布置测点？基本原理：充满管道的流体流经管道的节流装置时，在节流件附近造成局部收缩，流速增加，在上下游两侧产生静压差。在已知有关参数的条件下，根据流动连续性原理和伯努利方程可以推导出差压与流量之间的关系而求得流量。公式如下：其中：C流出系数无量纲d工作条件下节流件的节流孔或喉部直径D工作条件下上游管道内径qv体积流量m3/s直径比d/D 无量纲流体的密度Kg/m3测量液体时，测点应布置在中下部，应为液体未必充满全

2、管，因此不可以布置的太靠上。测量气体时，测点应布置在管道的中上部，以防止气体中密度较大的颗粒或者杂质对测量产生干扰。测量水蒸气时，测点应该布置在中下部。2）简述红外测温仪的使用方法、应用领域、优缺点和技术发展趋势。使用方法：红外测温仪只能测量表面温度，无法测量内部温度；安装地点尽量避免有强磁场的地方；现场环境温度高时，一定要加保护套，并保证水源的供应；现场灰尘、水汽较大时，应有洁净的气源进行吹扫，保证镜头的洁净；红外探头前不应有障碍物，注意环境条件：蒸汽、尘土、烟雾等，它阻挡仪器的光学系统而影响精确测温；信号传输线一定要用屏蔽电缆。应用领域：首先，在危险性大、无法接触的环境和场合下，红外测温仪

3、可以作为首选，比如：1）食品领域：烧面管理及贮存温度2）电气领域：检查有故障的变压器，电气面板和接头3）汽车工业领域：诊断气缸和加热/冷却系统4）HVAC领域：监视空气分层，供/回记录，炉体性能。5）其他领域：许多工程，基地和改造应用等领域均有使用。优点：可测运动、旋转的物体；直接测量物料的温度；可透过测量窗口进行测量；远距离测量；维护量小。缺点：对测量周围的环境要求较高，避免强磁场，探头前不应有障碍物，信号传输线要用屏蔽电缆，当环境很恶劣时红外探头应进行保护。发展趋势：红外热像仪，可对有热变化表面进行扫描测温，确定其温度分布图像，迅速检测出隐藏的温差。便携化，小型化也是其发展趋势。3）简述L

4、DV和热线的测速原理及使用方法。LDV（激光多普勒测速仪）测速原理：测量通过激光束的示踪粒子的多普勒信号，再根据与多普勒频率的关系得到粒子速度，粒子的速度也就是流体流动的速度。使用方法: 注意选择合适的两束激光束的夹角。当夹角增大时，对散射光功率分布来说，会使信噪比降；光学系统必须细致调整。热线测速原理：将一根细的金属丝放在流体中，通过电流加热金属丝，使其温度高于流体的温度，故将金属丝称为“热线”。当流体沿着垂直方向流过金属丝时，将带走金属丝的部分热量，是其温度下降。热线在气流中的散热量与流速有关，散热量导致热线温度变化而引起电阻变化，流速信号即转变为电信号。使用方法: 热线有两种工作模式：1

5、恒流式。通过热线的电流保持不变，温度变化时，热线电阻改变，因而两端电压变化，由此测量流速。2恒温式。热线的温度保持不变，如保持150，根据所需施加的电流可度量流速。恒温式比恒流式应用更广泛。由于热线测量本身属于间接测量，影响测量准确性的因素很多，单靠物理规律和测量原理是不够的，所以在使用中必须校准。4）简述动态压力传感器的标定方法和管腔效应，以及如何消除传压管和管腔效应对动态压力测量造成的影响。动态压力传感器的标定方法如下：1）标定步骤：将已知的标准值输入到待标定的传感器中，传感器得到相应的输出量。将输出量与输入的标准量绘制成曲线，即标定曲线。2）标定方法：荷重、应力、压力传感器等的静标定方法

6、是利用压力试验机进行标定，它们更精确的标定则是在压力试验机上用专门的荷载标定器标定。位移传感器的标定则是采用标准量块或位移标定器。3）标定要求：标定应该在与其使用条件相似的状态下进行；增加重复标定的次数，以提高测试精度；传感器需定期标定，一般以一年为期；对重要的试验，要求试验前后的标定误差，在允许的范围内。消除传压管和管腔效应对动态压力测量造成的影响的方法:可采用半无限管技术消除管腔效应的影响。使压力波经过一段相当长的距离后在管腔中无反射地传播，由于介质阻尼作用而最终消失，管腔内不会形成驻波，即不会形成压力共振现象，改善了管腔的频率特性。5）设计一套方案测量高亚音速或跨音速高温风洞的基本参数，

7、包括压力、温度、流量、速度和湍流度等参数。风洞工作雷诺数为105 量级，最高温度为400。测量方法应包括仪表布置和仪表型号、精度。压力测量：选用YTF-150H耐高温压力计，量程：0.1-160MPa，精度1%。流量选用：普通流量计使用温度较低，不能满足测量要求，因此选用超声波流量计如：TUF-2000H型手持式超声波流量计，精度大于1%，管径15mm6000mm。温度测量：风洞中的最高温度为400，则可以选用镍铬-镍硅热电偶测量风洞中的温度，如：TC-117K型高精度镍铬-镍硅K型热电偶，测温范围 -200-1372，精度：(0.05%测量值+0.3)。流量测量：由于流体最高温度为400，所

8、以必须选用耐高温流量计，针对本次测量可以选用毕托巴BTB-M系列高温高压高流速或者超高温超高压的蒸汽流量计。采用完整的金属腔结构，确保强度和刚性，以至于在高速气流的冲刷下不会发生机构损坏。使传感器在测量过程中取压更加稳定、精确。 配套使用温度、压力传感器对被测介质进行温、压补偿，以确保测量精度。它采用耐高温、耐冲腐的1Cr18Ni9Ti材料制造，最高测量温度可达650；测量压力可达32Mpa。测量范围广：气体流速大于1m/s，液体流速大于0.1m/s均可精确测量。速度、湍流度测量：为了测量湍流度，需要知道脉动速度，则可以选用热线风速仪或者多普勒测速仪，但是一般的热线风速仪不能满足温度和流速要求

9、，因此选用激光多普勒测速仪。如激光多普勒测速仪：产品编号：1718-000105005356，产品名称：激光多普勒测速仪，产品型号：LDV，产品铭牌：美国TSI，测速范围：150m/s-1000m/s， 精度：0.1%，适用于气、液或多相流的三维测量，采样频率：400MHZ800MHZ，测量量包括：平均速度、均方根、剪应力系数、湍流度以及各个统计参数关联分布，提供各参数的自相关、互相关、功率谱分析，最终数据文件可供Tecplot、Matlab调用，可以升级到相位多普勒测速仪，同时测量粒径和速度矢量，该型测速仪可以直接测得平均速度和湍流度，完全满足要求。仪器布置：对于温度，压力测量，需要在风洞侧

10、壁上打孔，将热电偶和压力计伸入流场进行测量，测点位置视测试要求而定。可以在风洞一周布置多个热电偶和温度计，将测得的平均值作为测量结果。流量测量采用超声波流量计，在风洞进口管道处进行测量。在需要测量速度和湍流度的位置布置可视化窗口，用激光多普勒测速仪测量流速的平均值以及湍流度。第二次作业随机过程实测动态信号的分析方法训练 以汽轮机调节阀内不稳定流动模化试验工况条件下的气流动态压力及其诱发阀杆振动与噪声实测结果为例，进行随机信号分析方法的训练。并结合流体力学相关知识和信号处理与分析方法，判断实测信号的平稳性、周期性，重点进行随机信号的功率谱估计，通过实测信号的时域统计分析和频谱分析，综合判断流动过

11、程的特征，并依据调节阀阀座关键测点的压力平均值和脉动值分布的规律，解释该流动特征，同时说明动态脉动压力信号波形、阀杆振动波形和噪声波形间的相关性或耦合从属关系。解题过程一、 动压1.实测信号的平稳性、周期性分析、绘制信号的频谱图，并进行功率谱估计分析：各信号的数字特征：动压41：最大值=2.3209；最小值=2.3025；均值=2.3122；均方值=5.3462；方差=6.0528e-06动压42：最大值=2.3279；最小值=2.3126；均值=2.3205；均方值=5.3848；方差=4.9065e-06动压51：最大值=1.0299；最小值=1.0103；均值=1.0208；均方值=1.

12、0420；方差= 5.0006e-06动压52：最大值=1.0330；最小值=1.0167；均值=1.0249；均方值=1.0504；方差=3.7459e-06动压61：最大值=2.5105；最小值=2.4790；均值=2.4988；均方值=6.2438；方差=1.3104e-05动压62：最大值=2.5142；最小值=2.4941；均值=2.5034；均方值=6.2672；方差=1.0947e-05周期性判断：当自相关函数在很大时并不衰减，则随机信号具有周期性。相反，不包含周期成分的随机信号，当 稍大时自相关函数就将趋近于零。从以上六幅图可以看出，动压脉动信号有较好的自相关性，自相关性特别明

13、显，所以可认为动压脉动信号为周期信号。平稳性判断：从六个信号的时域波形图中可以看出，信号均在平均值附近波动，信号波形的峰值峰谷变化比较均匀，所以认为动压脉动信号为平稳周期性信号。功率谱估计：从各个动压的功率谱估计图中易看出动压能量较大的频率均是低频，且峰值在100Hz之内。2.提取相关频段，寻找峰值对原始信号进行相关频段的提取，并过滤掉其他频段的信号。滤波后的功率谱估计结果如下图。分析：从滤波后的功率谱估计中可以看出，动压脉动信号的能量主要集中在频率为050Hz的范围内。至此，动压信号的功率谱分析完毕。二、 噪声1.实测信号的平稳性、周期性分析、绘制信号的频谱图，并进行功率谱估计分析：各信号的

14、数字特征：噪声11：最大值=0.1069；最小值=3.4343e-06；均值=0.0013；均方值=1.8799e-05；方差=1.6988e-05噪声12：最大值=0.0727；最小值=2.3621e-07；均值=7.5126e-04；均方值=7.2594e-06；方差=6.6951e-06噪声21：最大值=0.0790；最小值=7.2308e-07；均值=8.6404e-04；均方值=7.4816e-06；方差= 6.7350e-06噪声22：最大值=0.0775；最小值=2.4394e-07；均值=5.3733e-04；均方值=4.1106e-06；方差=3.8219e-06周期性判断：

15、当自相关函数在很大时并不衰减，则随机信号具有周期性。相反，不包含周期成分的随机信号，当 稍大时自相关函数就将趋近于零。从以上四幅图可以看出，噪声脉动信号有自相关性差，所以可认为噪声脉动信号为非周期信号。平稳性判断：从四个信号的时域波形图中可以看出，信号波动较大，信号波形的峰值峰谷变化剧烈，所以认为噪声脉动信号为非平稳信号。功率谱估计：从各个噪声的功率谱估计图中易看出动压能量较大的频率均是低频，且峰值在500Hz之内。2.提取相关频段，寻找峰值对原始信号进行相关频段的提取，并过滤掉其他频段的信号。滤波后的功率谱估计结果如下图。分析：从滤波后的功率谱估计中可以看出，噪声脉动信号的能量主要集中在频率

16、为0300Hz的范围内。至此，噪声信号的功率谱分析完毕。三、 振动1.实测信号的平稳性、周期性分析、绘制信号的频谱图，并进行功率谱估计分析：各信号的数字特征：垂直来流：最大值=25.5917；最小值=-25.1583；均值=-0.0421；均方值=26.7921；方差=26.790330度来流：最大值=29.2333；最小值=-33.5833；均值=-0.0461；均方值=51.3849；方差=51.382850度来流：最大值=29.1250；最小值=-32.0583；均值=-0.0514；均方值=50.4873；方差= 50.4847轴向来流：最大值=19.4417；最小值=-17.9917

17、；均值=-0.0282；均方值=17.4636；方差=17.4628周期性判断：当自相关函数在很大时并不衰减，则随机信号具有周期性。相反，不包含周期成分的随机信号，当 稍大时自相关函数就将趋近于零。从以上六幅图可以看出，振动脉动信号有较好的自相关性，自相关性特别明显，所以可认为振动脉动信号为周期信号。平稳性判断：从四个信号的时域波形图中可以看出，信号均在平均值附近波动，信号波形的峰值峰谷变化比较均匀，所以认为振动脉动信号为平稳周期性信号。功率谱估计：从各个振动的功率谱估计图中易看出垂直来流、30度、50度来流振动能量较大的频率在400-15000Hz之间，而轴向来流振动能量较大的频率在300-

18、500Hz之间。2.提取相关频段，寻找峰值对原始信号进行相关频段的提取，并过滤掉其他频段的信号。滤波后的功率谱估计结果如下图。分析：从滤波后的功率谱估计中可以看出，振动脉动信号的能量主要集中在频率为400Hz左右。至此，振动信号的功率谱分析完毕。第三次作业研究题目（任选一）：1）圆柱绕流2）自由剪切流3）圆孔自由射流4）根据自己的研究课题或研究兴趣自选一题目 如果对上述题目不了解，可以在网上搜索或查阅相关文献。研究目标： 任选一个研究题目，设计一套试验与测量方案，能用来研究气（液）流的瞬态流场、脉动主频率与雷诺数和斯托罗哈数或其它无量纲数的关系。基本要求：1）报告应提供试验系统和装置简图、试验

19、方案、测量方法和测量仪器仪表的性能指标或型号；2）报告应提供预期的测量精度；3）报告应简明扼要。离心风机叶轮内部非定常流动的PIV测量一试验系统设计整个实验系统由风机系统、PIV 测速系统、示踪粒子系统和电控系统组成。风机系统作为研究对象；PIV 测速系统完成流场的拍摄、图片处理和结果分析等功能，CCD相机和激光光源协同拍摄出流场照片，通过数据线路传到装有结果分析处理软件的主机处理器，处理后得到原始矢量图；粒子发生器通过压缩机把硅油示踪粒子雾化进入进气管，和空气混合由进气门进入叶轮内部；电控系统接收指令触发PIV系统，拍摄叶轮内流动粒子图像。二、装置简图离心风机实验装置图三实验方案作者分别设计

20、和制作了带圆弧形和直线形叶片扩压器的离心风机试验台,主要用于进行离心叶轮内部气流流动及扩压器、蜗壳等固定元件内气流流动特性的研究。整个试验测量装置如图1所示,由离心叶轮及静子元件、稳流段、直流电动机、可控硅整流柜四部分组成。试验用离心叶轮为闭式、后弯式单圆弧叶轮,用5mm厚的有机玻璃制定。为了能够使CCD照相机清楚地拍摄到叶道内的气流流动,在轮盖的一个叶道透明材料加工上安装了光学玻璃窗口。叶轮转速在03000r/min范围内无级可调。叶轮的几何尺寸参数如表1所示。类型外径（mm）内径（mm）进口安装角（）出口宽度（mm）叶片数单圆弧形 400260263014表1 离心叶轮的几何尺寸气流从叶轮

21、出来后进入无叶扩压器,再进入截面为矩形的蜗壳。在测量过程中,激光片光源分别通过蜗壳顶部的光学窗口进入叶片扩压器和叶轮流道内部,照亮示踪粒子。蜗壳前表面开有矩形窗口,窗口的大小刚好与所测叶轮的流道和扩压器流道大小一致。蜗壳出口与稳流段进口由一等截面的大小头联接,稳流段横截面尺寸为230mm320mm,长度为2000mm。段内按照TB1236-1985通风机空气动力性能试验方法的要求布置,有整流栅、节流网、压力测量探针、静压孔等,其分布位置如图2所示。叶轮转子由一台功率为5kW的直流电机带动,可控硅整流柜的作用是把交流电转换为直流电提供给直流电动机,并通过调节电流来改变叶轮的转速。激光片光源以叶轮

22、轮盖侧为基准平面,沿叶轮叶片出口轴向宽度分别以Z=15mm距离为测量平面。四、测量方法及测量仪器试验所用PIV激光器为脉冲式双Nd:Yag激光器,光源为脉冲式Nd:YAG激光器,工作频率为10Hz,可见光波长为532nm,每个脉冲能量为200mJ,脉冲宽度为9ns。PIV系统中采用的激光器是将两台Nd:Yag激光器及光路调整系统封装成一体的激光器,采用内循环冷却系统。由外同步装置来分别触发两激光器;所产生的两束激光脉冲,通过其内部的光路系统合并到一处。两台Nd:Yag激光器脉冲间隔的节可调整范围很大,从200ns到100ms,可以满足从低速到高速流动的测量需要。试验中所使用的是Nikon-80

23、s式互相关CCD摄象机,CCD采集速率为30帧/秒,每两帧图像之间的最小时间间隔约为015s。受激光器的工作频率(10Hz)的限制,系统的最大图像采集率为20帧/秒。由于互相关需要两帧图像来进行图像分析,这样系统最大采样率为10个速度场/秒。试验中采用同步器使激光器系统与CCD相匹配。在同步器上可以设置激光的工作方式(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。系统工作时,CCD的帧同步信号是主同步信号,同步器通过捕捉CCD的脉冲信号,然后根据所设定的脉冲延迟时间和间隔时间来控制激光器发光。试验中采用一个由球在镜和柱面镜组成的光学组件,将激光变为所需的片光,并通过光臂引导

24、蜗壳的顶部窗口,照亮CCD的采集区域。片光源的厚度小于1.0mm。在试验中要仔细调整。PIV系统的控制和分析软件为TSI公司随PIV配套的InsightNT数据采集及处理软件,其工作平台为WindowsNT。该软件具备连续捕获1000帧的高分辩率(1K1K)图象的能力;支持60M/s或90M/s的图象传输速率;具有批处理功能,可以实现对不同的图象在相同的位置进行速度分析;具有实时采集图象显示和分析能力。在应用PIV等激光系统进行流动测量时,需要示踪粒子作为光散射体,示踪粒子产生与释放是获得理想的测量结果的保证。选择示踪粒子时要考虑以下两个因素:(1)示踪粒子对气流应有良好的跟随性;(2)示踪粒

25、子应有较强的散射能力,即示踪粒子所产生的信号应有高的信噪比。示踪粒子的跟随性主要取决于粒子的直径,粒子的密度和形状等参数对其也有一定的影响。Lourenco(1997)对在定常加速流中粒子直径对粒子跟随性的影响进行了数值计算。研究结果表明,较大的粒子在强加速流动中存在明显的滞后,为了较好地跟踪高速流动,示踪粒子的直径应在015m左右。在具体应用中,采用LZL型示踪粒子发生器,选用丙三醇作示踪粒子,在入口处随主气流一起送入叶轮。选择激光两个脉冲间的时间间隔主要考虑了两个因素:(1)叶轮流场中速度。脉冲一和脉冲二在每一个查询区交叉相关,间隔不应太大,以免粒子在该间隔内从一个查询区移动到另一个查询区;该间隔也不应太短,否则不能测试到任何粒子的运动;(2)叶轮的位置。在两个脉冲的间隔内,叶轮会旋转到其它位置,两幅图所纪录的是叶轮在不同位置使得流场,所以该间隔应尽可能小,以减小由两个不同流场引发的交叉相关错误。试验中蜗壳的外壁和叶轮轮盖平行,CCD相机被放置在离心风机的前面,垂直于机壳的外壁。光学玻璃窗口和CCD照相机安装在转换系统上,便于分析流场沿叶轮宽度方向的轴向变化。试验是在离心风机的流量为0.232m3/s,转速为1200r/min的工况下进行。试验测量所得到的是绝对速度场,通过对试验数据的进一步处理,可以获得叶轮内部非定常流动相对速度矢量分布。【精品文档】第 8 页