管流测试中激光技术的应用及分析

王 军耿 介李 东王心慧

（1.山东大学 能源与动力工程学院，济南 250061；2.山东建筑大学，济南 250101）

管流测试中激光技术的应用及分析

王 军1,2耿 介1李 东1王心慧2

（1.山东大学 能源与动力工程学院，济南 250061；2.山东建筑大学，济南 250101）

利用二维频移激光多普勒测速仪对管内流动进行速度场测试，测试结果表明，随雷诺数的增加轴向速度增长较快，平均速度剖面图显示出流动逐步由过渡区进入紊流区；径向速度在接近管轴区域时，由于主流区的作用变化较为平缓，远离管轴的区域径向速度的波动幅度和频率随雷诺数的增加而变大，近管壁区由于粘性力作用的增强，径向速度的数值和波动幅度显著降低。

管内流动 激光 雷诺数 粘性力

引言

管内流动是工业过程中最常见的现象之一，流体在管内的流动是不稳定的，其流体动力学特性非常复杂。科研人员对管流的研究做了大量工作，由于其流动性质具有特殊性，因此，对它的研究具有重要意义。激光自出现以来，在多数场合得到广泛应用，对速度的测量是其中的一个重要方面，激光测速技术在流场测量中的应用可以获得更多的流场信息。传统测速方法需要把测速装置布置在流场中，对流动产生一定影响，使误差增大，激光测速技术的应用有效解决了这个问题。多普勒测速仪利用布置在流场外的激光发射器照射流动颗粒，利用颗粒本身的特性获得流场详细信息，不会对流场产生干扰，具有较高的准确度，因此，在很多场合得到广泛应用[1]。

1 实验原理及装置

多普勒测速仪[1-2]利用运动颗粒散射光的多普勒频移来获得颗粒速度信息，大多数颗粒如空气中的尘埃、水流中的杂质等，它们的尺寸和浓度都可以满足多普勒测速的要求，而且都可以随流体较好地流动，因此，通过多普勒测试可以获得流场的详细信息。

整个实验系统由水循环系统和多普勒测试系统组成。测试段采用直管段，用有机玻璃材料制作。多普勒测试系统[3-5]如图1所示，主要由激光发生器、入射光系统、接收光系统，信号处理器、计算机、坐标架系统组成。

图1 多普勒测速系统

2 系统调整及实验方案

2.1 系统调整

水循环系统[6]负责流动状态的维持和流动的调整，通过控制阀门的开度来调节管内的流量，以形成不同流态下的流动。半导体激光器的发射光单元放置在主导轨上，在导轨上通过摇臂滑动可适当移动位置，对不同位置进行测量，激光器发射出的三束入射光应严格相交。

接收光单元的接收透镜光轴线应尽量与入射光单元的光轴线位于同一轴线上，确保接收器高度与入射光单元一致。

2.2 实验方案

半导体激光器对环境温度比较敏感，工作前一般应预热30min，保证激光发射器工作的稳定性。按照三维坐标架的技术参数对LDV进行调整。根据管内流动特点，近壁处流速变化较大，进入主流区后变化趋缓，近壁处测点布置加密以便反映流动特点。

3 实验结果分析

3.1 LDV和DPIV的实验结果对比

选取Re=5 400的轴向速度分布进行分析，该流动雷诺数和Westerweel实验里的雷诺数非常接近，对本文的实验数据和Westerweel的实验结果进行对比分析[7]。

图2 LDV和DPIV的实验结果对比

图2给出了圆管流动的统计结果，在图2中，Wester代表Westerweel[7]的DPIV结果。从图中可以看出，平均速度剖面在该雷诺数下的趋势和Wester实验结果吻合。相比在远壁段两种实验的吻合度较高，在近壁端，由于管壁影响的微小差别，吻合的趋势有一定变化，但速度变化的总体趋势一致。

3.2 流场轴向速度变化情况分析

通过阀门调节控制流态变化，获得速度场的分布。选取了雷诺数为2000、2400、3800、5400和7800五种流态下的测试结果进行分析，考虑到流场的瞬时性和突变性，为了更好地反映速度变化情况，比较不同流态下的流场变化，把相关参数无量纲化，以便在同一基准上对流动作进行分析。

图3 轴向速度分布图

图3为轴向速度分布图，r以管中心为起点，管内壁为终点。由图3可看出，脱离近壁区后为主要加速区，由于粘性力的影响减小，随雷诺数的增加，轴向速度增加较快。雷诺数较低时，轴向速度曲线比较平缓，雷诺数大于5 400时，曲线形状变化比较明显。当Re=2 000，r/D小于0.475时，流动区域逐渐向管中心移动，轴向速度出现较大幅度增加；当Re=5 400，r/D小于0.487时，轴向速度才出现较明显的变化，说明随流动雷诺数的增加，主流区的范围扩大。不同雷诺数的流动均在管道中心轴上获得最大速度，随雷诺数的增加，最大速度的数值有较大幅度提升。

3.3 流场径向速度变化分析

图4 径向速度绝对值分布图

图4为不同雷诺数下径向速度取绝对值后的分布情况，雷诺数为3 800时，径向速度近似为零，随测量点位置的变化，径向速度变化不明显。雷诺数为5 800时，径向速度绝对值波动趋势增强，距离管轴线较近时，波动较平缓，随着与管轴线距离的增加，波动的幅度变大，而且波动的情况具有随机性。雷诺数达到7 800时，径向速度波动的幅度进一步增加，和雷诺数为5 800时相比，在距离管轴线较近的位置，径向速度就出现了较大幅度变化，且波动的幅度、频率、随机性要高于雷诺数为5 800时的情况。

雷诺数为5 800和7 800时，在距管轴线较近的位置，径向速度绝对值的变化都比较平缓，但前者更为明显，原因是雷诺数为5 800时，流动受主流区的影响较大，随着逐渐远离主流区，两种雷诺数下的径向速度都出现了较大变化，流动进入湍流区。

4 结论

（1）本文利用二维频移激光多普勒测速仪对流体管内流动的速度分布进行测试，获得了不同流态下的速度曲线，在相近的雷诺数下，轴向平均速度分布测试结果和Westerweel的DPIV测试结果基本吻合，证明了实验结果的可靠性。

（2）主流区流动对径向速度的变化有一定影响，特别是随雷诺数的降低，这种影响逐渐加大，在距离管轴较近的位置，主流区轴向流动较强，造成径向速度波动趋缓，随着距管轴距离的增加，径向速度波动的幅度变大。

（3）流动过程中，粘性力对径向速度的变化有明显作用。雷诺数较小时，粘性力的影响较大，径向速度波动的幅度减小且绝对值下降明显，随雷诺数的增加，虽然径向速度波动幅度增加，但近壁处受到粘性力作用，速度绝对值快速下降。

[1]沈熊.激光多普勒测试技术原理及应用[M].北京：清华大学出版社，2004.

[2]F.杜斯特，A.梅林，J.H.怀特洛.激光多普勒测速技术的原理和实践[M].北京：科学出版社，1992.

[3]Zhou Jian. Application of Frequency Spectrum Refinementand Correction Technology in Laser Doppler Velocimeter[J].Laser&Infrared，2010，（2）：146-151.

[4]Liu You, Yang Xiaotao, Ma Xiuzhen.Technique of Flow Field Measurement Based on Laser Doppler Velocimetry. [J]. Laser&Infrared，2012，（1）.

[5]He Chunsheng, Zhang Hongjun,Wang Tianyu. A Study on the Image Processing Method in Doppler Global Velocimetry[J]. Chinese Journal of Scientific Instrument，2011，（32）.

[6]Liu Yonghui, Du Guangsheng,Liu Liping,Shao Zhufeng,Zhai Chengyuan.Experim-ental Study of Velocity Distribution in the Transition Region of Pipes[J]. Journal of Hydrodyn-amics，2011，（5）：643-648.

[7]J.Westerweel，A.A.Draad，J.G.Th.Vanderhoeven，J.VanOord. Measurement of Fully-dEveloped Turbulent Pipe Flow with Digital Particle Image Velocimetry[J].Experiments in Fluids，1996，（20）：165-177.

Application and Analysis of Laser Technology in Pipe Flow

WANG Jun1，2,GENG Jie1, LI Dong1,WANG Xinhui2
(1.School of Energy and P ower Engineering, Shandong University, Jinan 250061;2.Shandong Jianzhu University,Jinan 250101)

A t wo-dimensional Laser Doppler Velocimetry was utilized to test the velocit y field of a pipe.The t est results show that axial velocity is increas ed with the improvement of the Reynolds number, the profile of average velocity shows that the flow is gradually shifted from the transition zone to the turbulent region. Radial velocity near the pipe axis changes more gently by the action of mainstream area; with the increase of the Reynolds number, the amplitude and frequency of radial velocity fluctuation are improved in the area away from pipe axis. Because of the effect of viscous force the value and fluctuation amplitude of radial velocity decreases significantly in the region near the pipe wall.

pipe flow, laser, reynolds number, viscous force