流速测量方法综述及仪器的最新进展

　　人们对流动信息的关心由来已久。湍流问题被认为是经典物理学唯一没有解决的问题,最为主要的原因是描述流动问题著名的N-S方程的求解在数学上有很大的困难,目前尚没有看到直接彻底解决的希望,所以从根本上说,目前流体力学仍然是一门实验科学,许多问题的解决和实际流动模型的改进都依赖高质量实验结果的获得。研究流体力学的人都知道,流体的流动速度是流场最为基本的物理量,对流动特征的认识很大程度上取决于速度场的获得。大多数描述流场的导出量都直接和速度参量建立联系,如环量、涡量、流函数等等。目前的流速测量方法主要使用毕托管、热线风速仪、激光多普勒流速仪和粒子图像测速仪,其他方法均是基于这些方法的基本原理演变而来的。本文简单介绍了各种测速方法的基本原理和特点,结合TSI公司的产品介绍了仪器在实际实现方面的最新发展。

　　1　流速测量方法介绍

　　1.1　使用毕托管测速

　　自1732年法国工程师Pitot发明总压管以来,人们开始由压力测量结果和著名的Bernoulli方程计算出单点水流能量(压头)。1905年,流体力学大师Prandtl发明了总静压管,由此人们开始得到流场单点的平均速度。从原理上说,毕托管(Pitot Tube)测速基于流体力学的能量方程,在定常、理想无粘、不可压假设下即成为Bernoulli方程。一般来说,由于受到上述条件的限制,毕托管只用于平均速度测量或流量测量;另一方面,对总静压差的检测开始时采用液柱式微压差计,这也使得速度量的测量仅局限于平均值的反映。虽然人们在非定常、可压等条件下对Bernoulli方程在毕托管的应用中作了各种修正,但由于探针本身制作的困难和新的测量技术的发展,实际测量中很少应用,在特殊场合下测量的误差分析等实验理论问题也说法不一。毕托管属于单点、定常的接触式测量,对被测流场影响较大。目前,毕托管一般在工业级应用中比较普遍,或者做为其它测量方法的预估测量方案或辅助结果验证,很少真正作流体力学实验研究中最后的速度测量依据。目前从事研究型流动测量仪器的专业公司并没有专门毕托管的产品(TSI的产品分类中,毕托管于室内空气监测类仪器),这也从一个侧面反映出它在流速测量研究中的局限性。

　　1.2　使用热线/热膜风速仪测速

　　从基本原理的产生和第一次应用于流速测量,作为电子仪器的热线/热膜风速仪(HWA——Hot Wire/Film Anemometer)甚至早于机械式的毕托管。自从1902年英国人Shakepear提出初步方案并且进行实际测量和后来的King提出强迫对流换热模从而推导出King公式,热线风速仪伴随20世纪电子学的飞速发展,迅速在流体力学研究中特别是湍流的测量中发挥主导作用。由于其使用方便,频响高且不需要在流场中添加示踪颗粒,对流场没有透光等苛刻的要求,不但在实验室环境下的流动模型研究工作中,而且在实际流场的测量中都迅速得到广泛应用。