尹鑫昊 周艷 朱寧 陳煒驕 彭曦真

【摘要】低壓流場中的速度分布對于流動特性的理解和優(yōu)化設(shè)計具有重要意義?；诩す舛嗥绽諟y速儀的測速技術(shù)是一種非侵入性、高精度的流場速度測量技術(shù)，其能夠?qū)崟r測量流場中各個位置的速度分布。本研究將基于激光多普勒測速儀測速技術(shù)對低壓流場中的速度進(jìn)行測量，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】激光多普勒測速儀；低壓；流場；速度測量

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

【基金項目】本文受自然科學(xué)基金-科市聯(lián)合項目“基于LDV測速技術(shù)的現(xiàn)場風(fēng)量測量方法及應(yīng)用研究”（2022JJ90052），自然科學(xué)基金-科市聯(lián)合項目“便攜式高精度風(fēng)量計量標(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。低壓流場中的速度分布對于流動特性的理解和優(yōu)化設(shè)計具有重要意義。因此，準(zhǔn)確測量低壓流場中的速度分布成為研究的關(guān)鍵問題?；诩す舛嗥绽諟y速儀（Laser Doppler Velocimetry，LDV）的測速技術(shù)（以下簡稱“LDV技術(shù)”）是一種非侵入性、高精度的流場速度測量技術(shù)，能夠?qū)崟r測量流場中各個位置的速度分布。LDV技術(shù)通過激光散射原理，利用多普勒效應(yīng)測量流場中散射粒子的速度，從而獲得流場速度信息。相比其他測量方法，LDV技術(shù)具有高精度、高靈敏度和無干擾等優(yōu)點。目前對于低壓流場速度測量的研究還相對較少。因此，本研究將基于LDV技術(shù)對低壓流場中的速度進(jìn)行測量，并探究其速度分布規(guī)律。這項研究可以使我們更加深入地了解低壓流場的流動特性，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)簡介

1.1二維LDV原理

二維LDV利用激光束照射到流場中的微粒，這些微粒會散射光線，被接收到的光線頻率會發(fā)生變化，然后根據(jù)多普勒效應(yīng)，通過測量光頻的變化來計算流體的速度。二維LDV在測量過程中需要兩個激光束，形成一個交叉的測量平面，通過測量兩個平面上的速度分量，可以得到流場中的二維速度分布。具體可以分為以下幾個關(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流場上的一個點上。然后，激光束經(jīng)過被測流體散射，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，從而計算出流體速度。通過二維LDV技術(shù)可以實現(xiàn)對二維平面內(nèi)流體速度的測量。在實際應(yīng)用中，通過在不同位置的測量平面上進(jìn)行多次測量，獲得流場中的二維速度分布，從而對流體運動進(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、氣動性能測試等領(lǐng)域?？傮w來說，二維LDV利用多普勒效應(yīng)和頻移分析來測量流體速度，通過交叉的測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)主要由以下幾個部分構(gòu)成：激光器、光學(xué)系統(tǒng)、散射信號檢測和處理系統(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流場上，并收集散射光信號。散射信號檢測和處理系統(tǒng)用于接收和處理散射光信號，通過頻移分析得到流體速度信息。