图5.61 粒子浓度及位置对信号质量的影响
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图5.62 反向速度造成波形失真（图中κ=θ/2）
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图5.63 具有频移的速度—频率特性（图中κ=θ/2）78
2
5.1.1 1.皮托管测速原理 要了解皮托管的测速原理，首先需要弄清楚 皮托管的构成。皮托管是一根弯成直角形的金属细 管，它的内部结构可以简化成如图5.2 2. 设计皮托管最主要的要求是：尽一切可能保 证总压孔和静压孔所接受到的压力真正是被测点的
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图5.1 皮托—静压管流速计示意图
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图5.2 皮托管构成原理图
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5.1.2 1.L型探针 2. 3. 4.
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图5.3
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图5.4
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图5.5 用于测量高含尘浓度气流的动压管
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5.2 5.2.1 工业生产和科学实验中遇到的流动过程，常常 是非稳态过程。用以皮托管为代表的测压管来测量 非稳态过程的流体流动速度，由于测压管是通过测 压管上的静压孔和总压孔来感受流体的压强，将被 测量流体的速度转换成微压计上液柱高度的变化再 通过计算而得到流体的速度值。
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图5.8 恒流型热线风速仪V—U标定曲线
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图5.9 桥式恒温型热线风速仪
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2. 1 ① ②热线在流体中的数学模型 2
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3 ① ② ③恒流型热线的动态特性方程和动态响应过程 ④恒温型热线的动态特性方程和动态响应过程
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图5.10 热线在流体中的换热模型
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图5.11 热线在流体中热平衡
1
5.1 速度测量的力学方法实质上是将以较高速度流 动的流体所呈现出的压力用测压管感受出来通过微 压计上的液柱高低示值测量出来。这种将速度量转 换为液柱差的方法称为速度测量的力学方法。用力 学方法测量流速，速度的大小（速率）可在被测点 上分别测得其总压和静压，经计算求得，也可以将 总压管和静压管合在一起，组成所谓的动压管来进 行测量。
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图5.34 典型的激光测速系统
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1. 1 2 3）LDV 4）LDV
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图5.35 静止光源与运动粒子速度矢量图
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图5.36 运动粒子反向朝静止光源运动
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图5.37 运动粒子正向离静止光源运动
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图5.38 运动粒子正向朝静止光检测器运动
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图5.39 运动粒子正向朝静止光检测器运动
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4 ① ② 5 ① ②
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图5.27 指数n随速度变化曲线
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图5.28 校准风洞示意图
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图5.29 喷嘴—U型压力计式校准装置
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图5.30 恒流型热线风速仪电路简图
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图5.31 恒流型热线风速仪校准曲线
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图5.32 恒温型热线风速仪电路简图
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图5.33 雷诺剪应力的测量框图
第5章 流体速度及速度测试技术
在热工测试中，常常需要测量工作介质在某 些特定区域的流速，以研究其流动状态对工作过 程和性能的影响，因此，流体速度是描述热物理 过程工质运动状态的重要参数之一。流体速度（ 流量）是指流体质点（或微团）的速度。它是描 绘流场的重要参数。速度是一个矢量，它具有大 小和方向，流体速度的测量包括流体质点的平均 速度和方向，流体脉动速度的均方根以及脉动速 度的相关参数。
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图5.46 参考光模式光路
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图5.47 单光束双散射模式光路
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图5.48 单光束双散射模式光路
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图5.49 双光束双散射模式光路
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图5.50 粒子散射光强3分 ① ② 3
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图5.51 双光束双散射模式光路
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图5.52 分光系统示意图
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图5.53 两列光波叠加
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5.3
速度测量的光学方法
5.3.1 1. 由速度测量的发展可以看出，用机械测量探针 来获得流体速度的信息是实验流体力学多年常用的 方法。 2. 流体流速测量的非接触式方法就是利用光学的 方法进行测量，称之为速度测量的光学方法。
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5.3.2 典型的激光测速系统如图5.34所示，由五个部 分组成。激光器作为光源将发出的光经入射光学单 元按照一定的要求分成多束互相平行的照射光束， 通过聚焦透镜会聚到运动流体中的测量点上。运动 流体中的微粒在经过测量体时会对入射激光束向四 周发出散射光， 收集系统光学单元的功能就是收 集粒子的散射光再经过光学外差和光电转换过程得 到具有多普勒频移频率的光电流信号送入信号处理 器。
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图5.40 运动粒子与静止光检测器矢量图
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图5.41 静止光源、运动粒子和静止光检测器
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图5.42 静止发射器、飞机和静止接受器
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图5.43 典型的频率速度曲线
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图5.44 典型的激光多普勒测速光路布置
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2. 1 2）三种常见的外差检测基本模式和光路结构 ① ② ③
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图5.45 侧前向参考光模式光路
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图5.12 恒流型热线的线性度
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图5.13 恒流型热线灵敏度与速度的关系曲线
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图5.14 恒温型热线的线性度
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图5.15 恒温型热线灵敏度与速度的关系曲线
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图5.16 脉动速度的平均分量与脉动分量
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图5.17 恒流型热线的动态响应过程
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图5.18 恒流型热线的动态校正环节
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图5.54 双光束光路控制体的主要光学参数
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图5.55 双光束光路控制体的干涉条纹
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图5.56 双光束光路控制体干涉条纹移动
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图5.57 干涉条纹几何关系
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图5.58 激光光束高斯光强分布图
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图5.59 控制体的条纹畸变
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图5.60 条纹宽度与粒子尺寸对LDV的影响
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图5.19 恒流型热线的传递函数
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图5.20 电阻电感式四端网络
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图5.21 微分补偿放大器电路
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图5.22 微分补偿放大器并连环节传递函数方框图 31
图5.23 方波电路补偿环节传递函数方框图
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图5.24 补偿的方波调节
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图5.25 恒温型热线风速仪原理图
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图5.26 恒温型热线风速仪阶跃响应曲线
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5.2.2 所谓热线风速仪，就是利用放置在流场中的一 根通以加热电流，细且长和具有高电阻率的金属丝 来测量风速的仪器。直径为1～5个微米（μm）， 长度为0.2～2 mm的金属丝由于被电流加热置于流 体流动的流场中，与流体进行热交换。
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1. 1 2
12
图5.6
13
图5.7 恒流型热线风速仪