CN105424972B - 一种近壁面流速测量方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种近壁面流速测量方法及装置，所述方法为在待测壁面粘贴所述受热片；启动风洞，将风速稳定在实验风速；确定所述测量装置的位置，启动所述激光指示器，使所述加热源能够对准所述受热片；关闭所述激光指示器，开启所述激光测距仪测量所述待测壁面到所述激光测距仪的距离；利用所述数据采集电路采集所述激光测距仪所测的距离数据；利用所述采集模块采集所述温度传感器测得的环境温度值和所述湿度传感器测得的环境湿度值。本发明提供的方法及装置不与待测壁面接触，对边界层流动无干扰，并具有测量方便、快速、精度高，布置灵活、简单的特点。

Description

一种近壁面流速测量方法及装置
技术领域
本发明涉及流速的测量领域，特别是涉及一种近壁面流速测量方法及装置。
背景技术
流场中物体近壁面区域流动情况的研究对空气动力学的发展十分重要。目前对近壁面流速的测量方法主要有测压管测量、热线测速、热膜测速、LDV测量、PIV测量等，但前三种测量方式对边界层流动有干扰，对处理精度产生了不良的影响；后两种测量方式需要在流场中加入高质量的示踪粒子，操作复杂，成本高。
发明内容
本发明的目的在于完善风洞实验测量技术，提供一种简便可靠、快速精确地测量物体近壁面流速的方法及装置。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：一种近壁面流速测量方法，其特征在于，所述方法应用于近壁面流速测量装置，所述装置包括激光指示器、激光测距仪、加热源、高精度高速红外测温装置、温度传感器、湿度传感器、控制电路模块、数据采集电路、PC机和受热片，所述受热片粘贴于待测壁面，所述激光指示器、激光测距仪、加热源、高精度高速红外测温装置、温度传感器、湿度传感器、控制电路模块、数据采集电路、PC机布置在风洞试验流场之外，所述激光指示器、激光测距仪、加热源、高精度高速红外测温装置的输入端与所述控制电路模块的输出端相连接，所述控制电路模块的输入端与所述PC机的输出端相连接，所述温度传感器、湿度传感器、激光测距仪、高精度高速红外测温装置的输出端与所述数据采集电路的输入端相连接，所述数据采集电路的输出端与所述PC机的输入端相连接；
在待测壁面粘贴所述受热片；
启动风洞，将风速稳定在实验风速；
确定所述测量装置的位置，启动所述激光指示器，使所述加热源能够对准所述受热片；
关闭所述激光指示器，开启所述激光测距仪测量所述待测壁面到所述激光测距仪的距离；
利用所述数据采集电路采集所述所述激光测距仪所测的距离数据；
利用所述采集模块采集所述温度传感器测得的环境温度值和所述湿度传感器测得的环境湿度值；
对所述受热片加热，测量并记录所述受热片的温度随时间的变化；
所述PC机根据所述距离数据、所述环境湿度值对所述受热片的温度进行修正；
所述PC机根据近壁面流速的计算公式计算待测近壁面的流速。
可选地，所述对所述受热片加热，测量并记录所述受热片的温度随时间的变化，具体包括：利用加热源红外定向强辐射器加热所述受热片，利用高精度高速红外测温装置测量并记录所述受热片热平衡时的温度值。
可选地，对所述受热片加热，测量并记录所述受热片的温度随时间的变化，具体包括：利用加热源红外定向强辐射器加热所述受热片，在所述加热源停止加热的瞬间，利用高精度高速红外测温装置测量并记录所述受热片的温度值及降温过程中温度的变化值和所用时间。
可选地，对所述受热片加热，测量并记录所述受热片的温度随时间的变化，具体包括：利用加热源将所述受热片加热到高于环境温度40℃，利用高精度高速红外测温装置测量并记录所述受热片的温度值及降温过程中温度的变化值和所用时间，所述加热源为红外定向强辐射器或低功率激光加热器。
可选地，所述计算待测近壁面的流速具体包括：
计算所述受热片在降温过程中修正后的温度随时间的变化率；
根据近壁面流速的计算公式计算待测近壁面的流速其中，μ为流体动力粘度，ρ为流体密度，L为特征长度，l为定型尺寸，λ为流体热导率，cp为流体等压比热容，m、a、b为流动状态相关系数，h为对流换热系数，所述h的计算公式为其中q为总热流密度，qi为测量温度时加热源对所述受热片输入的能量密度，ε为物体的辐射率，σ为斯特潘-玻尔兹曼常量，Ts为所述受热片修正后的温度值，T∞为所述环境温度值，所述q的计算公式为其中为修正后的温度在降温时随时间的变化率，c为所述受热片材料的比热容，ps为所述受热片材料密度，δ为所述受热片的材料厚度，所述qi的计算公式为qi＝P/S，其中，P为加热源的输出功率，S为所述受热片的面积。
为实现上述目的，本发明还提供了一种近壁面流速测量装置，其特征在于，所述装置包括激光指示器、激光测距仪、加热源、高精度高速红外测温装置、温度传感器、湿度传感器、控制电路模块、数据采集电路、PC机和受热片，所述受热片粘贴于待测壁面，所述激光指示器、激光测距仪、加热源、高精度高速红外测温装置、温度传感器、湿度传感器、控制电路模块、数据采集电路、PC机布置在风洞试验流场之外，所述激光指示器、激光测距仪、加热源、高精度高速红外测温装置的输入端与所述控制电路模块的输出端相连接，所述控制电路模块的输入端与所述PC机的输出端相连接，所述温度传感器、湿度传感器、激光测距仪、高精度高速红外测温装置的输出端与所述数据采集电路的输入端相连接，所述数据采集电路的输出端与所述PC机的输入端相连接，所述PC机根据近壁面流速的计算公式以及所述数据采集电路采集的数据计算出近壁面流速。
可选地，所述加热源为红外定向强辐射器或低功率激光加热器。
可选地，所述受热片的表面尺寸大于加热光斑，所述受热片包括受热层、反射涂层、绝热层、粘贴层。
可选地，所述受热片为贴片或贴膜。
本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明提供的近壁面流速测量方法可以精确地测量流场中物体近壁面流动速度，为测量近壁面流速提供了一种新方法，而且本发明提供的方法仅需在实验物体表面需要测量流速的位置粘贴贴片或贴膜，使用简便灵活，对实验物体无损坏，无需布置管、线等，对近壁面处流动无干扰，使实验结果更加准确。此外，实验只需消耗贴片或贴膜，设备能耗低，单次实验成本较低。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明一种近壁面流速测量装置的结构示意图；
图2为本发明一种近壁面流速测量方法的流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种对边界层流动无干扰、操作简单、测量方便的近壁面流速测量方法及装置。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明一种近壁面流速测量装置的结构示意图，如图1所示，本发明提供的近壁面流速测量装置包括激光指示器8、激光测距仪5、加热源7、高精度高速红外测温装置6、温度传感器3、湿度传感器4、控制电路模块11、数据采集电路9、PC机10和受热片2，受热片2粘贴于待测壁面1，激光指示器8、激光测距仪5、加热源7、高精度高速红外测温装置6、温度传感器3、湿度传感器4、控制电路模块11、数据采集电路9、PC机10布置在风洞试验流场之外，激光指示器8、激光测距仪5、加热源7、高精度高速红外测温装置6的输入端与所述控制电路模块11的输出端相连接，所述控制电路模块11的输入端与所述PC机10的输出端相连接，所述温度传感器3、湿度传感器4、激光测距仪5、高精度高速红外测温装置6的输出端与所述数据采集电路9的输入端相连接，所述数据采集电路9的输出端与所述PC机10的输入端相连接，所述PC机10根据近壁面流速的计算公式以及所述数据采集电路采集9的数据计算出近壁面流速。
加热源7为红外定向强辐射器或低功率激光加热器，受热片2的表面尺寸大于加热光斑，所述受热片2包括受热层、反射涂层、绝热层、粘贴层，所述受热片2为贴片或贴膜。
所述贴片的表面尺寸应略大于加热光斑，从而保证红外定向强辐射器或低功率激光加热器在表面投射的光斑不超出贴片范围，以防止由于直接照射或反射而对实验物体或其他实验器材和实验人员造成不利影响。
所述贴膜为表面尺寸远大于加热光斑，使测量系统可测量其覆盖的物体壁面上任意一点或多点的近壁面流速。
贴片和贴膜的分层结构相同，至少包括但不限于以下四层：
受热层，根据加热源的类型选择其材料和厚度，用于吸收加热源向其输入的能量并转化为自身内能，温度上升；反射涂层，将透射受热层的激光或红外辐射反射回受热层，使能量完全被受热层吸收；绝热层，隔绝受热层向物体的热传导；粘贴层，用于使贴片或贴膜牢固地粘贴于物体表面。
图2为本发明一种近壁面流速测量方法的流程图，如图2所示，本发明提供的近壁面流速测量方法的步骤为：
001：粘贴受热片，在待测壁面粘贴受热片；
002：启动风洞，将风速稳定在实验风速；
003：确定测量装置的位置，启动所述激光指示器，使所述加热源能够对准所述受热片，以此位置作为测量装置的位置；
004：测距，关闭所述激光指示器，开启所述激光测距仪测量所述待测壁面到所述激光测距仪的距离；
005：采集测得的距离数据，利用数据采集电路采集所述所述激光测距仪所测的距离数据；
006：采集温湿度传感器测量的温湿度值，利用采集模块采集温度传感器测得的环境温度值和湿度传感器测得的环境湿度值；
007：对所述受热片加热，测量并记录所述受热片的温度随时间的变化；
008：修正所测受热片的温度数据，PC机根据所述距离数据、所述环境湿度值对所测受热片的温度进行修正；
009：计算近壁面流速，PC机根据近壁面流速的计算公式计算待测近壁面的流速。
在上述步骤中的007步，具体又有三种实施方式：
实施方式一：利用加热源红外定向强辐射器加热所述受热片，利用高精度高速红外测温装置测量并记录所述受热片热平衡时的温度。
实施方式二：利用加热源红外定向强辐射器加热所述受热片，在所述加热源停止加热的瞬间，利用高精度高速红外测温装置测量并记录在停止加热的瞬间受热片的温度，以及在后续的降温过程中受热片的温度随时间的变化。
实施方式三：利用加热源红外定向强辐射器或低功率激光加热器将所述受热片加热到高于环境温度20-60℃，利用高精度高速红外测温装置测量并记录受热片停止加热时的温度值以及在降温过程中温度随时间的变化。
在上述008步骤中，对高精度高速红外测温装置测量测量的受热片的温度进行修正，修正时需要结合激光测距仪提供距离数据、湿度传感器测量的环境湿度值进行修正。
在上述步骤中的009步中，根据公式计算近壁面的流速，其中，μ为流体动力粘度，ρ为流体密度，L为特征长度，l为定型尺寸，λ为流体热导率，cp为流体等压比热容，m、a、b为流动状态相关系数，h为对流换热系数。
h的计算公式为其中q为总热流密度，qi为测量温度时加热源对所述受热片输入的能量密度，ε为物体的辐射率，σ为斯特潘-玻尔兹曼常量，Ts为所述受热片修正后的温度值，T∞为所述环境温度。
q的计算公式为其中，c为所述受热片材料的比热容，ps为所述受热片材料密度，δ为所述受热片的材料厚度，为修正后的温度在降温时随时间的变化率，根据步骤007、008得到修正后的温度随时间的变化，进而求解出受热片修正后的温度在降温时随时间的变化率
qi的计算公式为qi＝P/S，其中，P为加热源的输出功率，S为所述受热片的面积。
在实施方式一中，总热流密度q＝0W/m2，qi＝P/S，在实施方式二、三中，qi＝0W/m2，q利用公式来求解。
本发明提供的方法及装置不与待测壁面接触，对边界层流动无干扰，并具有测量方便、快速、精度高，布置灵活、简单的特点，可以精确地测量流场中物体近壁面流动速度，为测量近壁面流速提供了一种新方法，而且本发明提供的方法仅需在实验物体表面需要测量流速的位置粘贴贴片或贴膜，使用简便灵活，对实验物体无损坏，实验时仅需在物体上粘贴厚度很小的贴片或贴膜，不需布置管、线等，对近壁面处流动无干扰，使实验结果更加准确。此外，实验只需消耗贴片或贴膜，并且设备能耗低，单次实验成本较低。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (7)

1.一种近壁面流速测量方法，其特征在于，所述方法应用于近壁面流速测量装置，所述装置包括激光指示器、激光测距仪、加热源、高精度高速红外测温装置、温度传感器、湿度传感器、控制电路模块、数据采集电路、PC机和受热片，所述受热片粘贴于待测壁面，所述激光指示器、激光测距仪、加热源、高精度高速红外测温装置、温度传感器、湿度传感器、控制电路模块、数据采集电路、PC机布置在风洞试验流场之外，所述激光指示器、激光测距仪、加热源、高精度高速红外测温装置的输入端与所述控制电路模块的输出端相连接，所述控制电路模块的输入端与所述PC机的输出端相连接，所述温度传感器、湿度传感器、激光测距仪、高精度高速红外测温装置的输出端与所述数据采集电路的输入端相连接，所述数据采集电路的输出端与所述PC机的输入端相连接；
在待测壁面粘贴所述受热片；
启动风洞，将风速稳定在实验风速；
确定所述测量装置的位置，启动所述激光指示器，使所述加热源能够对准所述受热片；
关闭所述激光指示器，开启所述激光测距仪测量所述待测壁面到所述激光测距仪的距离；
利用所述数据采集电路采集所述激光测距仪所测的距离数据；
利用所述数据采集电路采集所述温度传感器测得的环境温度值和所述湿度传感器测得的环境湿度值；
对所述受热片加热，测量并记录所述受热片的温度随时间的变化；
所述PC机根据所述距离数据、所述环境湿度值对所述受热片的温度进行修正；
所述PC机根据近壁面流速的计算公式计算待测近壁面的流速。
2.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，所述对所述受热片加热，测量并记录所述受热片的温度随时间的变化，具体包括：利用加热源红外定向强辐射器加热所述受热片，利用高精度高速红外测温装置测量并记录所述受热片热平衡时的温度值。
3.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，对所述受热片加热，测量并记录所述受热片的温度随时间的变化，具体包括：利用加热源红外定向强辐射器加热所述受热片，在所述加热源停止加热的瞬间，利用高精度高速红外测温装置测量并记录所述受热片的温度值及降温过程中温度的变化值和所用时间。
4.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，对所述受热片加热，测量并记录所述受热片的温度随时间的变化，具体包括：利用加热源将所述受热片加热到高于环境温度40℃，利用高精度高速红外测温装置测量并记录所述受热片的温度值及降温过程中温度的变化值和所用时间，所述加热源为红外定向强辐射器或低功率激光加热器。
5.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，所述计算待测近壁面的流速具体包括：
计算所述受热片在降温过程中修正后的温度随时间的变化率；
根据近壁面流速的计算公式计算待测近壁面的流速其中，μ为流体动力粘度，ρ为流体密度，L为特征长度，l为定型尺寸，λ为流体热导率，cp为流体等压比热容，m、a、b为流动状态相关系数，h为对流换热系数，所述h的计算公式为其中q为总热流密度，qi为测量温度时加热源对所述受热片输入的能量密度，ε为物体的辐射率，σ为斯特潘-玻尔兹曼常量，Ts为所述受热片修正后的温度值，T∞为所述环境温度值，所述q的计算公式为其中为修正后的温度在降温时随时间的变化率，c为所述受热片材料的比热容，ρs为所述受热片材料密度，δ为所述受热片的材料厚度，所述qi的计算公式为qi＝P/S，其中，P为加热源的输出功率，S为所述受热片的面积。
6.一种近壁面流速测量装置，其特征在于，所述装置包括激光指示器、激光测距仪、加热源、高精度高速红外测温装置、温度传感器、湿度传感器、控制电路模块、数据采集电路、PC机和受热片，所述受热片粘贴于待测壁面，所述激光指示器、激光测距仪、加热源、高精度高速红外测温装置、温度传感器、湿度传感器、控制电路模块、数据采集电路、PC机布置在风洞试验流场之外，所述激光指示器、激光测距仪、加热源、高精度高速红外测温装置的输入端与所述控制电路模块的输出端相连接，所述控制电路模块的输入端与所述PC机的输出端相连接，所述温度传感器、湿度传感器、激光测距仪、高精度高速红外测温装置的输出端与所述数据采集电路的输入端相连接，所述数据采集电路的输出端与所述PC机的输入端相连接，所述PC机根据近壁面流速的计算公式以及所述数据采集电路采集的数据计算出近壁面流速；
所述受热片的表面尺寸大于加热光斑，所述受热片包括受热层、反射涂层、绝热层、粘贴层；所述受热片为贴片或贴膜。
7.根据权利要求6所述的测量装置，其特征在于，所述加热源为红外定向强辐射器或低功率激光加热器。
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