CN111829691B - 一种用于非中性边界层风温瞬态测量的装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种用于非中性边界层风温瞬态测量的装置及方法，所述装置包括：可控温度的气源、热线风速仪和标定器；所述可控温度的气源包括：依次连接的空压机、冷却箱和温度控制箱。本发明提供的一种用于非中性边界层风温瞬态测量的装置及方法能够实现对非中性大气边界层中风、温的同时测量。
Description
技术领域
本发明属于辐射评价技术领域，具体涉及一种用于非中性边界层风温瞬态测量的装置及方法。
背景技术
放射性物质在大气中的迁移扩散问题，在核设施厂址环境影响评价、风险评价、核事故后果评价与应急响应以及非放射性污染物环境影响评价领域一直备受关注。
目前，国内进行了大量针对污染物大气扩散问题的风洞实验研究，然而此类风洞实验均是在中性层结条件下进行的，但实际大气并非如此，根据我国已建和拟建核电厂厂址气象观测数据，滨海核电厂址有32～58％(根据δT～u分类法)的时间是出现非中性大气层结，一些内陆核电厂址该比例高达63～73％。而污染最严重的情况往往发生在稳定层结条件下，并且稳定度会影响大气边界层(ABL)的厚度、结构以及边界层内的速度、温度和湍流廓线，所以稳定度和温度层结特征是重要的，它们对于实际大气中污染物扩散问题起主要作用，因此，需要在环境风洞中研究温度层结。
在国内以往的环境风洞实验均是基于中性条件下开展，只关注风场的信息。在模拟非中性大气边界层时，需要同时测量风场和温度场，因此，需要建立风、温瞬态同步测量技术方法。
目前比较常用的测量风温的几种技术手段是热线风速仪、LDA和PIV。LDA只可用于测量单点的风速值，在辅以相当频响的温度探头可实现风温的同步测量，但是LDA的测量取决于示踪粒子的散布，其频响常常难以满足要求。PIV能够获取某一剖面的流动图像，经过处理可以得到矢量图，但是这是一段时间的平均，对于分析脉动结构时不能提供有效的脉动数据。热线风速仪频响能够达到1K以上，但温度变化会对其测量电压产生影响，在非中性大气边界层的模拟中，温差常常大于10℃，会造成较大的测量误差，同时温度探针的频响不够。
同时，现有技术中热线风速仪是在高性能恒温热线风速仪(ConstantTemperature Anemometer，CTA)基础上发展起来的一套完整的测量系统，热线风速仪包括自动标定系统、A/D转换板、以及StreamWare应用软件等。热线风速仪可以测量瞬时流速并给出其统计量：例如平均风速、湍流强度等。其硬件可以在计算机Windows界面下通过StreamWare应用软件来控制，该软件启动风速模块，完成探头标定、并提供实验平台。但是其标定只能针对环境室温进行标定。因此，我们希望在原先的热线风速的基础上改良，实现瞬态风温的同步测量。
发明内容
针对现有技术中存在的缺陷，本发明提供一种用于非中性边界层风温瞬态测量的装置及方法能够实现对非中性大气边界层中风、温的同时测量。
为达到以上目的，本发明采用的一种技术方案是：一种用于非中性边界层风温瞬态测量的装置，所述装置包括：可控温度的气源、热线风速仪和标定器；
所述可控温度的气源包括：依次连接的空压机、冷却箱和温度控制箱。
进一步的，所述温度控制箱包括箱内的加热器和设置在所述温度控制箱出入口的两个温度传感器。
进一步的，所述可控温度的气源还包括PID运算模块和温控模块；所述PID运算模块将入气口温度传感器和出气口温度传感器所测温度进行运算后反馈给温控模块，改变所述加热器输出功率，达到设定温度。
进一步的，所述热线风速仪的温度探头包括X型热线和一根冷线，所述冷线用来测量温度脉动，所述热线用来测量速度脉动。
为达到以上目的，本发明采用的一种技术方案是：一种用于非中性边界层风温瞬态测量的方法，所述方法包括：
(1)拟合出冷线的标定曲线；
(2)选取需要进行标定的温度点，对标定点进行不同温度下的速度标定；
(3)通过步骤(2)中所述不同温度下不同风速对应的电压值，利用最小二乘拟合法求得系数Ci；
(4)将标定好的探头安装在风洞中，根据测量到的电压和温度得到瞬态风温。
进一步的，步骤(1)中拟合出冷线的标定曲线具体包括：首先根据需要测量温度范围，按等分取不少于10个点，将可控温度气源分别设置为这些点，根据冷线返回的电压值，采用最小二乘法对公式①进行拟合，得到冷线标定方程的系数a0，a1，a2，a3，a4；
T＝a0+a1×E+a2×E2+a3×E3+a4×E4 ①
式中，T为冷线测量的温度值，E为温度对应的电压值，a0，a1，a2，a3，a4为冷线的标定系数。
进一步的，步骤(2)中所述选取需要进行标定的温度点具体包括：将可控温度气源与标定器相连接，根据实验测量所需要的风速范围(U1,U2)、温度范围(T1，T2)，将温度范围以5℃为间隔划分为n个区间，n＝(T2-T1)/5，在划分的区间内，每个区间至少选取1个温度点。
进一步的，步骤(2)中还包括：标定的速度点按照速度范围，依据对数分布进行取不少于8个点，第l个点的速度Ul如下：
式中，k为拟计划在速度范围(U1,U2)中取点的个数，Ul表示第l个点的速度，l取值为1到k。
进一步的，步骤(3)中具体包括利用公式③～⑤采用最小二乘拟合法求得系数Ci：
Ucal＝C0+C1×(Ecorr)+C2×(Ecorr)2+C3×(Ecorr)3+C4×(Ecorr)4 ④
Ci＝b3i+b3i+1·(Tf)+b3i+2·(Tf)2，i＝0,1,2,3,4. ⑤
式中，Ecorr：校正后的电压，Em：测量获取电压，Tw：热线工作温度，Tf：测量时流体的温度，Ucal：二维热丝探头单丝经过标定方程计算得出的标定风速值，C0，C1，C2，C3，C4，bi为标定系数。
本发明的效果在于，采用本发明所述的装置和方法能够实现对非中性大气边界层中风、温的同时测量。
附图说明
图1为本发明所述一种用于非中性边界层风温瞬态测量装置中可控温度的气源一实施例的结构示意图；
图2为本发明中所述热线风速仪的温度探头一实施例的结构示意图；
图3为一实施例的冷线标定曲线示意图；
图4为本发明中不同温度下，二维热丝探头的标定曲线示意图，(a)为1号热丝标定曲线，(b)2号热丝标定曲线；
图5为采用新的修正方法后的相对误差示意图，(a)为1号热丝计算结果，(b)为2号热丝计算结果；
图6利用本发明方法与其他修正方法进行误差的比较示意图。
图中：11-空压机；12-冷却箱；13-温度控制箱；14-加热器；15-入口温度传感器；16-出口温度传感器；20-温度探头；21-X型热线；22-冷线。
具体实施方式
为使本发明解决的技术问题、采用的技术方案和达到的技术效果更加清楚，下面将结合附图对本发明实施例的技术方案作进一步的详细描述。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，均属于本发明保护的范围。
本发明提供一种用于非中性边界层风温瞬态测量装置，所述装置包括：可控温度的气源和热线风速仪。
参阅图1，图1为本发明所述一种用于非中性边界层风温瞬态测量装置中可控温度的气源一实施例的结构示意图。
所述可控温度的气源包括：依次连接的空压机11、冷却箱12和温度控制箱13。所述温度控制箱13包括箱内的加热器14和设置在所述温度控制箱13出入口的入口温度传感器15和出口温度传感器16。所述可控温度的气源还包括PID运算模块和温控模块。
如图1，空气经过空压机11后会被压缩备用，空压机11出来的气体经过冷却箱12进行冷却，再通过温度控制箱13进行输出，进入温度控制箱13之前会有一个初始进入的温度传感信号，出口处会有一个出口温度的监测，通过温度控制箱13中的加热管14进行加热，经过PID运算模块进行运算后反馈给温控模块，改变加热器14输出功率，达到设定温度。该套可控温度的气源设计温度10～85℃，出口压力0.65～0.85Mpa，温度均匀性±0.5℃，稳定时间2～3小时。
如表1，可控温度气源的性能测量数据，该表中给出三个设计范围内的温度点，分别测试其温度均匀性、压力和稳定时间，其满足设计要求。
表1可控温度气源的性能测量数据
| 目标温度 | 15℃ | 40℃ | 75℃ |
| 压力 | 0.7MPa | 0.75MPa | 0.8MPa |
| 稳定性 | ±0.2℃ | ±0.4℃ | ±0.5℃ |
| 稳定时间 | 2.8h | 2.6h | 2.2h |
参阅图2，图2为本发明中所述热线风速仪的温度探头一实施例的结构示意图。所述热线风速仪的温度探头20包括X型热线22和一根冷线21，所述冷线21用来测量温度脉动，所述热线22用来测量速度脉动，用冷线21的温度去修正热线2的速度，从而实现在风洞中瞬态风温的测量。
本发明所提供的为本发明所述一种用于非中性边界层风温瞬态测量的方法包括以下步骤:
(1)拟合出冷线的标定曲线。
拟合出冷线的标定曲线具体包括：首先根据需要测量温度范围，按等分取不少于10个点，将可控温度气源分别设置为这些点，根据冷线返回的电压值，采用最小二乘法对公式①进行拟合，得到冷线标定方程的系数a0，a1，a2，a3，a4；
T＝a0+a1×E+a2×E2+a3×E3+a4×E4 ①
式中，T为冷线测量的温度值，E为温度对应的电压值，a0，a1，a2，a3，a4为冷线的标定系数。
在得到标定系数后，实验测量时，会得到一个电压值，带入公式①中可以计算出实际的流体温度。
如图3，在一个具体实施例中，所需测量温度范围为19～44℃，风速范围为0.5～7m/s，分别测量了19.5℃、22.8℃、26.5℃、27.5℃、28.5℃、30.4℃、31.9℃、33.7℃、35.8℃、38.3℃、41.9℃和44.1℃这12个点对应的电压值，根据公式①拟合得到冷线标定系数，冷线标定曲线如图3所示。
(2)选取需要进行标定的温度点，对标定点进行不同温度下的速度标定。
所述选取需要进行标定的温度点具体包括：将可控温度气源与标定器相连接，根据实验测量所需要的风速范围(U1,U2)、温度范围(T1，T2)，将温度范围以5℃为间隔划分为n个区间，n＝(T2-T1)/5，在划分的区间内，每个区间至少选取1个温度点。
本步骤还包括：标定的速度点按照速度范围，依据对数分布进行取不少于8个点，第l个点的速度Ul如下：
式中，k为拟计划在速度范围(U1,U2)中取点的个数，Ul表示第l个点的速度，l取值为1到k。
参阅图4，在一个具体实施例中，根据实验测量所需要的温度范围为19～44℃，风速范围为0.5～7m/s，根据前面的描述，将温度范围划分为5个区间，5＝(44-19)/5，每个区间间隔为5℃，在划分的区间内，每个区间至少选取1温度点，分别设置这些标定点进行不同温度下的速度标定。分别选取了23℃、26.2℃、29.3℃、32.9℃、37.1℃和43.8℃，通过标定发现，这五个温度点的标定曲线近乎平行。通过得到的不同温度下的风速对应的电压值，根据公式②～④，利用最小二乘拟合法求得系数Ci。在求出Ci后，在实验测量时，根据测量到的电压和温度，利用上述公式②～④可以得到该温度下修正后的速度。
(3)通过步骤(2)中所述不同温度下不同风速对应的电压值，利用最小二乘拟合法求得系数Ci。
具体为：通过步骤(2)获取的不同温度下的风速对应的电压值，利用公式③～⑤，采用最小二乘拟合法求得标定系数Ci。
Ucal＝C0+C1×(Ecorr)+C2×(Ecorr)2+C3×(Ecorr)3+C4×(Ecorr)4 ④
Ci＝b3i+b3i+1·(Tf)+b3i+2·(Tf)2，i＝0,1,2,3,4. ⑤
式中，Ecorr：校正后的电压，Em测量获取电压，Tw：热线工作温度，Tf：测量时流体的温度，Ucal：二维热丝探头单丝经过标定方程计算得出的标定风速值，C0，C1，C2，C3，C4，bi为标定系数。
在求出Ci后，每次测量根据测量到的电压和温度，利用上述公式③～⑤进行计算，可以得到该温度下修正后的速度。
如图5分别给出了1号热丝和2号热丝使用上述方法的相对误差图，1号热丝最大相对误差为1.42％，平均相对误差为0.3％，相对误差在±1％内占比97.5％，2号热丝最大相对误差为1.45％，平均相对误差为0.4％，相对误差在±1％占比94.5％，该方法测量精度有很大的提升，其主要原因是考虑了不同温度、不同风速对热丝的影响。
(4)将标定好的探头安装在风洞中，根据测量到的电压和温度得到瞬态风温。
将标定好的探头安装在风洞中，即可进行非中性边界层中风温瞬态同步的单点测量。
如图6，将本项目方法与其他修正方法进行误差的比较，发现本项目的相对误差较小。
区别于现有技术，本发明提供的一种用于非中性边界层风温瞬态测量的装置及方法，能够实现对非中性大气边界层中风、温的同时测量，且测量精度高。
本领域技术人员应该明白，本发明所述装置及方法并不限于具体实施方式中所述的实施例，上面的具体描述只是为了解释本发明的目的，并非用于限制本发明。本领域技术人员根据本发明的技术方案得出其他的实施方式，同样属于本发明的技术创新范围，本发明的保护范围由权利要求及其等同物限定。
Claims (2)
1.一种用于非中性边界层风温瞬态测量的装置，其特征在于，所述装置包括：可控温度的气源、热线风速仪和标定器；
所述可控温度的气源包括：依次连接的空压机、冷却箱和温度控制箱；
所述温度控制箱包括箱内的加热器和设置在所述温度控制箱出入口的两个温度传感器；
空气经过所述空压机后被压缩备用，所述空压机出来的气体经过所述冷却箱进行冷却，再通过所述温度控制箱进行输出，进入所述温度控制箱之前有一个初始进入的温度传感信号，出口处有一个出口温度的监测，通过所述温度控制箱中的加热管进行加热；
所述可控温度的气源还包括PID运算模块和温控模块；
所述PID运算模块将入气口温度传感器和出气口温度传感器所测温度进行运算后反馈给温控模块，改变所述加热器输出功率，达到设定温度；
所述热线风速仪的温度探头包括X型热线和一根冷线，所述冷线用来测量温度脉动，所述热线用来测量速度脉动；用冷线的温度修正热线的速度；
采用所述装置进行非中性边界层风温瞬态测量的方法包括以下步骤：
(1)拟合出冷线的标定曲线；
(2)将可控温度气源与标定器相连接，根据实验测量所需要的风速范围(U1,U2)、温度范围(T1，T2)，将温度范围以5℃为间隔划分为n个区间，n＝(T2-T1)/5，在划分的区间内，每个区间至少选取1个温度点，对标定点进行不同温度下的速度标定，标定的速度点按照速度范围，依据对数分布进行取不少于8个点，第l个点的速度Ul如下：
式中，k为拟计划在速度范围(U1,U2)中取点的个数，Ul表示第l个点的速度，l取值为1到k；
(3)通过步骤(2)中所述不同温度下不同风速对应的电压值，利用如下公式采用最小二乘拟合法求得系数Ci，
Ucal＝C0+C1×(Ecorr)+C2×(Ecorr)2+C3×(Ecorr)3+C4×(Ecorr)4
Ci＝b3i+b3i+1·(Tf)+b3i+2·(Tf)2，i＝0,1,2,3,4…
式中，Ecorr：校正后的电压，Em：测量获取电压，Tw：热线工作温度，Tf：测量时流体的温度，Ucal：二维热丝探头单丝经过标定方程计算得出的标定风速值，C0，C1，C2，C3，C4，bi为标定系数；
(4)将标定好的探头安装在风洞中，根据测量到的电压和温度得到瞬态风温。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，步骤(1)中拟合出冷线的标定曲线具体包括：首先根据需要测量温度范围，按等分取不少于10个点，将可控温度气源分别设置为这些点，根据冷线返回的电压值，采用最小二乘法对公式①进行拟合，得到冷线标定方程的系数a0，a1，a2，a3，a4；
T＝a0+a1×E+a2×E2+a3×E3+a4×E4
式中，T为冷线测量的温度值，E为温度对应的电压值，a0，a1，a2，a3，a4为冷线的标定系数。
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