新的激光测速光路布置及其应用'.pdf

气动实验与测量控制
AER0DYNAMTCEXPERIMENTAND
MEASUREMENT＆CONTROL

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新的激光测速光路布置及其应用’

杨健单彦秋V薛琳莹深涛王正宾Tq|。
7第月——一方五，北京，(邮政编码100044)
期A摘要在目前国际通用的三束双色激光测速仪光踏系统的基础上．将绿光(一514．
5mm)与混台光交换位置．使蓝光(一488nm)与混台光同布于聚焦透镜的直径上．构成新的测
速平面的激光测速光路．特别适用于测量二平行壁面闻深宽比大、齄隙狭窄的流场，如环隙科
特流、叶片机械内流场等，实现一次测量，即可获得二壁面间相当完整的流场信息。

关键词壹茎堕型箜塞：垡垡塑场一

l引言

目前国际通用的三束双色LDV系统，如美国TSI公司口和丹麦Dantec公司口生产
的激光测速仪均由蓝光(A一488nm)、绿光(A一514．5nm)及蓝绿混合光构成，其光路布置
如图I，三光束聚焦后，蓝光与混合光中的蓝光，绿光与混合光中的绿光产生干涉，构成相
互垂直的二个测速平面及测速方向口]。在使用激光冽速仪测量介于二平行壁面间深宽比
大、缝隙狭窄的流场时，例如环隙科特流、叶片机械内流场等，为了能测到紧邻壁面的流
动，通常必须对光路系统作调整。使蓝光与绿光组成的非测速平面与其中的一个壁面平
行，测到的原始速度分量为“与’(图2(a))，经过由激光测速仪厂家提供的相关计算机
软件处理后，可获得流场的主流速度“及。但是混合光与蓝绿光平面间有夹角，(角
由激光光束在透镜上的间距及透镜的焦距决定)．当混合光被另一壁面挡住时(图1)，测量
将被迫中止。因此传统的光路系统，经一次光路调整后，只能测量到一个壁面附近的流动，
而在另一壁面附近存在一个测速盲区。设二壁面间距为，测点深度为，可进行二维测
量的总距离为L—H一^，为流场中的测量盲区，^=td／2f．其中d为蓝绿光间距，，为透
镜焦距。若按实验室的环隙科特流测量时的数据，，=598mm，d=50mm，=75mm，H一
11mm．．则^=3．14mm。澳4量盲区占整个流场宽度的28，若环隙宽度H=5mm，则
可占到62。为了获得紧邻二壁面的完整的流速分布，通常就必须将光路系统再旋转180
度，将整个流场分为二次测量，这样就无法保证测量位置的高精度和测量数据的连续性。
所设计的新光路布置(图2(b))，可克服上述缺点，经一次调整，一次连续的二壁面间的测
量，无需再旋转光路系统，就可以测到二壁面间的主流场速度分布，实现省时、高效、

·国家自然科学基垒资助项目
1995年1O月10日收穑

72气动实验与涮量控制(1996年)第10卷

高精度的测量结果。并已用于对环隙科特流和水泵叶轮内流场的宴验研究

蓝光

图J原光路及测量

(a)原冽建方向(b)新光路布置

2

2激光测速光路的新布置

新的光路布置仅需将原光路系统中的绿光(或蓝光)与混合光交换位置，而无需增加
任何光学部件，使蓝光(或绿光)与混合光位于聚焦透镜的直径上，构成平行壁面的测速平
面，新的测速方向如图2(b)，它可保证在原可测区内，采用相关方式，获得与原光路相同
的流场信息，在原测量盲区，采用随机方式，可获得一维的主流速度分布，并使整个流场内
主流方向速度测量保持连续。
因新的光路测到的速度分量已不再相互垂直，因此必须对测到的原始数据进行新的
处理，相应的计算公式为

～

，。为新的光路测到的原始速度分量(图3)。
采用的激光测速仪为美国TSI公司的9100—8X，为_r使该公司提供的采集及数据处
理软件FIND仍然适用于新的光路．开发编制了适用于对新光路采集的原始数据作预处

第3期杨健等：新的激光测速光路布置及其应用73

理的程序，此程序的功能是将FIND软件在新的光路下采集的原始数据取出，逐点按上述
的计算公式重新处理，再送回FIND软件中
Z
的统计和数据处理部分，由FIND软件完成
全部数据处理。在原测量盲区内采到的与壁
面平行的一维速度数据可与二维测速区内的
周向速度数据处理成完整的周向速度分布．
可用于壁面切应力的研究。在二维测量区内，／145‘＼＼＼
uJ1’＼
可获得与原光路相同的二维速度分布及其相一
关量。，I
3环隙科特流的实验研究
田3新光路计算圉
环隙科特流是指两个同心或偏心的圆柱
面作相对运动时，其环隙中流体在运动圆柱面与压差作用下所形成的流动。我们主要研究
外环面固定，内环面以恒速旋转，而且在流场中存在一恒定的逆压梯度作用下的纯剪切流
动。
实验装置如图4，外环半径分别为

捌压蕾线接口50．4cm，5lcm及50．1em三种，内环半径
为49．9cm，内外环间隙分别为1．1cm，
0，5cm及0．2cm三种，环面宽为l5cm