[发明专利]一种基于多普勒频移原理的低速流场测速方法及装置

说明书

一种基于多普勒频移原理的低速流场测速方法及装置，涉及低速流场测速技术。本发明是为了解决低速流场信号弱，导致不易测量流场速度的问题。本发明在管道的管壁上安装适当数量的光学窗口以及适当数量的平面反射镜；将待测流场内的介质输送到管道中；激光器产生的激光分成两束：一束先后穿过管道上的两个光学窗口，从管道中射出后由一个光学探测器接收；另一束穿过一个光学窗口后在管道内的多个平面反射镜之间以相同的入射角进行多次反射，最后经光学窗口出射后由另一个光学探测器接收；根据探测器的探测结果及反射角计算流场速度。本发明使测量激光在流场中多次反射，延长了测量路径，扩大了流场测速的范围。

技术领域

本发明属于流场测速领域，具体涉及低速流场测速技术。

背景技术

内燃机燃烧流场的速度测量是评估发动机性能、优化控制燃烧组织方法的基础。长期以来，燃气速度测量方法主要有皮托管、热线风速仪、相位多普勒粒子分析仪(PhaseDoppler Particle Analyzer，PDPA)和粒子图像测速仪(Particle Image Velocimetry,PIV)等。常用的机械式风速仪需要将仪器安装在流场以内，该接触式测量方法主要针对于大直径的管道内流速测试，在直径较小的管道中易干扰待测试流场，影响其测量的可靠性。而对于PDPA和PIV方法，燃烧流场难以均匀加入示踪颗粒，且较强的火焰辐射会湮没示踪颗粒散射信号，同时示踪颗粒的加入也会影响燃烧。因此，目前在低速流场流速的测量中还有待更进一步的发展。

近年来，随着光谱学与激光器技术的迅速发展，可调谐半导体激光器吸收光谱技术(Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy，TDLAS)等激光光谱技术逐步应用于燃烧流场燃气速度测量。其中，可调谐二极管激光吸收光谱技术则是根据由多普勒效应建立的分子吸收光谱频移量与速度的关系，通过设置上下游方向光路来获得气流速度。流场速度测量对揭示发动机内多相多场耦合的燃烧流动机理、评判发动机性能及燃料混合增强都具有重要的意义。

可调谐半导体激光吸收光谱技术应用Beer-Lambert定律，利用分布反馈激光器(DFB)的窄线宽和波长调谐等特性来实现气体分子“选频区”吸收谱线的扫描和测量，具有高灵敏度、高分辨率，响应速度快、适应恶劣环境强等优点。由于气体分子吸收光谱特性具有单一性，当激光穿过待测气体时，不受内部环境变化而影响测量精度。在实际的测量过程中，往往需要测量激光中心频率的位移量以检测流场速度的大小。目前常用的方法双光路流速测量法以及单光路激光反射法，但这两种方法对低速流场并不敏感，即，当流体流速较低时，测得的激光中心频率产生的偏移量较小，那么在后期进行计算处理时难度就比较大，且容易造成计算误差。因此，针对于小直径管道内低速流场的测量需要进一步的研究。

发明内容

本发明是为了解决现有的流场速度测量方法对低速流场不敏感，导致测量难度大、测量精度低的问题。现提供一种基于多普勒频移原理的低速流场测速方法及装置。

本发明所述的一种基于多普勒频移原理的低速流场测速方法包括以下步骤：

步骤一、在管道的管壁上安装适当数量的光学窗口，并在管道内壁上安装适当数量的平面反射镜；

步骤二、将待测流场内的介质输送到管道中；

步骤三、将激光器产生的激光分成两束：一束先后穿过管道上的两个光学窗口，从管道中射出后由一个光学探测器接收；另一束穿过一个光学窗口后在管道内的多个平面反射镜之间以相同的入射角θ进行多次反射，最后经光学窗口出射后由另一个光学探测器接收；

步骤四、计算流场速度u：其中，c为真空中光速，Δv为多普勒频移量，由两个光学探测器的探测结果获得，θ为激光在平面反射镜上的入射角，v₀为出射激光的中心频率(cm^-1)。。

本发明所述的一种基于多普勒频移原理的低速流场测速装置包括：激光器、分光镜、一号光学探测器、二号光学探测器、管道；