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示蹤粒子的選擇和加入
示蹤粒子的選擇和加入
北廷測量技術(shù)（北京）有限公司
對于流場顯示、PIV,、LDV,、DGV等激光流場測量實驗，示蹤粒子的選擇和加入是一個影響實驗效果的很重要的因素,。
示蹤粒子的選擇,，通常需要從以下因素考慮：
· 跟隨性
· 散射特性
· 粒子濃度
· 當(dāng)?shù)亓龅挠绊?/span>
· 環(huán)境和健康保護(hù)
- 跟隨性
在PIV,，LDV和DGV實驗中，測量得到的速度場,，并不是流體質(zhì)點的速度,，而是懸浮于流體內(nèi)發(fā)射散射光的顆粒的運動速度。
這些粒子,，我們稱為示蹤粒子,，他可以是流場中自然存在的粒子，也可以是人為添加的示蹤粒子,。這些示蹤粒子基本都是微米量級,，不可能的*跟隨流體一起運動，粒子速度或多或少的與質(zhì)點流速不等,，這是激光PIV,、LDV和DGV測量首要的系統(tǒng)誤差。
示蹤粒子的跟隨性可以用跟隨系數(shù) 
來表征,，
a.在層流中：
（1）
從上式可見：粒徑對跟隨性的影響遠(yuǎn)大于其密度的影響,。
b.在旋轉(zhuǎn)層流中：
（2）
隨著時間的增加，粒子和流場的速度夾角q值迅速增加,，但有一個極值,，即終顆粒速度將與流體速度保持一個常量,，K值越大,，達(dá)到該常量的時間越短。
C.在湍流中：
通過以上分析,，可得結(jié)論：粒徑是影響顆粒跟隨性重要的因素,，所以減小顆粒粒徑對增加顆粒的動態(tài)響應(yīng)也是很重要的手段。
上述結(jié)果得到了實驗結(jié)果的驗證,。比如：在空氣中測量湍流,，只要散射粒子的直徑在1um的量級，即使比空氣重3500倍的二氧化鈦粒子,，粒子的流速也只比1kHz的湍流流速低0.4%,。
湍流（水）中幾種粒子的h值（湍流脈動頻率為1kHz）
湍流（空氣）中幾種粒子的h值（湍流脈動頻率為1kHz）
示蹤粒子跟隨性結(jié)論：
對于空氣湍流，采用1um的粒子,，可以跟隨住約10KHz的脈動頻率,，可以獲得較高的測量精度（99%以上）；
對于水流測量,，采用10um的粒子,，，可獲得同樣的精度,；
假若粒徑的量級無法控制在所需的范圍之內(nèi),，還可以用減小 的方法實現(xiàn)良好的跟隨性,。
- 散射特性
PIV、LDV,、DGV等激光測量技術(shù)都是基于粒子的米散射特性,，在激光前進(jìn)方向，具有很強(qiáng)的散射強(qiáng)度,，其散射強(qiáng)度如下圖：
米散射中,，粒子的散射光強(qiáng)度和方向有關(guān)外，還和粒徑有關(guān),，在滿足跟隨性的條件下,，應(yīng)適當(dāng)增大顆粒粒徑。一般來說,，上限示蹤粒子的粒徑為100微米量級,。
- 粒子濃度
粒子濃度有上限濃度和下限濃度之分。下限濃度取決于實驗者打算用多少時間獲得有效的統(tǒng)計數(shù)據(jù)或者流體處于穩(wěn)定狀態(tài)所延續(xù)的時間,。上限濃度取決于以下幾點：光的衰減,、湍流阻尼、顆粒間凝聚加速和光信號條紋變壞,。
綜合來說,，PIV和LDV測速時只要粒子濃度滿足基本信號分布
和光強(qiáng)以及采樣頻率的要求即可，在此條件下,，粒子濃度越小越好,。相對于PIV要求示蹤粒子在流場中分布均勻要求，LDV的粒子濃度要求會寬泛很多,，DGV實驗對于粒子的濃度要求會更低,。
- 當(dāng)?shù)亓龅挠绊?/span>
聲場的影響：當(dāng)聲場強(qiáng)度達(dá)到140—150dB時，聲凝聚現(xiàn)象使顆粒迅速聚集顆粒團(tuán)迅速長大,；且由于顆粒間以及顆粒和容器邊壁間的高頻摩擦,，使顆粒上吸附大量靜電，同樣會導(dǎo)致顆粒凝聚以及顆粒濃度由于顆粒粘壁而迅速減小,。
電場的影響：由于懸浮粒子通常都會帶有電荷,，外電場能夠影響顆粒與氣體之間的相對運動。如在一些電場氣流實驗中（如靜電除塵器）,，必須考慮消除顆粒上的靜電,。
擴(kuò)散和燃燒熱涌的影響：擴(kuò)散和熱浪涌分別起因于粒子沿濃度梯度方向和溫度梯度方向的運動，尤其在火焰的測量中,，熱浪涌效應(yīng)更為顯著,。火焰場中顆粒的熱浪涌速度可達(dá)0.1m/s數(shù)量級,，對PIV和LDV結(jié)果的影響已經(jīng)很大了,。所以,，一般火焰流場的測量應(yīng)選用較大的顆粒。
- 環(huán)境和健康保護(hù)
0.2um到5um的不揮發(fā)的顆粒很容易被呼吸系統(tǒng)吸入且極難于排出,，它也容易在人體內(nèi)沉淀吸附,，因此對于實驗人員的危害很大。
因此,，在選擇示蹤粒子或者耗材時,，盡量選擇無毒無害的粒子或耗材；實驗環(huán)境應(yīng)通風(fēng)良好,；對于1微米左右的粉塵,，絕大多數(shù)保護(hù)面罩是無用的，有一種正壓力口罩,，較為有效,。
示蹤粒子的加入：
在流場中加入示蹤粒子，對于大多數(shù)的液體,、氣體流場是比較容易實現(xiàn)的,，只是在某些高溫、高壓環(huán)境下,，需要選擇合適的粒子發(fā)生器及配套氣源,。
液體流場的粒子加入：首先，觀察流場中自然存在的粒子是否滿足測量要求,。如果還需要添加示蹤粒子,，播粒應(yīng)盡量避免直接往流場中撒入顆粒，正確的方法：是先配置濃縮的顆粒懸浮液,，然后根據(jù)流場情況注入,；對于流場本身比較復(fù)雜，事先無法得知注入點流速的情況下,，應(yīng)在待測流場上游盡量緩慢地注入濃縮液；對于任何注入點,，如果已知當(dāng)?shù)攸c流場速度,，應(yīng)想方設(shè)法以該速度注入濃縮液，這是加入顆粒的良好途徑,。
氣體流場的粒子加入：如果流場為常溫常壓,，只需要選擇常規(guī)的液體粒子發(fā)生器，選擇合適耗材,，在流場測量點上游加入,。如果流場為正壓或者高壓流場，必須選擇合適型號的液體粒子發(fā)生器,，它的背壓要大于流場的壓力,，同時配置一個壓力氣源,，其壓力要大于流場壓力1.5bar以上，才能將液體粒子壓注入到流場中,。
燃燒火焰流場的粒子加入：根據(jù)燃燒火焰 溫度和速度,，選擇合適種類的耐高溫的固體示蹤粒子，及配套的固體粒子發(fā)生器,。固體粒子發(fā)生器的背壓要大于供氣氣流的壓力,，同時配置一個壓力氣源，氣源壓力要高于供氣氣流的壓力1.5bar以上,，將固體示蹤粒子壓注到火焰氣流中,，隨著氣流進(jìn)入火焰。