應(yīng)用熱線風(fēng)速儀對熔噴流場的溫度速度同步測量方法

王 鑫， 楊 穎， 馬云馳， 麻偉巍，*

(1. 東華大學(xué) 理學(xué)院, 上海 201620; 2. 東華大學(xué) 紡織學(xué)院, 上海 201620)

應(yīng)用熱線風(fēng)速儀對熔噴流場的溫度速度同步測量方法

王 鑫1， 楊 穎2， 馬云馳1， 麻偉巍1，*

(1. 東華大學(xué) 理學(xué)院, 上海 201620; 2. 東華大學(xué) 紡織學(xué)院, 上海 201620)

熱線風(fēng)速儀是將速度信號轉(zhuǎn)化為電信號的測速設(shè)備，在流場測量方面應(yīng)用廣泛。同步測量方法的實驗系統(tǒng)主要包括自加熱設(shè)備、Dantec熱線風(fēng)速儀和二維探頭。本文介紹了同步測量方法，進(jìn)行了變溫度流場的數(shù)據(jù)處理。結(jié)果表明，在變溫度流場中必須進(jìn)行溫度速度的同步測量，關(guān)鍵在于在對應(yīng)溫度下標(biāo)定速度，另外在處理變溫度流場數(shù)據(jù)時要代入變溫度標(biāo)定系數(shù)。實驗結(jié)果證明速度和溫度分布可以通過同步測量方法快速有效地獲得。

變溫度流場;熱線風(fēng)速儀;瞬態(tài)同步測量;標(biāo)定技術(shù);熔噴流場

0 引 言

變溫度流場中溫度隨時間和空間發(fā)生變化，廣泛存在于自然界中。本文研究的熔噴氣流場是一種由碰撞射流構(gòu)成的變溫度流場，近年來一直是新型紡織工藝研究的熱點。熔噴是利用高速熱空氣對聚合物熔體拉伸從而形成超細(xì)纖維的技術(shù)，而氣流場在熔噴技術(shù)中起著關(guān)鍵的作用，因此國內(nèi)外研究者對熔噴技術(shù)的研究主要是關(guān)注熔噴流場，包括速度場和溫度場。

Shambaugh等人[1-3]通過畢托管和熱電偶測量出了熔噴氣流場中氣流的平均速度和平均溫度數(shù)據(jù)。近幾年來，國外研究單位頻繁使用熱線風(fēng)速儀進(jìn)行流

場定性分析和定量測量[4-7]，例如Lee和Wadsworth[8]使用高精度熱線風(fēng)速儀測量了熔噴氣流場的常溫氣流數(shù)據(jù)。汪健生等[9]提出用恒流熱線同時測量流場中速度與溫度的方法，但沒有涉及變溫度工況;姚惠元[10]、論立勇等[11]對熱線風(fēng)速儀的校準(zhǔn)工作進(jìn)行了研究;朱博等[12]給出了二維熱線儀測量方案和在線角度修正方法;但以上文獻(xiàn)未涉及溫度場和速度場的瞬態(tài)同步測量方法和標(biāo)定技術(shù)。

針對熔噴變溫度流場，Shambaugh和Majumdar等[2-3]用畢托管和熱電偶進(jìn)行了變溫度流場的測量，結(jié)果如圖1所示。孫亞峰等[13-14]使用熱線風(fēng)速儀對熔噴氣流場進(jìn)行了測量，給出了熔噴氣流場中心線上的速度衰減,如圖2所示。本文作者采用熱線風(fēng)速儀、用瞬態(tài)同步測量的方法得到的結(jié)果如圖3所示。

對比3種不同的測量方法，本文中使用的熱線風(fēng)速儀瞬態(tài)同步測量在無量綱參數(shù)化后出現(xiàn)I區(qū)現(xiàn)象，且曲線比以上2種方法更加精確。從圖4所示的熔噴碰撞流場可以看出，在距離噴嘴出口最近的區(qū)域，由于距離噴口近，且位于兩股射流擴(kuò)散角以外，所以是高溫低速區(qū)。隨著z方向距離的增加，達(dá)到2股氣流碰撞的核心區(qū)域，速度較大，因而是高溫高速區(qū)。隨著z坐標(biāo)繼續(xù)增加，速度逐漸衰減，達(dá)到低溫低速區(qū)域?？梢姡琁區(qū)是變溫度流場中的起始位置。

圖1 文獻(xiàn)[2]中畢托管和熱電偶的測量結(jié)果

Fig.1 Speed attenuation in the center line of the melt-blowing airflow field by Majumdar[2]

圖2 文獻(xiàn)[13]中的熱線風(fēng)速儀測量結(jié)果

Fig.2 Speed attenuation in the center line of the melt-blowing airflow field by Sun Yafeng[13]

圖3 本文中熱線風(fēng)速儀的測量結(jié)果

Fig.3 Speed attenuation in the center line of the melt-blowing airflow field in this article

圖4 熔噴碰撞流場示意圖

1 實驗裝置與瞬態(tài)同步測量

圖5是熔噴變溫度流場的設(shè)備示意圖，主要由以下部分組成:空壓機(jī)、三級濾波系統(tǒng)、空氣加熱器、探頭移動系統(tǒng)以及熱線風(fēng)速儀。

圖5 熔噴變溫度流場的設(shè)備示意圖

設(shè)備形成對撞熱射流，熱射流在外流場的空間演化中形成了變溫度流場。圖6是在不同流量下噴口處形成的溫度場數(shù)據(jù)。

由于熱線探頭的采集位置隨空間變化，且實驗涉及的是溫度隨空間發(fā)生變化的瞬態(tài)測量，所以必須進(jìn)行溫度與速度的瞬態(tài)同步(耦合)測量，才能準(zhǔn)確地進(jìn)行熔噴流場的空間動力學(xué)行為的實驗研究。

瞬態(tài)同步測量方法就是用溫度速度熱線探頭同步測量流場的溫度和速度，如只測1個速度分量，探頭就由兩根單絲熱線組成，1根測溫，1根測速(如圖7);如測二維速度分量，則探頭是由1根單絲測溫?zé)峋€和2根測速熱線組成。

圖6 不同流量下噴口處形成的溫度場數(shù)據(jù)

圖7 耦合流場的熱線瞬態(tài)同步采集示意圖

Fig.7 Scheme of hot-wire transient synchronous acquisition in coupling flow field

測量使用的是Dantec CTA/HWA系列的Streamline熱線風(fēng)速儀，它的響應(yīng)頻率大于300kHz。熱線探頭使用的是Dantec公司的55P61型二維探頭，其擺放位置垂直于對撞射流的噴口中心正上方，每個工況探頭從距離噴口101mm處移動至距離5mm處，每2mm移動一點，在流動的空間演化方向共有48個空間采集位置點(每個位置采集3×106個離散數(shù)據(jù))，如圖8所示。

圖8 采集點位置

熱線風(fēng)速儀中使用的兩個模塊分別為90C10速度模塊和90C20溫度模塊，如圖9所示。其中90C20溫度模塊的原理是:模塊向熱線探頭輸入恒流I，由于探絲在不同溫度下電阻R不同，因此當(dāng)來流溫度變化時，E=I·R也就不同，模塊將探絲的電壓輸出給A/D板并由計算機(jī)采集。這樣就可以通過在已知的不同溫度下進(jìn)行溫度與電壓之間的標(biāo)定得到標(biāo)定函數(shù)，通過標(biāo)定函數(shù)與采集電壓可以得到所測量的溫度。調(diào)試時輸入電流要適當(dāng)，不能超過5mA，否則探頭熱絲會受到風(fēng)速大小的影響，導(dǎo)致測量值不準(zhǔn)確。

圖9 速度模塊與溫度模塊

2 溫度場與速度場標(biāo)定技術(shù)

2.1 溫度場標(biāo)定技術(shù)

溫度標(biāo)定如同常溫下的速度標(biāo)定，不同的是熱線連接到溫度模塊上。方法是利用實驗加溫設(shè)備，將二維探頭中的任一維作為溫度熱線連接溫度模塊，實驗的氣體加熱裝置可以提供指定溫度。將二維探頭插入標(biāo)定用圓形噴口的溫腔內(nèi)(如圖10所示)，溫腔內(nèi)的溫度由加熱設(shè)備控制，可調(diào)節(jié)溫度(將噴口內(nèi)溫度調(diào)至30℃，直至105℃)，僅對溫度信號進(jìn)行采集，不采集速度信號，目的是為了獲得溫度所對應(yīng)的電壓，并可用四次標(biāo)定函數(shù)[15]求得溫度值

式中:T為溫度值，E為對應(yīng)溫度電壓值。

圖10 溫度標(biāo)定時探頭的擺放

對溫度電壓進(jìn)行最小二乘法擬合，從而求得系數(shù)a0，a1，a2，a3，a4，所得擬合曲線如圖11所示。

2.2 速度場標(biāo)定技術(shù)

速度標(biāo)定是在某一恒定溫度下進(jìn)行速度變化的標(biāo)定，其關(guān)鍵在于必須同時獲得溫度值和速度值，即瞬態(tài)同步測量。方法是利用加溫設(shè)備給出固定溫度，就是保持溫度探頭電壓不變，將探頭位置置于圓孔外射流核心區(qū)內(nèi)改變速度(如圖12所示)，就可實現(xiàn)某一恒定溫度下的速度標(biāo)定工作。通過以下擬合，求得標(biāo)定系數(shù)如表1。

圖11 最小二乘法擬合溫度-電壓關(guān)系曲線

Fig.11 Curve of relationship between voltage and temperature by least-square fitting

圖12 速度標(biāo)定時探頭的擺放

T/℃C0C1C2C3C430-870.7713170.84-691.02126.810.0040-487.70861.86-559.63157.30-15.89500.0510.11-56.96109.08-70.76601.30-1.80-14.6342.55-31.8970-6.4369.86-259.38407.99-232.9580-6.2972.78-283.55463.09-271.959011.69-98.72319.28-460.24246.69100-11.56122.36-456.25726.41-419.04

利用式(2)求出某一恒定溫度熱線的標(biāo)定系數(shù)(即C0，C1，C2，C3，C4)。

式中:Vc為二維探頭單絲瞬時電壓經(jīng)標(biāo)定系數(shù)轉(zhuǎn)化的速度，Ec為二維探頭標(biāo)定所測的單絲瞬時電壓。圖13為溫度熱線在50℃下的速度標(biāo)定最小二乘法擬合曲線。

二維速度探頭的角度標(biāo)定與二維探頭常規(guī)的標(biāo)定方法相同，用角度標(biāo)定求得修正系數(shù)k1與k2，其中k1與k2并不依賴于來流溫度和來流速度。

圖13 在50℃下標(biāo)定的擬合曲線

3 變溫度場的速度測量技術(shù)

3.1 變溫度場的一維速度測量

使用二維探頭進(jìn)行變溫度流場的溫度與速度的瞬態(tài)同步測量可分別獲得每個測點的溫度與一維速度的電壓數(shù)據(jù)，每個離散點數(shù)據(jù)在時間上是同步對應(yīng)的。由公式(1)以及所獲得的溫度標(biāo)定系數(shù)可將溫度熱線每個離散電壓轉(zhuǎn)化為溫度。通過編程，先獲得溫度場，由于每個點的溫度T是可知的，只需要選取對應(yīng)溫度下所獲得的標(biāo)定系數(shù)，利用公式(2)便可求出每點的速度。

3.1.1 具備溫度補(bǔ)償功能

如果熱線風(fēng)速儀具備溫度補(bǔ)償功能，即速度熱線的標(biāo)定系數(shù)在標(biāo)定溫度的±5℃范圍內(nèi)有效，則在計算時，當(dāng)氣流溫度大于35℃且小于等于45℃時，選用40℃的標(biāo)定系數(shù);當(dāng)氣流溫度大于45℃且小于55℃時選用50℃的標(biāo)定系數(shù)，標(biāo)定系數(shù)選取如表2所示，如C30代表25℃～35℃下的速度標(biāo)定系數(shù)，以此類推。

表2 標(biāo)定系數(shù)的選取Table 2 Selection of calibration coefficients

3.1.2 不具備溫度補(bǔ)償功能

如果不能實現(xiàn)熱線風(fēng)速儀測速的溫度補(bǔ)償，則必須先獲得溫度場，然后在已知溫度場各對應(yīng)點(實際溫度)進(jìn)行該恒定溫度下的速度標(biāo)定。

3.2 變溫度場的二維速度測量

在進(jìn)行變溫度流場的二維速度測量時，因為使用二維探頭，必須進(jìn)行2次測量操作。其方法是:第1次測量在每一個工況下先進(jìn)行流場的溫度與速度的瞬態(tài)同步測量，得到流場的溫度分布、一維速度分布以及所對應(yīng)的標(biāo)定系數(shù)，然后再進(jìn)行第2次的二維速度測量。第2次實驗的變溫度流場二維速度測量方法和恒溫流場的測量方法相同，利用公式(2)～(6)可求出速度值。需要注意的是公式中標(biāo)定系數(shù)必須按第1次瞬態(tài)同步測量所獲得的溫度對應(yīng)系數(shù)選取。圖14對2次采集經(jīng)換算得到的速度平均值進(jìn)行了比較(V1為同步采集經(jīng)變溫度系數(shù)換算得到的速度平均值，V2是第2次采集按溫度對應(yīng)的標(biāo)定系數(shù)換算得到的速度平均值，V3為第2次采集帶入常溫標(biāo)定系數(shù)得到的速度平均值)，由圖可知，V1、V2速度差別不大，而V3與V1、V2差別較大，說明變溫度流場的測量關(guān)鍵在于標(biāo)定系數(shù)必須帶入瞬態(tài)同步測量所獲得的溫度系數(shù)。

式中:U為二維探頭經(jīng)角度標(biāo)定系數(shù)修正得到的單絲修正電壓，Va、Vb為二維探頭經(jīng)標(biāo)定系數(shù)轉(zhuǎn)換的流向和展向速度，下標(biāo)1、2代表探頭編號。

圖14 2次采集中電壓轉(zhuǎn)化為平均速度的比較

Fig.14 Comparison of the conversion from the voltage data to average velocity in two acquisitions

進(jìn)行變溫度流場的實驗測量時，由于溫度場和速度場是相互耦合流場，因此測量的關(guān)鍵在于:速度公式中必須代入瞬態(tài)同步測量對應(yīng)溫度下所獲得的標(biāo)定系數(shù)，另外要正確使用溫度場與速度場的標(biāo)定方法，否則無法獲得精準(zhǔn)的實驗數(shù)據(jù)。

4 實驗結(jié)果及分析

4.1 變溫度流場平均量速度項分析

在實驗數(shù)據(jù)采集開始前，通過獲得的不同溫度下的標(biāo)定系數(shù)C0，C1，C2，C3，C4，利用公式(2)～(6)將采集到的瞬時電壓轉(zhuǎn)換為速度分量。

圖15中的瞬時電壓為不經(jīng)標(biāo)定系數(shù)直接代入公式(2)～(6)處理得到，速度是將每個測點對應(yīng)的變溫度標(biāo)定系數(shù)代入公式(2)～(6)得到。

分析圖15可知，在變溫度流場下，瞬時電壓與速度分量趨勢不同，說明變溫度流場下進(jìn)行熱線空間瞬態(tài)實驗研究必須對探頭進(jìn)行標(biāo)定。

圖15 變溫度流場下瞬時電壓和速度分量曲線

Fig.15 Transient voltage and velocity component curves in variable-temperature flow field

4.2 變溫度流場瞬時量頻譜分析

頻譜分析是業(yè)內(nèi)常用來對流場物理量瞬時性質(zhì)進(jìn)行分析的一種方式，因此對變溫度流場頻譜FFT處理圖形進(jìn)行了分析。

圖16(a)是將瞬時電壓轉(zhuǎn)換后的FFT頻譜空間演化圖。圖16(b)是將瞬時電壓代入變溫度標(biāo)定系數(shù)(標(biāo)定系數(shù)隨溫度改變)轉(zhuǎn)化為速度的FFT頻譜空間演化圖。由圖16(a)、(b)可見，用電壓直接計算的FFT與代入隨變溫度變化標(biāo)定系數(shù)的FFT相比，趨勢有明顯區(qū)別。說明無論是否只進(jìn)行趨勢分析，變溫度流場的測量探頭都必須進(jìn)行標(biāo)定，否則結(jié)果不準(zhǔn)確。

圖16 變溫度流場下瞬時電壓和速度分量頻譜圖

Fig.16 Transient voltage and velocity components spectrogram in variable-temperature flow field

5 結(jié) 論

以上分析證明了變溫度流場的瞬態(tài)同步測量方法是一種應(yīng)用熱線風(fēng)速儀原理、基于速度場和溫度場定量測量的技術(shù)，在流場測量中有著巨大的應(yīng)用潛力。利用變溫度流場開展了瞬態(tài)同步測量方法研究，成功獲得了定量的瞬時電壓、速度分量和頻率分布測量結(jié)果。實驗結(jié)果表明，利用熱線風(fēng)速儀進(jìn)行流場測量時，如果研究變溫度流場，分析平均量和瞬時量數(shù)據(jù)的結(jié)果，無論在趨勢上還是坐標(biāo)的物理量方面都不相同，因此在變溫度流場測量時必須要進(jìn)行瞬態(tài)同步標(biāo)定工作，正確的標(biāo)定工作對數(shù)據(jù)結(jié)果的準(zhǔn)確分析至關(guān)重要。而本文的瞬態(tài)同步測量方法能夠方便有效地實現(xiàn)變溫度流場下的速度測量，為熔噴流場定量的速度測量提供了一種簡潔有效的方法。

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(編輯：張巧蕓)

Research on synchronous measurement of temperature and velocity in melt-blowing flow field based on hot-wire anemometer

Wang Xin1， Yang Ying2， Ma Yunchi1， Ma Weiwei1,*

(1. College of Science, Donghua University, Shanghai 201620, China; 2. College of Textiles, Donghua University, Shanghai 201620, China)

Hot-wire anemometer is a speed measuring equipment of converting velocity signal to electric signal with remarkable advantages, such as high precision, easy operation and transient synchronous measurement. It has extensive application prospects in flow field measurement. The transient synchronous measurement experimental setup mainly consists of self heating equipment, Dantec CTA/HWA and two dimensional probe. The implementation of the transient synchronous measurement is described, and the quantitative data processing of variable-temperature flow field is introduced. The basic operation technology of transient synchronous measurement is expatiated, and the instantaneous signal and power spectral density are analyzed. It is shown that transient synchronous measurement of temperature and velocity is necessary for variable-temperature airflow field. The key point is to calibrate the velocity at the corresponding temperature, and the variable-temperature calibration coefficient must be substituted into the formulas when processing the variable-temperature airflow field data. The experimental results show that the velocity and temperature distribution can be obtained quantitatively by transient synchronous measurement method expediently, effectively and in a compact way.

variable-temperature field;hot-wire anemometer;transient synchronous measurement;calibration technique;airflow field of melt-blowing

1672-9897(2016)01-0091-06

10.11729/syltlx20150068

2015-05-15;

2015-07-29

中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項基金項目(EG2015030);國家自然科學(xué)基金面上項目(編號：11172069)

WangX，YangY，MaYC,etal.Researchonsynchronousmeasurementoftemperatureandvelocityinmelt-blowingflowfieldbasedonhot-wireanemometer.JournalofExperimentsinFluidMechanics, 2016, 30(1): 91-96. 王 鑫， 楊 穎， 馬云馳, 等. 應(yīng)用熱線風(fēng)速儀對熔噴流場的溫度速度同步測量方法. 實驗流體力學(xué), 2016, 30(1): 91-96.

O353.5

A

王 鑫(1990-)，男，內(nèi)蒙古烏海人，碩士。研究方向：渦量及渦動力學(xué)。通信地址： 上海市松江區(qū)人民北路2999號東華大學(xué)綜合實驗樓b140室(201620)。Email: jasonwang_xin@163.com

*通信作者 E-mail: mww@dhu.edu.cn