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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(cè)量技術(shù)（北京）有限公司
對(duì)于流場(chǎng)顯示、PIV、LDV、DGV等激光流場(chǎng)測(cè)量實(shí)驗(yàn)，示蹤粒子的選擇和加入是一個(gè)影響實(shí)驗(yàn)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?chǎng)的影響
· 環(huán)境和健康保護(hù)
- 跟隨性
在PIV，LDV和DGV實(shí)驗(yàn)中，測(cè)量得到的速度場(chǎng)，并不是流體質(zhì)點(diǎn)的速度，而是懸浮于流體內(nèi)發(fā)射散射光的顆粒的運(yùn)動(dòng)速度。
這些粒子，我們稱為示蹤粒子，他可以是流場(chǎng)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(jí)，不可能的*跟隨流體一起運(yùn)動(dòng)，粒子速度或多或少的與質(zhì)點(diǎn)流速不等，這是激光PIV、LDV和DGV測(cè)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(duì)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(shí)間的增加，粒子和流場(chǎng)的速度夾角q值迅速增加，但有一個(gè)極值，即終顆粒速度將與流體速度保持一個(gè)常量，K值越大，達(dá)到該常量的時(shí)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(duì)增加顆粒的動(dòng)態(tài)響應(yīng)也是很重要的手段。
上述結(jié)果得到了實(shí)驗(yàn)結(jié)果的驗(yàn)證。比如：在空氣中測(cè)量湍流，只要散射粒子的直徑在1um的量級(jí)，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(dòng)頻率為1kHz）
湍流（空氣）中幾種粒子的h值（湍流脈動(dòng)頻率為1kHz）
示蹤粒子跟隨性結(jié)論：
對(duì)于空氣湍流，采用1um的粒子，可以跟隨住約10KHz的脈動(dòng)頻率，可以獲得較高的測(cè)量精度（99%以上）；
對(duì)于水流測(cè)量，采用10um的粒子，，可獲得同樣的精度；
假若粒徑的量級(jí)無法控制在所需的范圍之內(nèi)，還可以用減小 的方法實(shí)現(xiàn)良好的跟隨性。
- 散射特性
PIV、LDV、DGV等激光測(cè)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(jí)。
- 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(shí)驗(yàn)者打算用多少時(shí)間獲得有效的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)或者流體處于穩(wěn)定狀態(tài)所延續(xù)的時(shí)間。上限濃度取決于以下幾點(diǎn)：光的衰減、湍流阻尼、顆粒間凝聚加速和光信號(hào)條紋變壞。
綜合來說，PIV和LDV測(cè)速時(shí)只要粒子濃度滿足基本信號(hào)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(duì)于PIV要求示蹤粒子在流場(chǎng)中分布均勻要求，LDV的粒子濃度要求會(huì)寬泛很多，DGV實(shí)驗(yàn)對(duì)于粒子的濃度要求會(huì)更低。
- 當(dāng)?shù)亓?chǎng)的影響
聲場(chǎng)的影響：當(dāng)聲場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到140—150dB時(shí)，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(huì)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(chǎng)的影響：由于懸浮粒子通常都會(huì)帶有電荷，外電場(chǎng)能夠影響顆粒與氣體之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。如在一些電場(chǎng)氣流實(shí)驗(yàn)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(yùn)動(dòng)，尤其在火焰的測(cè)量中，熱浪涌效應(yīng)更為顯著?；鹧鎴?chǎng)中顆粒的熱浪涌速度可達(dá)0.1m/s數(shù)量級(jí)，對(duì)PIV和LDV結(jié)果的影響已經(jīng)很大了。所以，一般火焰流場(chǎng)的測(cè)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(duì)于實(shí)驗(yàn)人員的危害很大。
因此，在選擇示蹤粒子或者耗材時(shí)，盡量選擇無毒無害的粒子或耗材；實(shí)驗(yàn)環(huán)境應(yīng)通風(fēng)良好；對(duì)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(chǎng)中加入示蹤粒子，對(duì)于大多數(shù)的液體、氣體流場(chǎng)是比較容易實(shí)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(chǎng)的粒子加入：首先，觀察流場(chǎng)中自然存在的粒子是否滿足測(cè)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(chǎng)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(chǎng)情況注入；對(duì)于流場(chǎng)本身比較復(fù)雜，事先無法得知注入點(diǎn)流速的情況下，應(yīng)在待測(cè)流場(chǎng)上游盡量緩慢地注入濃縮液；對(duì)于任何注入點(diǎn)，如果已知當(dāng)?shù)攸c(diǎn)流場(chǎng)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(chǎng)的粒子加入：如果流場(chǎng)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(chǎng)測(cè)量點(diǎn)上游加入。如果流場(chǎng)為正壓或者高壓流場(chǎng)，必須選擇合適型號(hào)的液體粒子發(fā)生器，它的背壓要大于流場(chǎng)的壓力，同時(shí)配置一個(gè)壓力氣源，其壓力要大于流場(chǎng)壓力1.5bar以上，才能將液體粒子壓注入到流場(chǎng)中。
燃燒火焰流場(chǎng)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(shí)配置一個(gè)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。