示踪粒子的选择和加入

北廷测量技术（北京）有限公司

对于流场显示、PIV、LDV、DGV等激光流场测量实验，示踪粒子的选择和加入是一个影响实验效果的很重要的因素。

示踪粒子的选择，通常需要从以下因素考虑：

· 跟随性

· 散射特性

· 粒子浓度

· 当地力场的影响

· 环境和健康保护

• 跟随性

在PIV，LDV和DGV实验中，测量得到的速度场，并不是流体质点的速度，而是悬浮于流体内发射散射光的颗粒的运动速度。

这些粒子，我们称为示踪粒子，他可以是流场中自然存在的粒子，也可以是人为添加的示踪粒子。这些示踪粒子基本都是微米量级，不可能的*跟随流体一起运动，粒子速度或多或少的与质点流速不等，这是激光PIV、LDV和DGV测量首要的系统误差。

示踪粒子的跟随性可以用跟随系数       来表征，

a.在层流中：

                   （1）

从上式可见：粒径对跟随性的影响远大于其密度的影响。

b.在旋转层流中：  

                                            （2）

随着时间的增加，粒子和流场的速度夹角q值迅速增加，但有一个极值，即终颗粒速度将与流体速度保持一个常量，K值越大，达到该常量的时间越短。

C.在湍流中：

通过以上分析，可得结论：粒径是影响颗粒跟随性重要的因素，所以减小颗粒粒径对增加颗粒的动态响应也是很重要的手段。

上述结果得到了实验结果的验证。比如：在空气中测量湍流，只要散射粒子的直径在1um的量级，即使比空气重3500倍的二氧化钛粒子，粒子的流速也只比1kHz的湍流流速低0.4%。

湍流（水）中几种粒子的h值（湍流脉动频率为1kHz）

湍流（空气）中几种粒子的h值（湍流脉动频率为1kHz）

示踪粒子跟随性结论：

对于空气湍流，采用1um的粒子，可以跟随住约10KHz的脉动频率，可以获得较高的测量精度（99%以上）；

对于水流测量，采用10um的粒子，，可获得同样的精度；

假若粒径的量级无法控制在所需的范围之内，还可以用减小          的方法实现良好的跟随性。

• 散射特性

PIV、LDV、DGV等激光测量技术都是基于粒子的米散射特性，在激光前进方向，具有很强的散射强度，其散射强度如下图：

米散射中，粒子的散射光强度和方向有关外，还和粒径有关，在满足跟随性的条件下，应适当增大颗粒粒径。一般来说，上限示踪粒子的粒径为100微米量级。

• 粒子浓度

粒子浓度有上限浓度和下限浓度之分。下限浓度取决于实验者打算用多少时间获得有效的统计数据或者流体处于稳定状态所延续的时间。上限浓度取决于以下几点：光的衰减、湍流阻尼、颗粒间凝聚加速和光信号条纹变坏。

综合来说，PIV和LDV测速时只要粒子浓度满足基本信号分布

和光强以及采样频率的要求即可，在此条件下，粒子浓度越小越好。相对于PIV要求示踪粒子在流场中分布均匀要求，LDV的粒子浓度要求会宽泛很多，DGV实验对于粒子的浓度要求会更低。

• 当地力场的影响

声场的影响：当声场强度达到140—150dB时，声凝聚现象使颗粒迅速聚集颗粒团迅速长大；且由于颗粒间以及颗粒和容器边壁间的高频摩擦，使颗粒上吸附大量静电，同样会导致颗粒凝聚以及颗粒浓度由于颗粒粘壁而迅速减小。

电场的影响：由于悬浮粒子通常都会带有电荷，外电场能够影响颗粒与气体之间的相对运动。如在一些电场气流实验中（如静电除尘器），必须考虑消除颗粒上的静电。

扩散和燃烧热涌的影响：扩散和热浪涌分别起因于粒子沿浓度梯度方向和温度梯度方向的运动，尤其在火焰的测量中，热浪涌效应更为显著。火焰场中颗粒的热浪涌速度可达0.1m/s数量级，对PIV和LDV结果的影响已经很大了。所以，一般火焰流场的测量应选用较大的颗粒。 

• 环境和健康保护

0.2um到5um的不挥发的颗粒很容易被呼吸系统吸入且极难于排出，它也容易在人体内沉淀吸附，因此对于实验人员的危害很大。

因此，在选择示踪粒子或者耗材时，尽量选择无毒无害的粒子或耗材；实验环境应通风良好；对于1微米左右的粉尘，绝大多数保护面罩是无用的，有一种正压力口罩，较为有效。

示踪粒子的加入：

在流场中加入示踪粒子，对于大多数的液体、气体流场是比较容易实现的，只是在某些高温、高压环境下，需要选择合适的粒子发生器及配套气源。

液体流场的粒子加入：首先，观察流场中自然存在的粒子是否满足测量要求。如果还需要添加示踪粒子，播粒应尽量避免直接往流场中撒入颗粒，正确的方法：是先配置浓缩的颗粒悬浮液，然后根据流场情况注入；对于流场本身比较复杂，事先无法得知注入点流速的情况下，应在待测流场上游尽量缓慢地注入浓缩液；对于任何注入点，如果已知当地点流场速度，应想方设法以该速度注入浓缩液，这是加入颗粒的良好途径。

气体流场的粒子加入：如果流场为常温常压，只需要选择常规的液体粒子发生器，选择合适耗材，在流场测量点上游加入。如果流场为正压或者高压流场，必须选择合适型号的液体粒子发生器，它的背压要大于流场的压力，同时配置一个压力气源，其压力要大于流场压力1.5bar以上，才能将液体粒子压注入到流场中。

燃烧火焰流场的粒子加入：根据燃烧火焰 温度和速度，选择合适种类的耐高温的固体示踪粒子，及配套的固体粒子发生器。固体粒子发生器的背压要大于供气气流的压力，同时配置一个压力气源，气源压力要高于供气气流的压力1.5bar以上，将固体示踪粒子压注到火焰气流中，随着气流进入火焰。