2013年全国水动力学研讨会：长时间多数据动态试验的热线分析（马云驰、蒋运幸、余宇轩、谢锡麟、麻伟巍）

第二十五届全国水动力学研讨会暨第十一届全国水动力学学术会议 长时间多数据动态实验的热线分析 马云驰,蒋运幸',余宇轩2,谢锡麟,麻伟巍" (东华大学理学院,上海, (复旦大学力学与工程科学系,上海,200433) 摘要:本文针对 DANTEC热线风速仪,对长时间多数据动态测试实验中存在的现象 ( DANTEC一般类的AD板的每个通道集点数的上限只有4×10°个)提出了动态标定的方法 (不同的两块A/D板的标定),并就实验的动态数据进行了对比(电压与速度)分析。结果 表明:使用热线风速仪进行动态测量实验后进行数据分析时,如果仅仅对数据进行流动的趋 势分析,则不需要标定探头。如果需要对其物理量即速度定量进行分析时,则必需要对探头 标定,但精确标定A/D板之间关系的工作比较困难 关键词:热线风速仪;动态标定;动态测量 绪论 动态风速测定时,由于热线风速仪检测元件较小、热惯性小、灵敏度及空间分辨率较高 并且其动态测量频响较好,因此是目前进行动态风速测量比较理想的测量仪器之一15。本 文针对丹迪( DANTEC)进行长时间多数据动态实验时由于AD板在频率上无法满足实验条 件( DANTEC A/D板的每个通道采集点数的上限数据只有4×10°个)。因此运用与北京波普 (WS)AD并联方法,涉及到对两块AD板之间的关系进行标定的问题给出了对应的标定 方法,并就动态实验分析对是否需要进行速度标定 实验使用了5个通道,每个通道采集要求采集430个数据组,采集时间共达6小时20 分钟,这样每个通数据点数达到279×10个。但是由于 DANTEC的一般类的A/D板的每个 通道集点数的上限只有4×105个,如图1所示。 因此 DANTEC热线风速仪在6小时20分的采集时间下,A/D板的采样频率最多只有不 到200Hz,无法满足试验要求。因此实验选择另一块板,这样实验中其每个通道的采样频率 约可达到10000Hz,可满足长时间多数据动态实验的要求 图1采集数据上限 图2 DANTEC标定程序求标定系数C 本研究受国家自然科学基金面上项目(10872051,1112069)资助。通讯作者:麻伟巍东华大学理学院 mail: my

第二十五届全国水动力学研讨会暨第十一届全国水动力学学术会议 长时间多数据动态实验的热线分析 马云驰 1，蒋运幸 1，余宇轩 2，谢锡麟 2，麻伟巍 1* (东华大学 理学院，上海，201620) (复旦大学 力学与工程科学系，上海，200433) 摘要: 本文针对 DANTEC 热线风速仪，对长时间多数据动态测试实验中存在的现象 （DANTEC 一般类的 A/D 板的每个通道集点数的上限只有 4  106个）提出了动态标定的方法 （不同的两块 A/D 板的标定），并就实验的动态数据进行了对比（电压与速度）分析。结果 表明：使用热线风速仪进行动态测量实验后进行数据分析时，如果仅仅对数据进行流动的趋 势分析，则不需要标定探头。如果需要对其物理量即速度定量进行分析时，则必需要对探头 标定，但精确标定 A/D 板之间关系的工作比较困难。 关键词：热线风速仪；动态标定；动态测量 1 绪论 动态风速测定时，由于热线风速仪检测元件较小、热惯性小、灵敏度及空间分辨率较高、 并且其动态测量频响较好，因此是目前进行动态风速测量比较理想的测量仪器之一[1-5]。本 文针对丹迪（DANTEC）进行长时间多数据动态实验时由于 A/D 板在频率上无法满足实验条 件（DANTEC A/D 板的每个通道采集点数的上限数据只有 4  106个）。因此运用与北京波普 （WS）A/D 并联方法，涉及到对两块 A/D 板之间的关系进行标定的问题给出了对应的标定 方法，并就动态实验分析对是否需要进行速度标定。 实验使用了 5 个通道，每个通道采集要求采集 430 个数据组，采集时间共达 6 小时 20 分钟，这样每个通数据点数达到 2.279  106个。但是由于 DANTEC 的一般类的 A/D 板的每个 通道集点数的上限只有 4  106个，如图 1 所示。 因此 DANTEC 热线风速仪在 6 小时 20 分的采集时间下，A/D 板的采样频率最多只有不 到 200Hz，无法满足试验要求。因此实验选择另一块板，这样实验中其每个通道的采样频率 约可达到 10000Hz，可满足长时间多数据动态实验的要求。 图 1 采集数据上限 图 2 DANTEC 标定程序求标定系数 C *本研究受国家自然科学基金面上项目（10872051，11172069）资助。通讯作者：麻伟巍 东华大学理学院； Email: mww@fudan.edu.cn

第二十五届全国水动力学研讨会暨第十一届全国水动力学学术会议 标定方法和分析 21两块AD板的标定方法 实验利用了 DANTEC热线风速仪的速度标定装置及程序。在标定时,实验设定标定的速 度区间以及这之间标定的点数n,程序可通过log曲线选取所需速度区间内的速度点V(=1, 2,…,n)。标定射流出风装置将空压机的高压气体以这些速度ⅵ依次标定探头,AD板记 录与风速对应的电压值E,然后利用脉冲电压转换为速度分量关系式(以下简称速度计算公 式):V=Co+C1E1C2E2+C3E3+C4E(其中C0至C4为标定系数,且为待求常数),程序自动求 出待求项C至C4每一个探头都需要标定得到各自的C。得到G后,只要将探头测到的任 意风速下的电压值数据代入公式后就可以算出之对应的真实速度了,标定系数软件如图2 所示。 但是因长时间多数据动态实验的需要用另外A/D板进行数据采集,因此就涉及到如何 进行对应的动态标定,也就是需要得到Ws的A/D板与 DANTEC的AD板之间的输出电压关 系。这样,就可以将WSAD板的电压数据转换成同样风速下 DANTEC采集到的电压值,并 代入公式,可以得到WS的AD板采集的电压对应的真实的速度了,也就达到对wsAD板 进行速度与电压的标定的目的。因此需要对两块A/D采集电压的关系板进行标定。本文就 此进行了三种方法的实验对比 三通转换接口 DANTEC信号4米线 4米线 热线探头 放大器 DANTEC AD板 北京波普AD 采集输出1 板 十算机1 采集输出2 计算机 图3方法一的采集流程简图 三通转换接口 4米线 稳压电源 DANTEC 采集输出1 AD板 北京波普AD 计算机 采集输出2 计算机2 图4方法二的采集流程简图

第二十五届全国水动力学研讨会暨第十一届全国水动力学学术会议 2 标定方法和分析 2.1 两块 A/D 板的标定方法 实验利用了 DANTEC 热线风速仪的速度标定装置及程序。在标定时，实验设定标定的速 度区间以及这之间标定的点数 n，程序可通过 log 曲线选取所需速度区间内的速度点 Vi(i=1， 2，„，n)。标定射流出风装置将空压机的高压气体以这些速度 Vi 依次标定探头，A/D 板记 录与风速对应的电压值 Ei，然后利用脉冲电压转换为速度分量关系式（以下简称速度计算公 式）：Vi=C0+C1Ei 1 +C2Ei 2 + C3Ei 3 +C4Ei 4（其中 C0至 C4为标定系数，且为待求常数），程序自动求 出待求项 C0至 C4。每一个探头都需要标定得到各自的 Ci。得到 Ci后，只要将探头测到的任 意风速下的电压值数据代入公式后就可以算出之对应的真实速度了，标定系数软件如图 2 所示。 但是因长时间多数据动态实验的需要用另外 A/D 板进行数据采集，因此就涉及到如何 进行对应的动态标定，也就是需要得到 WS 的 A/D 板与 DANTEC 的 A/D 板之间的输出电压关 系。这样，就可以将 WS A/D 板的电压数据转换成同样风速下 DANTEC 采集到的电压值，并 代入公式，可以得到 WS 的 A/D 板采集的电压对应的真实的速度了，也就达到对 WS A/D 板 进行速度与电压的标定的目的。因此需要对两块 A/D 采集电压的关系板进行标定。本文就 此进行了三种方法的实验对比。 图 3 方法一的采集流程简图 图 4 方法二的采集流程简图

第二十五届全国水动力学研讨会暨第十一届全国水动力学学术会议 DANTEC信号 4米线 线探头 放大器 AD 计算机2 图5方法三的采集流程简图 探头 DANTEC信号 4米线 4米线 放大器 北京波普AD 计算机2 图6方法三的采集流程简图II 22标定两块AD板的方法和数据分析 标定共使用了3种方法,由21节得到了一些速度点V(i=1,2,…n),和对应的电压E, 其中v以及n与设定有关。 方法一(如图3所示):设置的 DANTEC A/D板的采样频率为100Hz,WSAD板的采样 频率为8090Hz。给定出风速度为V1至Vn,然后同时采集 DANTEC和WA/D板的电压数据 采集时间为5秒。将采集的电压数据进行平均,然后比对如表1所示。 表1方法一的标定数据对比 实验编速度值(ms)标定速度 DANTEC A/D板平wsA/D板电压值两者电压差值 (m/s) 均电压(V) 1.787 1.097 1.787 0.1470 1420 1412 1.819 0.1761 1.6429 1420 1.412 1.819 0.1764 1644 1.392 1.819 0.1740 1.6450 1854 1.825 1.832 1.854 0.1233 16427 1.821 1854 0.2084 16456

第二十五届全国水动力学研讨会暨第十一届全国水动力学学术会议 图 5 方法三的采集流程简图 I 图 6 方法三的采集流程简图 II 2.2 标定两块 A/D 板的方法和数据分析 标定共使用了 3 种方法，由 2.1 节得到了一些速度点 Vi（i=1,2,„,n），和对应的电压 Ei， 其中 Vi以及 n 与设定有关。 方法一（如图 3 所示）：设置的 DANTEC A/D 板的采样频率为 100Hz，WS A/D 板的采样 频率为 8090Hz。给定出风速度为 V1至 Vn，然后同时采集 DANTEC 和 WS A/D 板的电压数据， 采集时间为 5 秒。将采集的电压数据进行平均，然后比对如表 1 所示。 表 1 方法一的标定数据对比 实 验 编 号 速度值(m/s) 标定速度 （m/s） DANTEC A/D 板平 均电压（V） WS A/D 板电压值 （V） 两者电压差值 ⑴ 1.097 1.098 1.787 0.1458 1.6412 ⑵ 1.097 1.098 1.787 0.1470 1.6400 ⑶ 1.420 1.412 1.819 0.1761 1.6429 ⑷ 1.420 1.412 1.819 0.1764 1.6444 ⑸ 1.392 1.412 1.819 0.1740 1.6450 ⑹ 1.825 1.832 1.854 0.2463 1.6077 ⑺ 1.825 1.832 1.854 0.1233 1.6427 ⑻ 1.821 1.832 1.854 0.2084 1.6456

第二十五届全国水动力学研讨会暨第十一届全国水动力学学术会议 图7两块AD板的差值 实验验证两个AD板是否存在常数(线性)关系,将出风速度的电压认为是标定速度 的电压。观察数据发现确实有一定常数关系,除了数据点(6),两者差值均为1.64V左右,如 图7所示。但国产AD板带有清零功能,然而清零值有时变动很大(变化量可达0.3V),但 实际测出来的电压变化相对很小(仅为清零值的十分之一),所以认为不应计入清零值,否 则如果计入清零值则同一速度下的电压变化量过大。 方法二:标定实验时,考虑用稳压电源给两块AD板同时输出一个电压,让两块AD 板同时采集,对实验数据进行了分析。通过改变稳压电源的电压,观察采集的电压变化,就 可以得到两块AD板采集电压与输入电压之间的关系,实验使用了两块不同的电压表记录 稳压电源的输入电压,输入及采集数据如表2所示。 由于速度与电压关系的标定采用的是 DANTEC的程序,其程序精确到0.001,而WSA/D 板的精度为00001,实验在将电压转换为速度时。由以表2及图8可以看出,在稳压电源输 入一个电压后,两块AD板采集得到的数据最大差为000046V。因为速度是一个4次函数 电压差值越大,转化为速度的差值也可能呈次方放大。所以,实验需要在电压上保留更多的 位数,这样可以缩小两者电压差距,从而确保得到的速度误差百分比最小。 为了检验两块AD板电压的偏差导致的速度的偏差值,实验将第次至次实验的电 压值带入速度计算公式(取一组标定下的C,其中C0=2.348389,C1=4330581,C2=3595350 C3=10184552,C4=4.623913)求出速度差值百分数,在几百米的风速下误差不到01%,如 图9所示 表2方法二的数据 实验指针电压数字电压| DANTECA/D WS A/D板采集wsAD板与两平均电压差 编号表显示的表显示的板采集电压平电压平均值(V)数字电压表值(V) 输入电压输入电压均值(v) 的差(V) 19765 1.97648 0.02352 0.00002 2.2060 2.4698 2.46949 0.03051 0.00031 2 3.00 2.9510 2.95074 0.04926 0.00026 3.5 3.27754 0.00046 3.45018 0.04982 0.00018 4.0 94321

第二十五届全国水动力学研讨会暨第十一届全国水动力学学术会议 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 ⑴ ⑵ ⑶ ⑷ ⑸ ⑹ ⑺ ⑻ 图 7 两块 A/D 板的差值 实验验证两个 A/D 板是否存在常数（线性）关系，将出风速度的电压认为是标定速度 的电压。观察数据发现确实有一定常数关系，除了数据点⑹，两者差值均为 1.64V 左右，如 图 7 所示。但国产 A/D 板带有清零功能，然而清零值有时变动很大（变化量可达 0.3V），但 实际测出来的电压变化相对很小（仅为清零值的十分之一），所以认为不应计入清零值，否 则如果计入清零值则同一速度下的电压变化量过大。 方法二：标定实验时，考虑用稳压电源给两块 A/D 板同时输出一个电压，让两块 A/D 板同时采集，对实验数据进行了分析。通过改变稳压电源的电压，观察采集的电压变化，就 可以得到两块 A/D 板采集电压与输入电压之间的关系，实验使用了两块不同的电压表记录 稳压电源的输入电压，输入及采集数据如表 2 所示。 由于速度与电压关系的标定采用的是 DANTEC 的程序，其程序精确到 0.001，而 WS A/D 板的精度为 0.0001，实验在将电压转换为速度时。由以表 2 及图 8 可以看出，在稳压电源输 入一个电压后，两块 A/D 板采集得到的数据最大差为 0.00046V。因为速度是一个 4 次函数， 电压差值越大，转化为速度的差值也可能呈次方放大。所以，实验需要在电压上保留更多的 位数，这样可以缩小两者电压差距，从而确保得到的速度误差百分比最小。 为了检验两块 A/D 板电压的偏差导致的速度的偏差值，实验将第⒁次至⒄次实验的电 压值带入速度计算公式（取一组标定下的 Ci，其中 C0=-2.348389，C1=4.330581，C2=3.595350， C3=-10.184552，C4=4.623913）求出速度差值百分数，在几百米的风速下误差不到 0.1%，如 图 9 所示。 表 2 方法二的数据 实验 编号 指针电压 表显示的 输入电压 （V） 数字电压 表显示的 输入电压 （V） DANTECA/D 板采集电压平 均值（V） WS A/D 板采集 电压平均值（V） WS A/D 板与 数字电压表 的差（V） 两平均电压差 值（V） ⑼ 2.00 1.9765 1.97648 0.02352 0.00002 ⑽ 2.5 2.2060 2.20601 -0.00001 ⑾ 2.50 2.4698 2.46949 0.03051 0.00031 ⑿ 3.0 2.7200 2.71972 0.00028 ⒀ 3.00 2.9510 2.95074 0.04926 0.00026 ⒁ 3.5 3.2780 3.27754 0.00046 ⒂ 3.50 3.4500 3.45018 0.04982 -0.00018 ⒃ 4.0 3.7965 3.79620 0.00030 ⒄ 4.00 3.9436 3.94321 0.05679 0.00039

第二十五届全国水动力学研讨会暨第十一届全国水动力学学术会议 -0,002 图8方法三中稳压电源输入后两块A/D板的电压差值(V) 0.1000 0800% 0.0200% 0.0000% 9方法三中两块M/D板在电压转化为速度后的差值百分数 由方法二与方法一的结果差别较大,实验考虑了如下问题:(1) DANTEC热线风速仪对 数据线的长度有严格规定。由于WSA/D板的使用,需要多引出一条4m长的数据线。数据 线含有电阻,需要评估这条线对采集结果是否有影响。(2)方法采集电压来自稳压电源,而 不是来自热线探头,是不是稳压电源的功率大,所以在国产A/D板上的损失相对小了,从 而第二次试验两次采集电压这样接近。因此又进行了方法三的实验 在方法三中,依照图5和图6的方法各做了标定。以检验上述两个问题 表3标定方法三的数据 风速2ms时的电压(V)风速4m/s时的电压(V)风速6ms时电压(V) 方法I 1.81023 194658 2.03536 方法Ⅱ 1.80958 1.94183 2.0352 两种方法的电压 0.00475 差值百分比(%) 0.036 0.244 0.238 由表3可以得出,当增加一个4m的数据线时,采集电压确总是有衰减的,但衰减比率 很低,只有千分之几。分别将同风速的电压带入速度计算公式中,其相应的速度衰减率也不 到0.1%,因此不必对电压进行补偿,所得数据依然可靠。第三次实验方法与第一次相同 但是所得结果有很大不同。第一次实验WSAD板与 DANTEC A/D板所采集数据相差很大 且WSAD板采集电压明显比 DANTEC A/D板小。这三次实验的使用的探头分别不同,所以 在同样速度下的电压值可以有所不同,但方法二结果显示, DANTEC与WS的采集数据值应

第二十五届全国水动力学研讨会暨第十一届全国水动力学学术会议 图 8 方法三中稳压电源输入后两块 A/D 板的电压差值（V） 图 9 方法三中两块 A/D 板在电压转化为速度后的差值百分数 由方法二与方法一的结果差别较大，实验考虑了如下问题：（1）DANTEC 热线风速仪对 数据线的长度有严格规定。由于 WS A/D 板的使用，需要多引出一条 4m 长的数据线。数据 线含有电阻，需要评估这条线对采集结果是否有影响。（2）方法采集电压来自稳压电源，而 不是来自热线探头，是不是稳压电源的功率大，所以在国产 A/D 板上的损失相对小了，从 而第二次试验两次采集电压这样接近。因此又进行了方法三的实验。 在方法三中，依照图 5 和图 6 的方法各做了标定。以检验上述两个问题。 表 3 标定方法三的数据 风速 2m/s 时的电压（V） 风速 4m/s 时的电压（V） 风速 6m/s 时电压（V） 方法 I 1.81023 1.94658 2.03536 方法 II 1.80958 1.94183 2.03536 两种方法的电压差 0.00065 0.00475 0.00485 差值百分比（%） 0.036 0.244 0.238 由表 3 可以得出，当增加一个 4m 的数据线时，采集电压确总是有衰减的，但衰减比率 很低，只有千分之几。分别将同风速的电压带入速度计算公式中，其相应的速度衰减率也不 到 0.1%，因此不必对电压进行补偿，所得数据依然可靠。第三次实验方法与第一次相同， 但是所得结果有很大不同。第一次实验 WS A/D 板与 DANTEC A/D 板所采集数据相差很大， 且 WS A/D 板采集电压明显比 DANTEC A/D 板小。这三次实验的使用的探头分别不同，所以 在同样速度下的电压值可以有所不同，但方法二结果显示，DANTEC 与 WS 的采集数据值应

第二十五届全国水动力学研讨会暨第十一届全国水动力学学术会议 该是相同。第三次实验也验证了多加一条4m数据线对采集电压影响很小,不可能因为仅仅 多连了一条线导致两块AD板电压相差几倍。这证明了第一次标是错误的,可能在操作过 程中出现了一些错误导致了结果的错误。 3比较标定分析处理动态实验实验数据 31实验仪器及装置 实验采用的是 Dantec streamLine热线风速仪和DAQ数据采集软件同时采集数据。图10 为自行研制的射流设备及探头的摆放位置。实验装置由三个流道组成,射流整体由“内射流” 和“外射流”组成,可形成二维射流和平面剪切流。探头采用55P11型一维热线探头。 如图1所示,1号为垂直相关探头,2号为水平相关探头,3号为上剪切测量探头,4 号为中心层测量探头,5号为下剪切测量探头 图10平面对称剪切流实验装置及探头摆放位置 装置内射流出口放入由维拖辛斯曲线光滑收缩的模型后可改变内射流出口处的形状,由 此改变流场的形态,如图11所示。 大矩形 小矩形 正方形 大椭圆 小椭圆 图11内射流出口处形状变化 本文对以下两个实验工况中心层的探头采集到的数据进行了电压信号和速度值的处理 分析 1.内射流出口形状为小矩形,内射流出口速度为12m/s(Re=4857)的二维射流。 2.内射流出口形状为大矩形,内射流出口速度为0.5m/s(Re=2118),外射流出口速度为 06m/s(Re=2542)的平面剪切流

第二十五届全国水动力学研讨会暨第十一届全国水动力学学术会议 该是相同。第三次实验也验证了多加一条 4m 数据线对采集电压影响很小，不可能因为仅仅 多连了一条线导致两块 A/D 板电压相差几倍。这证明了第一次标是错误的，可能在操作过 程中出现了一些错误导致了结果的错误。 3 比较标定分析处理动态实验实验数据 3.1 实验仪器及装置 实验采用的是 Dantec StreamLine 热线风速仪和 DAQ 数据采集软件同时采集数据。图 10 为自行研制的射流设备及探头的摆放位置。实验装置由三个流道组成，射流整体由“内射流” 和“外射流”组成，可形成二维射流和平面剪切流。探头采用 55P11 型一维热线探头。 如图 1 所示，1 号为垂直相关探头，2 号为水平相关探头，3 号为上剪切测量探头，4 号为中心层测量探头，5 号为下剪切测量探头。 图 10 平面对称剪切流实验装置及探头摆放位置 装置内射流出口放入由维拖辛斯曲线光滑收缩的模型后可改变内射流出口处的形状，由 此改变流场的形态，如图 11 所示。 大矩形 小矩形 正方形 大椭圆 小椭圆 圆 形 图 11 内射流出口处形状变化 本文对以下两个实验工况中心层的探头采集到的数据进行了电压信号和速度值的处理 分析： 1. 内射流出口形状为小矩形，内射流出口速度为 1.2m/s（Re=4857）的二维射流。 2. 内射流出口形状为大矩形，内射流出口速度为 0.5m/s(Re=2118)，外射流出口速度为 0.6m/s(Re=2542)的平面剪切流。 1 2 3 4 5

第二十五届全国水动力学研讨会暨第十一届全国水动力学学术会议 32动态研究中的电压值与速度值的对比与分析 1)平均量速度项分析 在实验开始前本文对探头进行了标定,获得了标定系数Co,C1,C2,C3,C4利用 脉冲电压转换为速度分量关系式: V=C0+CE+CE+C3E+CE 将采集到的脉冲电压转换为了速度分量 图11(a)是 DANTEC脉动电压转换后的速度分量的曲线图。(b)是DAQ数据采集直接 AD板电压处理的曲线图。图12(a)、(b)是利用DAQ数据采集软件采集到的脉冲电压及 转换后的速度分量的曲线图及数据采集直接A/D板电压处理的曲线图。实验工况分别为内 射流出口形状为小矩形和大矩形。由图可见动态信号的平均量处理图形的趋势一样,只是y 轴坐标的量有区别 图11内射流出口形状为小矩形的脉冲电压及速度分量曲线 (b) 图12内射流出口形状为大矩形的脉冲电压及速度分量曲线 2)局部动力学行为中的自谱(功率谱)的空间演化分析 自谱FFT是业内常用来对流场动态性质的一种刻画方式。图13工况为内射流出口形状 为小矩形,该工况的流动显示为螺旋涡无归并现象。其图13(a)是利用DAQ数据采集软 件采集到的脉动电压转换后速度的FFT频谱空间演化图。图13(b)是DAQ数据采集直接 AD板电压处理的FFT频谱空间演化图。可见不同的数据(速度和电压)其结果一致。在图 中可以观察到有一个频率在空间演化中始终占据主导地位,尽管在核心区伴随有两个谐频

第二十五届全国水动力学研讨会暨第十一届全国水动力学学术会议 3.2 动态研究中的电压值与速度值的对比与分析 1）平均量速度项分析 在实验开始前本文对探头进行了标定，获得了标定系数 C0，C1，C2，C3 ，C4 利用 脉冲电压转换为速度分量关系式： 4 4 3 3 2 2 1 Vi  C0 C1Ei C Ei C Ei C Ei 将采集到的脉冲电压转换为了速度分量。 图 11（a）是 DANTEC 脉动电压转换后的速度分量的曲线图。（b）是 DAQ 数据采集直接 A/D 板电压处理的曲线图。图 12（a）、（b）是利用 DAQ 数据采集软件采集到的脉冲电压及 转换后的速度分量的曲线图及数据采集直接 A/D 板电压处理的曲线图。实验工况分别为内 射流出口形状为小矩形和大矩形。由图可见动态信号的平均量处理图形的趋势一样，只是 y 轴坐标的量有区别。 （a） （b） 图 11 内射流出口形状为小矩形的脉冲电压及速度分量曲线 （a） （b） 图 12 内射流出口形状为大矩形的脉冲电压及速度分量曲线 2）局部动力学行为中的自谱（功率谱）的空间演化分析 自谱 FFT 是业内常用来对流场动态性质的一种刻画方式。图 13 工况为内射流出口形状 为小矩形，该工况的流动显示为螺旋涡无归并现象。其图 13（a）是利用 DAQ 数据采集软 件采集到的脉动电压转换后速度的 FFT 频谱空间演化图。图 13（b）是 DAQ 数据采集直接 A/D 板电压处理的 FFT 频谱空间演化图。可见不同的数据（速度和电压）其结果一致。在图 中可以观察到有一个频率在空间演化中始终占据主导地位，尽管在核心区伴随有两个谐频

第二十五届全国水动力学研讨会暨第十一届全国水动力学学术会议 图13内射流出口形状为小矩形的脉冲电压及速度分量FFT图:(a)为脉冲电压FFT图,(c)为其俯 视图。(b)为速度分量FFT图,(d)为其俯视图 图14为内射流出口形状为大矩形的F图,其流动显示为环涡结构,且上下剪切层的 环涡在核心区的尾部发生了归并。同样图7中(a)是利用DAQ数据采集软件采集到的脉冲 电压及转换后的F频谱空间演化图。图7中(b)是直接AD板电压处理的FFT频谱空间 演化图。仍可见不同的数据(电压和速度)其结果一致。 (b)

第二十五届全国水动力学研讨会暨第十一届全国水动力学学术会议 (a) (b) (c) (d) 图 13 内射流出口形状为小矩形的脉冲电压及速度分量 FFT 图：（a）为脉冲电压 FFT 图，（c）为其俯 视图。（b）为速度分量 FFT 图，（d）为其俯视图。 图 14 为内射流出口形状为大矩形的 FFT 图，其流动显示为环涡结构，且上下剪切层的 环涡在核心区的尾部发生了归并。同样图 7 中（a）是利用 DAQ 数据采集软件采集到的脉冲 电压及转换后的 FFT 频谱空间演化图。图 7 中（b）是直接 A/D 板电压处理的 FFT 频谱空间 演化图。仍可见不同的数据（电压和速度）其结果一致。 (a) （b）

第二十五届全国水动力学研讨会暨第十一届全国水动力学学术会议 图14内射流出口形状为大矩形的脉冲电压及速度分量FFT图:(a)为脉冲电压FFT图,(c)为其俯 视图。(b)为速度分量FFT图,(d)为其俯视图 3)全局动力学行为中的空间相位分析 对于流场中参考点后和移动点产之间脉动量的互谱相位研究的空间相位关联分析6, 其相位角 (,;a)=4rg{4()() 按全局关系式,可有 +A∑m()(4m(6)()n() P,q=lOa+ap=Or 则互谱相位由传递函数决定;上式亦可作为互谱空间相位的控制方程。当扰动按流动稳定性 理论中的行波空间模式传播 (,1)=∑B 即有 A()=B,()e 由此,有 4()()=Re[a](-6) 对较多流场以主导频率及其谐波为表征的扰动波按行波空间模式传播,且进一步验证或 发现以频率表征的扰动波间可发生“波速匹配”或“波数匹配”,即指相关扰动波有相同的 波速或波数间。 图15为内射流出口形状为小矩形,上剪切层和垂直相关探头采集数据的脉冲电压(b) 及速度分量(a)的互谱图

第二十五届全国水动力学研讨会暨第十一届全国水动力学学术会议 (c) （d） 图 14 内射流出口形状为大矩形的脉冲电压及速度分量 FFT 图：（a）为脉冲电压 FFT 图，（c）为其俯 视图。（b）为速度分量 FFT 图，（d）为其俯视图。 3）全局动力学行为中的空间相位分析 对于流场中参考点 0 r 和移动点 r 之间脉动量的互谱相位研究的空间相位关联分析[6,7]， 其相位角：             * 0 , ;o ArgS r r Arg A r A r 按全局关系式[7]，可有：                 3 2 * 0 0 , 0 1 3 * , * * , 0 , 0 , 0 , 0 , 1 , , m m m m pq m p q p q Arg A r A r Arg L r r A r Arg Q r r A r A r A r                                            则互谱相位由传递函数决定；上式亦可作为互谱空间相位的控制方程。当扰动按流动稳定性 理论中的行波空间模式传播：   i  , ( )e r t V r t B r           即有：   Im iRe ( )e er r A r B r                   由此，有：       * Arg A r A r r r 0 0 Re            对较多流场以主导频率及其谐波为表征的扰动波按行波空间模式传播，且进一步验证或 发现以频率表征的扰动波间可发生“波速匹配”或“波数匹配”，即指相关扰动波有相同的 波速或波数[6]。 图 15 为内射流出口形状为小矩形，上剪切层和垂直相关探头采集数据的脉冲电压（b） 及速度分量（a）的互谱图

第二十五届全国水动力学研讨会暨第十一届全国水动力学学术会议 图15内射流出口形状为小矩形的脉冲电压及速度分量互谱图 图16为内射流出口形状为大矩形,中心层和下剪切探头采集数据的脉动电压(b)和速 度分量(a)的互谱图。 图16内射流出口形状为大矩形的脉冲电压及速度分量互谱图 同理可见对流场进行全局动力学行为中的空间相位分析时直接AD板电压数据处理与 转换后速度值的结果一样,对应一定频率区间内的扰动波具有相同的波速,称为波速匹配或 共振 由图11至图16分析得出,无论是DAQ数据采集软件采集到的数据还是 DANTEC热线 风速仪采集到的数据,脉冲电压和速度分量的走势相同、FFT图形和互谱图形态完全一致。 说明处理动态测量的实验数据时,可无需进行速度标定。 4结论 使用热线风速仪进行动态测量实验后进行数据分析时,如果仅仅对数据进行流动的趋势 分析,则不需要标定探头。如果需要对其物理量即速度定量进行分析时,则必需要对探头标 定,但精确标定A/D板之间关系的工作比较困难

第二十五届全国水动力学研讨会暨第十一届全国水动力学学术会议 图 15 内射流出口形状为小矩形的脉冲电压及速度分量互谱图 图 16 为内射流出口形状为大矩形，中心层和下剪切探头采集数据的脉动电压（b）和速 度分量（a）的互谱图。 图 16 内射流出口形状为大矩形的脉冲电压及速度分量互谱图 同理可见对流场进行全局动力学行为中的空间相位分析时直接 A/D 板电压数据处理与 转换后速度值的结果一样，对应一定频率区间内的扰动波具有相同的波速，称为波速匹配或 共振。 由图 11 至图 16 分析得出，无论是 DAQ 数据采集软件采集到的数据还是 DANTEC 热线 风速仪采集到的数据，脉冲电压和速度分量的走势相同、FFT 图形和互谱图形态完全一致。 说明处理动态测量的实验数据时，可无需进行速度标定。 4 结论 使用热线风速仪进行动态测量实验后进行数据分析时，如果仅仅对数据进行流动的趋势 分析，则不需要标定探头。如果需要对其物理量即速度定量进行分析时，则必需要对探头标 定，但精确标定 A/D 板之间关系的工作比较困难