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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（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
· 當地力場的影響
· 環境和健康保護
- 跟隨性
在PIV，LDV和DGV實驗中，測量得到的速度場，并不是流體質點的速度，而是懸浮于流體內發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點流速不等，這是激光PIV、LDV和DGV測量首要的系統誤差。
示蹤粒子的跟隨性可以用跟隨系數 
來表征，
a.在層流中：
（1）
從上式可見：粒徑對跟隨性的影響遠大于其密度的影響。
b.在旋轉層流中：
（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，達到該常量的時間越短。
C.在湍流中：
通過以上分析，可得結論：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響應也是很重要的手段。
上述結果得到了實驗結果的驗證。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，還可以用減小 的方法實現良好的跟隨性。
- 散射特性
PIV、LDV、DGV等激光測量技術都是基于粒子的米散射特性，在激光前進方向，具有很強的散射強度，其散射強度如下圖：
米散射中，粒子的散射光強度和方向有關外，還和粒徑有關，在滿足跟隨性的條件下，應適當增大顆粒粒徑。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計數據或者流體處于穩定狀態所延續的時間。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。
- 當地力場的影響
聲場的影響：當聲場強度達到140—150dB時，聲凝聚現象使顆粒迅速聚集顆粒團迅速長大；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。
擴散和燃燒熱涌的影響：擴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，熱浪涌效應更為顯著。火焰場中顆粒的熱浪涌速度可達0.1m/s數量級，對PIV和LDV結果的影響已經很大了。所以，一般火焰流場的測量應選用較大的顆粒。
- 環境和健康保護
0.2um到5um的不揮發的顆粒很容易被呼吸系統吸入且極難于排出，它也容易在人體內沉淀吸附，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；實驗環境應通風良好；對于1微米左右的粉塵，絕大多數保護面罩是無用的，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，對于大多數的液體、氣體流場是比較容易實現的，只是在某些高溫、高壓環境下，需要選擇合適的粒子發生器及配套氣源。
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，然后根據流場情況注入；對于流場本身比較復雜，事先無法得知注入點流速的情況下，應在待測流場上游盡量緩慢地注入濃縮液；對于任何注入點，如果已知當地點流場速度，應想方設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，只需要選擇常規的液體粒子發生器，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生器。固體粒子發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，隨著氣流進入火焰。