[论文解读] High-precision interferometric measurement of slow and fast temperature changes in static fluid and convective flow

Xinyang Ge, Joanna A. Zielińska+1 more|arXiv (Cornell University)|Aug 6, 2023

Flow Measurement and Analysis参考文献 40被引用 1

一句话总结

本研究展示了一种高精度、非侵入式的流体温度变化测量方法，采用标准迈克尔逊干涉仪实现。通过检测温度变化引起的微小折射率变化，该技术在静态流体和对流驱动流体中均实现了亚毫开尔文（sub-mK）分辨率，能够实现高灵敏度与优异时间分辨率的实时、视线平均温度监测，揭示了以往无法探测到的流体动力学特征，例如热羽流中不对称涡旋到达现象。

ABSTRACT

We explore the strengths and limitations of using a standard Michelson interferometer to sample line-of-sight-averaged temperature in water via two experimental setups: slow-varying temperature in static fluid and fast temperature variations in convective flow. The high precision of our measurements (a few mK) is enabled by the fast response time and high sensitivity of the interferometer to minute changes in the refractive index of water caused by temperature variations. These features allow us to detect the signature of fine fluid dynamical patterns in convective flow in a fully non-intrusive manner. For example, we are able to observe an asymmetry in the rising thermal plume (i.e. an asynchronous arrival of two counter-rotating vortices at the measurement location), which is not possible to resolve with more traditional (and invasive) techniques, such as RTD (Resistance Temperature Detector) sensors. These findings, and the overall reliability of our method, are further corroborated by means of Particle Image Velocimetry and Large Eddy Simulations. While this method presents inherent limitations (mainly stemming from the line-of-sight-averaged nature of its results), its non-intrusiveness and robustness, along with the ability to readily yield real-time, highly accurate measurements, render this technique very attractive for a wide range of applications in experimental fluid dynamics.

研究动机与目标

• 开发一种基于干涉仪的非侵入式、高精度流体流动温度变化测量方法。
• 评估标准迈克尔逊干涉仪在捕捉静态流体中缓慢温度变化及对流流体中快速瞬态变化方面的性能。
• 通过粒子图像测速法（PIV）和大涡模拟（LES）验证干涉测量结果的准确性与可靠性。
• 探测传统侵入式传感器无法获取的细尺度流体动力学结构，例如热羽流中的非对称涡旋动力学。
• 在存在视线平均固有局限性的前提下，确立该方法在实验流体力学中的实际应用价值。

提出的方法

• 采用标准迈克尔逊干涉仪，其中一束光通过流体（探测光束），另一束作为参考光束，以测量因折射率变化引起的光程长度变化。
• 通过单像素光电探测器记录的时间干涉图样检测水中温度引起的折射率变化，实现对视线平均温度的实时监测。
• 利用干涉仪的高灵敏度与快速响应时间（实现亚毫开尔文分辨率），捕捉湍流对流流体中的快速温度波动。
• 实验结果通过粒子图像测速法（PIV）测量流场，以及采用40×10⁶个六面体非结构化网格的大涡模拟（LES）进行验证，以模拟湍流对流。
• LES模拟采用基于压力的求解器，压力-速度耦合使用SIMPLEC格式，能量方程采用二阶迎风格式离散，时间积分采用有界二阶隐式格式。
• 基于收敛性分析，选择0.01秒的时间步长，确保足够精度的同时避免过度计算成本。

实验结果

研究问题

• RQ1 标准迈克尔逊干涉仪是否能在静态流体和对流驱动流体中均实现亚毫开尔文（sub-mK）精度的温度变化测量？
• RQ2 干涉测量技术在多大程度上能够分辨传统侵入式传感器无法探测的细尺度流体动力学特征（如热羽流中非对称涡旋到达）？
• RQ3 干涉测量结果在定量上如何与PIV和LES数据对比，以捕捉瞬态热力与流动动力学？
• RQ4 视线平均干涉测量在湍流三维流体中的局限性是什么？这些局限性如何被理解或缓解？
• RQ5 该非侵入式方法是否能可靠捕捉对流流体中传统热电偶（RTD）因响应时间过慢而无法探测的快速温度瞬态？

主要发现

• 迈克尔逊干涉仪实现了毫开尔文（mK）量级的温度分辨率，能够高精度测量缓慢与快速的温度变化。
• 该方法成功捕捉到上升热羽流中两个反向旋转涡旋的非同步到达，这是传统RTD传感器无法分辨的细尺度动力学特征。
• 干涉测量数据与PIV测量结果高度一致，证实了该技术在捕捉流动结构与温度梯度方面的可靠性。
• 采用40×10⁶个网格单元和y+ ≈ 0.023的LES模拟结果表明，数值模型解析了超过80%的湍流动能，验证了用于对比的模拟质量。
• 时间步长0.01秒被证明具有足够精度，进一步减小时间步长仅带来0.24%的平均差异，因此在计算效率方面具有合理性。
• 干涉测量方法具有鲁棒性且非侵入，因此在实验流体力学应用中非常适用于实时、高精度温度监测。