CN102636662A - 全流向流速测量探针及其测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种全流向流速测量探针及其测量方法，涉及流体速度大小和方向的测量领域。其结构包括：球形探针头部的八个测压孔、由探针尾部引出的八个导压管；其特征是探针头部为球形、八个测压孔平均分布于球形之上，因此从前后左右上下正方向看测压孔，则六个正方向同为平均分布的四个测压孔。测量过程中，参考表观总压最大的那个，首先判断来流在哪个分区，再结合分区表观总压、分区四孔压力、流速系数和角度系数等，计算出流速大小和流动方向；其特点是结构简单、价格低廉、可测流向范围广等；该型流速测量探针可广泛应用于工程和科学研究的三维流场测量。
Description
技术领域
本发明涉及流体流动测量领域，特指一种全流向流速测量方法，其可以解决特殊复杂场合的流体测量问题。
背景技术
流动测量是流体力学的重要方向，而复杂流场的速度和方向测量，更是流动测量中的难点，目前常用的流速测量设备有皮托管、五孔探针、七孔探针、激光多普勒测量仪、粒子图像测速仪等。皮托管结构简单，但进行测量时，皮托管要求来流与其轴线夹角不超过5度，否则测量误差很大。五孔、七孔探针可以实现较复杂流场的测量，但能力有限，比如五孔探针只能测量与其轴线夹角在-30°-30°的流动情况，而七孔探针也只是把这个范围扩大到-70°-70°，很多复杂流场依旧无法测量。激光多普勒和粒子图像测速则价格昂贵，且标定复杂容易出错，往往出现差之毫厘谬以千里的现象。其可信度标定反而还需要用测速探针来完成。
发明内容
为了避免和克服上述不足，本发明的目的是提供一种全流向流速测量方法，可以实现大流动角的流速测量，测量流向范围可以达到与测量探针轴线夹角-180°-180°的全角度测量。
一种全流向流速测量探针，其特征在于：由球形头部（1）、导压套管（2）和8根导压管（3）组成，其中球形头部（1）均匀分布8个取压孔（4），上述取压孔（4）位于球形头部（1）的内接正方体的8个顶点处，上述导压管（3）分别穿过导压套管（2）伸入球形头部（1）与取压孔（4）相连。
一种全流向流速测量探针，其特征在于包括以下过程：
步骤一、从前后左右上下正方向看向测压孔，则六方向同为平均分布的四个测压孔，依据前后左右上下六方向，把流动区域分为六个区，分别为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ区；
步骤二、在已知来流角度和速度情况下，使来流流过球形流速探针，产生钝体绕流,标定出角度系数、静压系数、动压系数,具体步骤如下:
（2-1）、测量钝体八个测压孔的压力；
（2-2）、求出六个区的表观总压PⅠ、PⅡ、PⅢ、PⅣ、PⅤ、PⅥ；表观总压等于每个区四个测压孔的静压的平均值；
（2-3）、比较所求的六个区的表观总压大小，利用来流分布区表观总压最大这一规则，判断来流分布在哪个区；
（2-4）、对于来流所分布的区进行下列计算：
（2-4-1）、取该区的任一测压孔标定为第一测压孔，按顺时针或逆时针依次标定其他三个测压孔为第二测压孔、第三测压孔、第四测压孔；上述测压孔的压力分别为P1、P2、P3、P4；将第一测压孔和第三测压孔所在方向定义为俯仰方向，第二测压孔和第四测压孔所在方向定义为侧滑方向；
（2-4-2）、求解该区的俯仰角α角的角度系数Kα、侧滑角β角的角度系数Kβ，以及各有关的动压系数Kq、总压系数Ko和静压系数Ks，所涉及的公式如下：
其中Po为总压，Pm为四个取压孔压力最大值；
（2-4-3）改变俯仰角和侧滑角，校准出该区系数曲线，包括：Kα-α曲线、Kβ-β曲线、Kq-α曲线、Ko-α曲线和Ks-α曲线；
步骤三、校准出六个区的系数曲线；
步骤四、实际测量过程如下如下：
使来流流过球形流速探针，产生钝体绕流；测量钝体八个测压孔的压力；求出六个区的表观总压，判断来流分布在哪个区；依据该区的四个取压孔，求出俯仰角角度系数、侧滑角角度系数、动压系数、总压系数和静压系数；再依据该区已经校准出的系数曲线，插值求出来流的大小、角度、静压和总压。
本发明与现有流速测量技术相比，具有以下优点：与激光多普勒和粒子图像测速相比，其不需要较高的试验条件，结构简单，成本低廉；与五孔和七孔探针相比，流动测量范围扩大，常用测量可实现180度轴向角测量，且公式算法简单精确。
附图说明
图1 全流向流速测量探针剖视图；
图2全流向流速测量探针前视图；
图3全流向流速测量探针后视图；
图中标号名称：1、球形头部，2、导压套管，3、导压管，4取压孔。
具体实施方式
本发明是应用流体绕流钝体的特性，利用球形表面的取压孔测量得到钝体表面的压力分布，再利用风洞校准系数，计算得到流体的速度大小和方向。
本发明在使用之前需进行风洞标定；把探针置于均匀来流中，在已知速度大小和角度的情况下，标定出总静压系数和角度系数。标定过程中，把流动区域分为六个区，分别为：Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ区。每个区有四个感应压力的取压孔，把四个压力的平均值做为表观总压，再结合其他已知条件标定出无量纲测量系数。
本发明所述的一种全流向流速测量方法，使来流流过球形流速探针，产生钝体绕流，通过测量钝体绕流的参数，得到流体的速度和方向，其特征在于首先标定出角度系数、静压系数、动压系数，包括以下步骤：
步骤A、在已知来流角度和速度情况下，使来流流过球形流速探针，产生钝体绕流；
步骤B、测量钝体八个测压孔的压力；
步骤C、求出六个区的表观总压PⅠ、PⅡ、PⅢ、PⅣ、PⅤ、PⅥ，来流分布在哪个区，哪个区具有最大的表观总压；
步骤D、假如已知的来流是从I区流过，则依据I区的表观总压、各取压孔压力P1、P2、P3、P4，其中1、4孔所在方向定义为俯仰方向，2、3孔所在方向定义为侧滑方向，可以求出I区的俯仰角α角、侧滑角β角的角度系数Kα和Kβ，以及各有关的动压系数、总压系数和静压系数如下：
其中ρ为流体密度，v为流体速度。
依据四个孔的压力，校准出Kα-α曲线、Kβ-β曲线、Kq-α曲线、Ko-α曲线和Ks-α曲线。
本发明所述的全流向流速测量方法，其测量过程包括以下步骤：
步骤A、使来流流过球形流速探针，产生钝体绕流；
步骤B、测量钝体八个测压孔的压力；
步骤C、求出六个区的表观总压PⅠ、PⅡ、PⅢ、PⅣ、PⅤ、PⅥ，初步判断来流分布在哪个区，哪个区具有最大的表观总压则来流分布在哪个分区；
步骤D、依据该区的四个取压孔，求出角度系数、动压系数、总压系数、静压系数，再依据该区已经校准出的系数曲线，插值求出来流的大小、角度、静压和总压。
本发明在使用时可直接置于所需要测量的流场中，哪个区的表观总压大，则在运用哪个区的校准系数进行计算。从而得到速度的大小和方向。以及当地的总压和静压。
Claims (2)
1.一种全流向流速测量探针，其特征在于：
由球形头部（1）、导压套管（2）和8根导压管（3）组成，其中球形头部（1）均匀分布8个取压孔（4），上述取压孔（4）位于球形头部（1）的内接正方体的8个顶点处，上述导压管（3）分别穿过导压套管（2）伸入球形头部（1）与取压孔（4）相连。
2. 利用权利要求1所述全流向流速测量探针的测量方法，其特征在于包括以下过程：
步骤一、从前后左右上下正方向看向测压孔，则六方向同为平均分布的四个测压孔，依据前后左右上下六方向，把流动区域分为六个区，分别为Ⅰ区、Ⅱ区、Ⅲ区、Ⅳ区、Ⅴ区、Ⅵ区；
步骤二、在已知来流角度和速度情况下，使来流流过球形流速探针，产生钝体绕流,标定出角度系数、静压系数、动压系数,具体步骤如下:
（2-1）、测量钝体八个测压孔的压力；
（2-2）、求出六个区的表观总压PⅠ、PⅡ、PⅢ、PⅣ、PⅤ、PⅥ；表观总压等于每个区四个测压孔的静压的平均值；
（2-3）、比较所求的六个区的表观总压大小，利用来流分布区表观总压最大这一规则，判断来流分布在哪个区；
（2-4）、对于来流所分布的区进行下列计算：
（2-4-1）、取该区的任一测压孔标定为第一测压孔，按顺时针或逆时针依次标定其他三个测压孔为第二测压孔、第三测压孔、第四测压孔；上述测压孔的压力分别为P1、P2、P3、P4；将第一测压孔和第三测压孔所在方向定义为俯仰方向，第二测压孔和第四测压孔所在方向定义为侧滑方向；
（2-4-2）、求解该区的俯仰角α角的角度系数Kα、侧滑角β角的角度系数Kβ，以及各有关的动压系数Kq、总压系数Ko和静压系数Ks，所涉及的公式如下：
（2-4-3）改变俯仰角和侧滑角，校准出该区系数曲线，包括：Kα-α曲线、Kβ-β曲线、Kq-α曲线、Ko-α曲线和Ks-α曲线；
步骤三、校准出六个区的系数曲线；
步骤四、实际测量过程如下如下：
使来流流过球形流速探针，产生钝体绕流；测量钝体八个测压孔的压力；求出六个区的表观总压，判断来流分布在哪个区；依据该区的四个取压孔，求出俯仰角角度系数、侧滑角角度系数、动压系数、总压系数和静压系数；再依据该区已经校准出的系数曲线，插值求出来流的大小、角度、静压和总压。
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