CN103245794B - 五孔双筒测风仪及其测风方法 - Google Patents

Abstract

一种五孔双筒测风仪及其测风方法，属于测量技术领域；本发明提供了一种不受来流方向限制的测量风速的设备；五孔双筒测风仪头部为球形，中间孔采用同轴双筒方式，外筒两端开口，内筒前端封闭，并用固定筋连接在外筒上，在内筒中间钻孔段周向上有四排通孔（9），每排各六个通孔作为静压孔；五个孔的末端接微压计，微压计的读数就是各孔感受到的压强；将五孔双筒测风仪置于待测风场中，记录各孔的压强再解算出风速的大小和方向；本发明的优点在于不需要对五孔双筒测风仪进行标定，即可实现对风速矢量的测量；本发明也不限制五孔双筒测风仪测风时的状态，其静止或移动均可。

Description

五孔双筒测风仪及其测风方法

技术领域

本发明属于测量技术领域，涉及一种五孔双筒测风仪对空间风速的测量方法，具有简单、可靠、无需标定的特点。

背景技术

利用探针测量空间风场的方法已经盛行多年，应用范围极其广泛，主要根据伯努利方程：

$P_t=P_s+\frac{1}{2}{\mathrm{\ρ}}_s{V}^2=P_s+q_c---\left(1\right)$

其中：P_t－总压；P_s－静压；－动压；其测量基本设备为皮托管，皮托管的最大缺陷是测量时需要使来流正对测压孔，为了解除这一限制提出了多孔探针标定法，其代表方法是五孔探针标定法，基本思想是通过实验得到压强与角度的关系曲线（K_β-β、K_1-3-β、K_5-2-β、K₅-β标定曲线）：

$K_{\mathrm{\β}}=\frac{K_1-K_3}{K_5-K_2}=\frac{P_1-P_3}{P_5-P_2}=4\tan \mathrm{\β}---\left(2\right)$

$K_{1-3}=K_1-K_3=\frac{P_1-P_3}{{\mathrm{\ρ}{V}_{\∞}}^2/2}=\frac{9}{4}\sin 2\mathrm{\β}---\left(3\right)$

$K_{5-2}=K_5-K_2=\frac{P_5-P_2}{{{\mathrm{\ρV}}_{\∞}}^2/2}=\frac{9}{8}{\cos }^2\mathrm{\β}---\left(4\right)$

$K_5=1-\frac{9}{4}{\sin }^2\mathrm{\β}---\left(5\right)$

在实际测量时调整探针位置使P₂=P₄，由刻度盘记下α角。一般都规定球头向上旋转时，α角为负值，即气流向下运动为负值，向上运动为正值；记录ΔP_1-3,ΔP_5-2,P₅的读数，利用公式(2)计算出K_β，通过查K_β-β校正曲线得到β角，再根据β角和其它三条曲线的关系得到K_1-3，K_5-2，K₅，最后利用下列公式计算出气流的流动参数：

动压： $\frac{1}{2}{{\mathrm{\ρV}}_{\∞}}^2=\frac{\mathrm{\Δ}{P}_{1-3}}{K_{1-3}}$ 或 $\frac{1}{2}{{\mathrm{\ρV}}_{\∞}}^2=\frac{{\mathrm{\ΔP}}_{5-2}}{K_{5-2}}---\left(6\right)$

总压： $P_t=\frac{P_5}{K_5}---\left(7\right)$

静压：P_s=P_t-q_c                  (8)

其中：ρ－气体密度；

V_∞－待测风速。

再由式(6)得到速度V_∞。此种方法只能在|α|≤45°和|β|≤35°范围内变化时可用，在测量之前需要对探针进行大量繁杂的实验对其测量效果进行标定，因而大大限制了测风的能力。

发明内容

本发明的目的在于提供了一种不受来流方向限制的测量风速的设备五孔双筒测风仪，本发明的目的还在于提供了基于五孔双筒测风仪的风速测量方法。

所述五孔双筒测风仪具有中间孔5、第一孔1、第二孔2、第三孔3和第四孔4，所述中间孔5采用同轴双筒，筒间距为Δl，外筒6两端开口，内筒7前端封闭且与外筒用固定筋8连接；中间孔5的内筒分三个部分：中间钻孔段钻有位于内筒周向四排通孔9，每排各六个通孔，两端无通孔的是整流段；五孔双筒测风仪的头部为球形，尾部为圆柱形；在球形表面沿周向均匀的开四个与外管壁垂直的第一孔1、第二孔2、第三孔3和第四孔4，这四个孔的中轴线与中间孔5的中轴线成45°。五孔双筒测风仪的四条固定筋位于内筒钻孔段风向后端的整流段。两端整流段的长度不小于16Δl=8（D₂-D₁）。

本发明中：p表示测得压强，P表示压强，ρ表示密度，V表示速度，q_c表示动压，Δp表示压强差，下角标t表示总压，下角标s表示静压，下角标1、2、3、4和5分别表示第一孔（1）、第二孔（2）、第三孔（3）、第四孔（4）和中间孔（5）。

本发明的目的是这样实现的：以第一孔1、第三孔3和中间孔5所在平面内来流为例，对五孔双筒测风仪的测量风速原理进行说明；由于第一孔1和第三孔3轴向垂直，能将该平面内与管体方向不平行的来流沿着这两个方向进行分解，由伯努利方程原理能知此时第一孔1测得的压强为来流1的总压和来流3的静压即：

p₁=P_t1+P_s3                 (9)

而第三孔3测得的为来流3的总压和来流1的静压，即：

p₃=P_t3+P_s1                              (10)

经过中间孔5整流段的作用，中间孔5测得的压强就是来流的静压P_s：

P_s=P_s1+P_s3                              (11)

则能根据伯努利方程求得第一孔1和第三孔3方向的风速的大小，进而将两者矢量合成，即能得到风速矢量值。

本发明无需设备正对来流就能测量静压的方法是这样实现的：当来流垂直于五孔双筒测风仪的轴线时，此时中间孔5内外筒间无气流流过，此时内筒所连接的测压计测量的就是孔端面所承受的压强，即来流对应的静压；当来流与管体方向不垂直时，则内外两筒之间就会有气流流过，这时在筒的前端来流可能是紊乱的，但是经过整流段的作用之后，两筒之间的来流就会逐渐与筒轴平行，这时钻孔段小孔上承受的压强即为整流之后来流对应的静压，即为筒体平行方向的来流分量的静压值；此时，来流在筒体垂直方向的分量产生的静压，即此时双筒皮托管端面所受压强，也计入内筒所连接的压强计上，因此内筒所连接的测压计测出压强即为来流1’和来流3’静压之和，即来流的总静压P_s。如果中间孔5没有外筒，在来流与筒体方向不平行时测得静压则是有速压误差的，这种双筒设计方式之所以能够消除速压的影响，关键在于整流段的整流作用，而整流断必须有足够的长度。在中间孔5的两端保留一段没有固定筋的整流段，是为了保证每两条固定筋之间气流的对称性，以确保测量的精度。

从测压计中读出第一孔1、第三孔3和第五孔5的压强值之后即能得到第一孔1和第三孔3轴向分量来流的动压：

Δp₁₅=p₁-p₅=P_t1+P_s3-(P_s1+P_s3)=P_t1-P_s1=q_c1                  (12)

Δp₃₅=p₃-p₅=P_t3+P_s1-(P_s1+P_s3)=P_t3-P_s3=q_c3                    (13)

进而由式(1)能算出第一孔1和第三孔3轴向的分量速度大小，最后将这两个分量矢量合成，即能得到来流的大小和方向。

当风速不是在第一孔1和第三孔3所在平面或者第二孔2和第四孔4所在平面内的时候，第一孔1、第二孔2、第三孔3、第四孔4和中间孔5测得压强分别为：

p₁=P_t1+P_s2+P_s3+P_s4                     (14)

p₂=P_t2+P_s1+P_s3+P_s4                    (15)

p₃=P_t3+P_s1+P_s2+P_s4                      (16)

p₄=P_t4+P_s1+P_s2+P_s3                     (17)

p₅=P_s1+P_s2+P_s3+P_s4                        (18)

则第一孔1和第三孔3以及第二孔2和第四孔4轴向分量来流的动压：

Δp₁₅=q_c1=P_t1-P_s1=p₁-p₅                (19)

Δp₂₅=q_c2=P_t2-P_s2=p₂-p₅                (20)

Δp₃₅=q_c3=P_t3-P_s3=p₃-p₅                   (21)

Δp₄₅=q_c4=P_t4-P_s4=p₄-p₅                   (22)

得到第一孔1和第三孔3以及第二孔2和第四孔4轴向分量来流的动压之后，即能同样由式(1)得到此4个方向的分量速度的大小，最后能由矢量合成风速的大小和方向。

当五孔双筒测风仪以速度置于密度为ρ的待测风场中时，此时五孔双筒测风仪测量的不再是气体相对地面的运动速度－风速，而是五孔双筒测风仪相对气体团的运动速度－空速，为五孔双筒测风仪相对地面的运动速度－地速，由于五孔双筒测风仪对地面的运动是其对气体团和气体对地面两种运动合成的结果，因而地速向量也就是空速向量和风速向量的合成向量，这个由风速向量、空速向量和地速向量构成的三角形叫做航行速度三角形。则风速的测量过程为：

步骤a：测量并记录五个孔的压强p₁～p₅；

步骤b：由式（19）～式（22）计算第一孔、第二孔、第三孔和第四孔方向上来流的动压；

步骤c：由式（1）中动压的表达式计算第一孔、第二孔、第三孔和第四孔方向上来流的速度大小；

步骤d：对第一孔、第二孔、第三孔和第四孔方向上的速度进行矢量合成，即得风场的风速大小和方向。

步骤e：由航行速度三角形进行矢量合成，得到风速大小和方向。

本发明的主要优点体现在：其结构简单、成本低且无需通过大量的实验对其进行标定，提高了测风仪的适用范围和可操作性；能实现对任意风场的实时风速测量，无需实验标定，大大简化了测量过程。

附图说明

图1是五孔探针标定法的角度定义及五孔位置示意图。

图2是五孔双筒测风仪竖直剖面示意图。

图3是分量来流第一孔1和第三孔3作用效果示意图。

图4是五孔双筒测风仪测量静压原理示意图。

图5是航行速度三角形。

图6是内筒钻孔段示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细地说明：

如图1和图2，所述五孔双筒测风仪具有中间孔5、第一孔1、第二孔2、第三孔3和第四孔4，所述中间孔5采用同轴双筒，筒间距为Δl，外筒6两端开口，内筒7前端封闭且与外筒用固定筋8连接；如图6，中间孔5的内筒分三个部分：中间钻孔段钻有位于内筒周向四排通孔9，每排各六个通孔，两端无通孔的是整流段；五孔双筒测风仪的头部为球形，尾部为圆柱形；在球形表面沿周向均匀的开四个与外管壁垂直的第一孔1、第二孔2、第三孔3和第四孔4，这四个孔的中轴线与中间孔5的中轴线成45°。五孔双筒测风仪的四条固定筋位于内筒钻孔段风向后端的整流段。如图6，两端整流段的长度不小于16Δl=8（D₂-D₁）。

当五孔双筒测风仪静止放置于密度为ρ的待测风场中时，风速测量过程为：

步骤一：测量并记录五个孔的压强p₁～p₅；

步骤二：由式（19）～式（22）计算第一孔、第二孔、第三孔和第四孔方向上来流的动压；

步骤三：由式（1）中动压的表达式计算第一孔、第二孔、第三孔和第四孔方向上来流的速度大小；

步骤四：对第一孔、第二孔、第三孔和第四孔方向上的速度进行矢量合成，即得风场的风速大小和方向。

当五孔双筒测风仪以速度置于密度为ρ的待测风场中时，此时五孔双筒测风仪测量的不再是气体相对地面的运动速度－风速，而是五孔双筒测风仪相对气体团的运动速度－空速，为五孔双筒测风仪相对地面的运动速度－地速，由于五孔双筒测风仪对地面的运动是其对气体团和气体对地面两种运动合成的结果，因而地速向量也就是空速向量和风速向量的合成向量，这个由风速向量、空速向量和地速向量构成的三角形叫做航行速度三角形。则风速的测量过程为：

步骤a：测量并记录5个孔的压强p₁～p₅；

步骤b：由式（19）～式（22）计算第一孔、第二孔、第三孔和第四孔方向上来流的动压；

步骤c：由式（1）中动压的表达式计算第一孔、第二孔、第三孔和第四孔方向上来流的速度大小；

步骤d：对第一孔、第二孔、第三孔和第四孔方向上的速度进行矢量合成，即得风场的风速大小和方向。

步骤e：由航行速度三角形进行矢量合成，得到风速大小和方向。

根据本发明的测量仪器和测量方法能简单明了地理解测风理论及测风步骤，为空间三维风场的测量提供了新的思路。

Claims (5)

1.一种五孔双筒测风仪，其特征在于：所述五孔双筒测风仪具有中间孔(5)、第一孔(1)、第二孔(2)、第三孔(3)和第四孔(4)，所述中间孔(5)采用同轴双筒，筒间距为Δl，外筒(6)两端开口，内筒(7)前端封闭且与外筒用固定筋(8)连接；中间孔(5)的内筒分三个部分：中间钻孔段钻有位于内筒周向四排通孔(9)，每排各六个通孔，两端无通孔的是整流段；五孔双筒测风仪的头部为球形，尾部为圆柱形；在球形表面沿周向均匀的开四个与外管壁垂直的第一孔(1)、第二孔(2)、第三孔(3)和第四孔(4)，这四个孔的中轴线与中间孔(5)的中轴线成45°。

2.根据权利要求1所述的五孔双筒测风仪，其特征在于：五孔双筒测风仪的四条固定筋位于内筒钻孔段风向后端的整流段。

3.根据权利要求1所述的五孔双筒测风仪，其特征在于：两端整流段的长度不小于16Δl。

4.一种利用权利要求1所述的五孔双筒测风仪的测风方法，其特征在于：该测风方法包括以下几个步骤：

步骤一：测量并记录第一孔(1)、第二孔(2)、第三孔(3)、第四孔(4)和中间孔(5)中来流的压强；

p₁＝P_t1+P_s2+P_s3+P_s4   (a)

p₂＝P_t2+P_s1+P_s3+P_s4   (b)

p₃＝P_t3+P_s1+P_s2+P_s4   (c)

p₄＝P_t4+P_s1+P_s2+P_s3   (d)

p₅＝P_s1+P_s2+P_s3+P_s4   (e)

步骤二：由伯努利方程(f)和所述五个孔压强关系式(g)～(j)计算第一孔(1)、第二孔(2)、第三孔(3)和第四孔(4)中来流动压；

$P_t=P_s+\frac{1}{2}{\mathrm{\ρ}}_s{V}^2=P_s+q_c---\left(f\right)$

Δp₁₅＝q_c1＝P_t1-P_s1＝p₁-p₅   (g)

Δp₂₅＝q_c2＝P_t2-P_s2＝p₂-p₅   (h)

Δp₃₅＝q_c3＝P_t3-P_s3＝p₃-p₅   (i)

Δp₄₅＝q_c4＝P_t4-P_s4＝p₄-p₅   (j)

步骤三：由公式(f)计算所述第一孔(1)、第二孔(2)、第三孔(3)和第四孔(4)轴线方向上的来流速度大小；

步骤四：由所述第一孔(1)、第二孔(2)、第三孔(3)和第四孔(4)的轴线方向及其方向上的来流速度合成风速矢量；

其中：p表示测得压强，P表示压强，ρ表示密度，V表示速度，q_c表示动压，Δp表示压强差，下角标t表示总压，下角标s表示静压，下角标1、2、3、4和5分别表示第一孔(1)、第二孔(2)、第三孔(3)、第四孔(4)和中间孔(5)。

5.一种利用权利要求1所述的五孔双筒测风仪的测风方法，其特征在于：当五孔双筒测风仪以速度置于密度为ρ的待测风场中时，此时五孔双筒测风仪测量的是五孔双筒测风仪相对气体团的运动速度－空速，为五孔双筒测风仪相对地面的运动速度－地速，地速向量是空速向量和风速向量的合成向量；所述测风方法包括以下步骤：

步骤一：测量并记录第一孔(1)、第二孔(2)、第三孔(3)、第四孔(4)和中间孔(5)中来流的压强；

p₁＝P_t1+P_s2+P_s3+P_s4   (a)

p₂＝P_t2+P_s1+P_s3+P_s4   (b)

p₃＝P_t3+P_s1+P_s2+P_s4   (c)

p₄＝P_t4+P_s1+P_s2+P_s3   (d)

p₅＝P_s1+P_s2+P_s3+P_s4   (e)其中：p表示测得压强，P表示压强，下角标t表示总压，下角标s表示静压，下角标1、2、3、4和5分别表示第一孔(1)、第二孔(2)、第三孔(3)、第四孔(4)和中间孔(5)；

步骤二：由伯努利方程(f)和所述五个孔压强关系式(g)～(j)计算第一孔(1)、第二孔(2)、第三孔(3)和第四孔(4)中来流动压；

$P_t=P_s+\frac{1}{2}{\mathrm{\ρ}}_s{V}^2=P_s+q_c---\left(f\right)$

Δp₁₅＝q_c1＝P_t1-P_s1＝p₁-p₅   (g)

Δp₂₅＝q_c2＝P_t2-P_s2＝p₂-p₅   (h)

Δp₃₅＝q_c3＝P_t3-P_s3＝p₃-p₅   (i)

Δp₄₅＝q_c4＝P_t4-P_s4＝p₄-p₅   (j)

步骤三：由公式(f)计算所述第一孔(1)、第二孔(2)、第三孔(3)和第四孔(4)轴线方向上的来流速度大小；

步骤四：由所述第一孔(1)、第二孔(2)、第三孔(3)和第四孔(4)的轴线方向及其方向上的来流速度合成风速矢量；

步骤五：对空速矢量和地速矢量进行合成，得到风速矢量；

其中：p表示测得压强，P表示压强，ρ表示密度，V表示速度，q_c表示动压，Δp表示压强差，下角标t表示总压，下角标s表示静压，下角标1、2、3、4和5分别表示第一孔(1)、第二孔(2)、第三孔(3)、第四孔(4)和中间孔(5)。