CN104713693A - 一种副孔正交引压式超声速五孔探针 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种副孔正交引压式超声速五孔探针，包括测压头(1)、测压杆、测压管、安装座(7)、定位环(8)、压力接嘴(9)，测压头(1)圆锥上四个副孔轴线与圆锥表面正交；测压头(1)圆锥半角角度为10°～35°，根据不同马赫数设计不同的半角角度，具有不同的最大测量角度。本发明设计结构简单可靠的副孔正交引压式超声速五孔探针，提高超声速五孔探针的最大可测量方向角范围和精度。

Description

一种副孔正交引压式超声速五孔探针

技术领域

本发明属于超声速流场测试领域，具体涉及一种用于超声速空间流场马赫数和方向角测量的五孔探针。

背景技术

在空气动力流场的测量中，既要测量流速的大小，又要确定流速的方向，如自由射流试验、风洞流场品质校测、航空发动机高空模拟试验、燃气轮机涡轮叶片尾缘和机翼型附近的复杂流场等。

风速管只能测量马赫数，不具有流场方向测量的特点。鉴于对流场方向角测量的需求，出现了三孔探针和五孔探针。三孔探针主要进行稳态测量，测量流动角范围一般在士18°左右，并且在三维流场测量过程中经常会出现不稳定现象。

目前国内常用的五孔探针形式有束状和球状，采用的是埋管式加工方法，其特点如下：

1)球状五孔探针由于头部为球形，在超声速气流中会产生脱体激波，故只适用于亚声速流场的测量；

2)普通束状五孔探针的最大可测量流动角小于40度，当涉及大迎角或者近端壁测量时，气流角度的大范围变化不可避免，这种情况下通过普通的五孔探针测量己经不能正确反应实际流动。

发明内容

本发明的技术目的是：设计结构简单可靠的副孔正交引压式超声速五孔探针，提高超声速五孔探针的最大可测量方向角范围和精度。 用于复杂的超声速三维流场中的马赫数、总压和方向角的测量，主要包括风洞试验、航空发动机试验以及其他用于超声速流场测试的场合。

本发明的技术方案是：一种副孔正交引压式超声速五孔探针，采用锥形的可换压力测压头+后端压力测取设备及支撑件的方式。该可换压力测压头与支撑杆及测压管之间采用钎焊进行连接，保证五孔探针的结构强度和气密性。

(1)原理描述

对于五孔探针，在小流动角时，中心孔压力P5最大，但随流动角大，最大压力孔将由中心逐渐移到正对横向气流的压力孔。为此根据五孔的压力高低，将流动空间划分为五个区。以压力最高的孔编号为名第五孔所对的流动空间称为内区，其它四个区称为外区，每个区各占1/4的扇形空间，如图1所示。

采用如图2所示的坐标系，采用迎角α和侧滑角β来确定气流方向，迎着气流看，右侧滑为正。

定义

$\left\{\begin{array}{c}{C}_{\mathrm{\α}}=\frac{P_3-P_1}{P_5-\stackrel{\‾}{P_{1-4}}}\\ C_{\mathrm{\β}}=\frac{P_4-P_1}{P_5-\stackrel{\‾}{P_{1-4}}}\end{array}\right.---\left(1\right)$

式中分子为方位角相差180度的一对孔口压差，根据此压差可确定速度向量在这对孔中心平面内投影的方向；分母为表现动压(P5-P1-4)，其中P1-4为1-4孔的压力平均值，近似为局部静压，P5近似为局部总压。

内区的总压系数为：

$\left\{\begin{array}{c}{C}_o=\frac{P_5-P*}{P_5-P_{1-4}}\\ C_q=\frac{P_5-P_{1-4}}{P*-P_L}\end{array}\right.---\left(2\right)$

其中，P*为校准风洞实际总压的精确值，PL为校准风洞局部静压；

定义压缩系数，需要从五孔探针各压力值中提取出能够近似代表动压和总压的关系式。在小迎角情况下，近似总压可以用P5来表示，近似静压由1到4孔的压力平均值P1-4来表示，则近似动压为P5-P1-4。定义内区的压缩系数(即动总压比)为：

$C_M=\frac{P_5-P_{1-4}}{P_5}---\left(3\right)$

(2)结构设计

为了减少五孔探针对流场特性的影响，应尽量减小五孔探针的几何尺寸，同时又必须认真考虑探针测压孔的响应时间、支杆的机械强度、刚度问题，以避免受感部在流场中颤振而引起更大的测量误差。综合考虑以上因素，设计了如图3(a)所示的五孔探针，本发明所设计的最小五孔探针直径为φ1.5mm。测压杆之间通过转接，增加其强度和刚度，减少了五孔探针在超声速流场中的振动。

为了增加最大测量角度，设计了如图3(b)所示的五孔探针测压头。该测压头与普通测压头在外形上的区别是：该测压头外区的四个测压孔轴线与所在锥面母线垂直；而普通测压头外区四个测压孔轴 线与内区测压孔轴线平行。由于该测压头外区测压孔的特殊形式，使得五孔探针能够感受大角度来流方向。

本发明的五孔探针主要部件有测压头、测压杆、测压管等。测压头与测压杆及测压管之间采用银基钎焊连接，如图4所示。该种结构实现了五孔探针测压头与其他部件的组合，提高了五孔探针的安装精度从而提高了其测试精度。而测压管之间的填充物保证了测压管与测压头之间的连接强度，以提高了整个五孔探针的气密性。

如图6所示，在五孔探针的尾部设计了安装座，以便于五孔探针在使用过程中的定位和安装，提高测试精度。在测压管尾部设计了专门的压力接嘴，以方便将该五孔探针与后端压力扫描元件相连接，将压力信号转变为电信号。

本发明所设计的测压头特征为：

1)测压头圆锥上四个副孔轴线与圆锥表面正交；

2)测压头为圆锥，大端直径为1.5mm～20mm；

3)材料：304不锈钢、GH128高温合金或黄铜；

4)测压头副孔与中心孔轴向位置关系比L₁/L为0.3～0.7，测压头直径与测压孔直径比为8～12；

5)圆锥半角角度为10°～35°，根据不同马赫数具有不同的半角角度和最大测量角度，见表1；

表1 马赫数与半角角度的关系

马赫数(Ma)	圆锥半角(°)	测量角度范围(°)
			1.5	10	-70～70
2.0	20	-65～65

2.5	25	-60～60
			3.0	30	-55～55
3.5	35	-50～50
			4.0	35	-45～45

本发明的技术效果是：针对普通超声速五孔探针，提出了一种副孔正交引压式超声速五孔探针，提高了超声速五孔探针的最大可测量方向角范围和精度。该五孔探针具有结构简单、测量精度高和可测量马赫数范围广等特点，既能在超声速流场中使用，也能在亚声速流场中使用。

角度分辨率：±0.5°；

总的速度误差：±1％；

流动角测量范围：0°～70°；

流动速度范围：5m/s～1050m/s(Ma＝4.0)；

测量介质：测压头直径为1.5mm～8mm的五孔探针为空气，测压头直径为8mm～20mm的五孔探针为水；

流场温度限制：200K～1500K；

最大采样频率：2KHz；

附图说明

图1五孔探针分区原理图

图2五孔探针坐标系

图3五孔探针结构示意图

图4测压头连接示意图

图5测压头工程图

图6五孔探针工程图

其中：1、测压头；2、第一支杆；3、第一空气管；4、第二空气管；5、第二支杆；6、第三支杆；7、安装座；8、定位环；9、压力接嘴 

具体实施方式

本发明所设计的五孔探针具体实施方式包括：理论分析、工程设计、校准和使用方法四步：

(1)理论分析

首先通过理论计算与仿真模拟，确定该型五孔探针在不同马赫数和流场角度的情况下流动特性，比如压力大小、温度范围。同时为校准过程中马赫数和方向角范围的选取做准备。

根据测试要求，设计相应大小的支撑结构形式，并通过载荷计算确定该五孔探针的承载能力。

(2)工程设计和加工

1)根据测试对象选取测压头大小，然后根据材料特性和加工工艺设计测压孔直径大小；

2)根据理论分析压力和温度范围选取空气管的材料和尺寸；

3)根据测试要求确定支撑结构形式(直杆、L型或者C型)，并设计相应的转接段形式和尺寸；

4)根据位移机构设计相应的安装座。

5)测压头采用电火花加工方式，加工完毕后需要进行各测压孔位置度和圆度等公差检测；

6)根据设计总装图进行焊接，本发明各处均采用银基钎焊。焊后砂光焊缝，保持外型，对P、M、N处进行X光探伤，P、M、N处要求焊接质量达到B级以上。所有焊缝着色探伤检查，要求焊后无夹渣、裂纹等缺陷；

7)空气管打光毛刺、保持锐边；组装前应进行清洗通气检查；(3)校准

五孔探针设计完毕后，需要经过校准才能使用。具体的校准过程为：

1)根据测试条件确定马赫数点和方向角校准点；

2)根据校准点，将五孔探针安装在校准用位移机构上，置于标准风洞，进行校准；

3)根据五孔探针测定的各个流动角下的五孔压力，将测量结果按(1、2、3)式整理成无因次压力系数。

4)流动角、总压、静压可用上述压力系数的多次多项式表示。每个区只需用其两个对应的压力系数作为变量，用Cα和Cβ表示。校准方法采用最小二乘法进行曲线拟合，采用二次多项式来确定各区参数：

A＝K₁ ^A+K₂ ^AC_α+K₃ ^AC_β+K₄ ^AC_M+K₅ ^AC² _α         (4) 

+K₆ ^AC² _β+K₇ ^AC² _M+K₈ ^AC_αC_β+K₉ ^AC_αC_M+K₁₀ ^AC_βC_M

A表示α、β、Co和Cq；

KA是校准系数； 

5)按照式(4)计算不同的A，分别有10个校正系数，因而每个区有40个校准系数，这些系数通过校准得到。进行校准实验时， 测量n个点的数据，根据最小二乘法拟合实验数据原理，对于一个流动参数有10个校准系数KA，测点n必须大于10。每个数据点含五个压力值，即探针五个孔分别测得的压力，根据式(1、2、3)整理得到Cα,Cβ,Co，Cq，代入式(4)中，可用矩阵形式表示：

$\left[A\right]=\left[\begin{array}{cccccccc}1& C_{\mathrm{\α}}& C_{\mathrm{\β}}& C_M& C_{\mathrm{\α}}{C}_{\mathrm{\β}}& \·& \·& C_{\mathrm{\β}}{C}_M\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{K_1}^A\\ {K_2}^A\\ {K_3}^A\\ \·\\ \·\\ {K_{10}}^A\end{array}\right]---\left(5\right)$

简写为：

[A]＝[C]_1×10[K]_10×1        (6) 

为了得到校准系数[K]，采用转置矩阵法直接求解：

[K]＝[C^TC]^-1[C]^T[A]        (7) 

式中[C]T为[C]的转置矩阵。

(4)使用方法

校准系数确定后，将已知校准系数的五孔探针安置在需要测量的流场中，根据压力系数公式计算压力系数Cα、Cβ，代入公式(4)，可以确定探针所在点气流的方向α、β，总压POL和静压P∞L，由总、静压差可以求出速度大小，再根据流动方向求出速度分量。

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\α}={K_1}^{\mathrm{\α}}+{K_2}^{\mathrm{\α}}{C}_{\mathrm{\α}}+{K_3}^{\mathrm{\α}}{C}_{\mathrm{\β}}+......+{K_{10}}^{\mathrm{\α}}{C}_{\mathrm{\β}}{C}_M\\ \mathrm{\β}={K_1}^{\mathrm{\β}}+{K_2}^{\mathrm{\β}}{C}_{\mathrm{\α}}+{K_3}^{\mathrm{\β}}{C}_{\mathrm{\β}}+......+{K_{10}}^{\mathrm{\β}}{C}_{\mathrm{\β}}{C}_M\\ C_o={K_1}^{\mathrm{Co}}+{K_2}^{\mathrm{Co}}{C}_{\mathrm{\α}}+{K_3}^{\mathrm{Co}}{C}_{\mathrm{\β}}+......+{K_{10}}^{\mathrm{Co}}{C}_{\mathrm{\β}}{C}_M\\ C_q={K_1}^{\mathrm{Cq}}+{K_2}^{\mathrm{Cq}}{C}_{\mathrm{\α}}+{K_3}^{\mathrm{Cq}}{C}_{\mathrm{\β}}+......+{K_{10}}^{\mathrm{Cq}}{C}_{\mathrm{\β}}{C}_M\\ P_{\mathrm{OL}}=P_5-C_o(P_5-P_{1-4})\\ P_{\∞L}=P_{\mathrm{OL}}-\frac{P_5-P_{1-4}}{C_q}\end{array}\right.---\left(8\right)$

在亚声速流场中，气体可以近似为等熵。等熵流动中，动压于总压的关系见式(9)。

$\frac{P_{\mathrm{oL}}-P_{\∞L}}{P_{\mathrm{OL}}}=1-{(1+\frac{r-1}{2}{M}^2)}^{\frac{-r}{r-1}}---\left(9\right)$

由式(9)可以得到亚声速流动中Ma的计算公式， 

$M=\sqrt{\frac{2}{r-1}({[1-\frac{P_{\mathrm{OL}}-P_{\∞L}}{P_{\mathrm{OL}}}]}^{\frac{1-r}{r}}-1)}---\left(10\right)$

通过校准计算，可以得到各测量点Co和Cq值，在根据五孔探针所测量的五孔压力值，根据总静压的定义可以得到如下的关系式：

$\frac{P_{\mathrm{OL}}-P_{\∞L}}{P_{\mathrm{OL}}}={\left[C_q(\frac{P_5}{P_5-P_{1-4}}-C_O)\right]}^{-1}---\left(11\right)$

随着马赫数达到超声速以后，五孔探针在超声速流场中马赫数的计算公式为，

$\frac{P_{\mathrm{OL}}}{P_{\∞L}}={\left(\frac{{6M}^2}{5+M^2}\right)}^{3.5}{\left(\frac{6}{{7M}^2-1}\right)}^{2.5}---\left(12\right)$

其中：POL：近似总压，在小角度情况下可以用P5来表示；

P∞L：近似静压，在小角度情况下，用P1-4的平均压力值来表示。

Claims (3)

1.一种副孔正交引压式超声速五孔探针，包括测压头(1)、测压杆、测压管、安装座(7)、定位环(8)、压力接嘴(9)，

其特征在于，测压头(1)为圆锥，大端直径为1.5mm～20mm，当测压头(1)直径为1.5mm～8mm的五孔探针时测量介质为空气，当测压头(1)直径为8mm～20mm的五孔探针时测量介质为水；测压头(1)圆锥上四个副孔轴线与圆锥表面正交；测压头(1)圆锥半角角度为10°～35°，根据不同马赫数设计不同的半角角度，具有不同的最大测量角度；测压头(1)副孔与中心孔轴向位置关系比L1/L为0.3～0.7，测压头(1)直径与测压孔直径比为8～12，测压头(1)经电火花成型加工；

测压杆包括第一支杆(2)、第二支杆(5)、第三支杆(6)；

测压管包括第一空气管(3)、第二空气管(4)；

测压头与测压杆及测压管之间采用银基钎焊连接，安装座(7)位于五孔探针的尾部，用于五孔探针在使用过程中的定位和安装，在测压管尾部设计了专门的压力接嘴(9)，用于将该五孔探针与后端压力扫描元件相连接，将压力信号转变为电信号。

2.如权利要求1所述的五孔探针，其特征在于，测压头采用304不锈钢、GH128高温合金或黄铜材料加工制成。

3.如权利要求1所述的五孔探针，其特征在于，测压杆制作成直杆、L型或C型。