CN104792493A - 一种喷流反射速度场测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于高温高速流体流动研究领域，具体涉及一种高温高速喷流反射速度场测试方法。其特征在于，第一，加工土字形测耙；第二，准备测试设备；第三，与喷流发生装置同步系统时钟后开始测试；第四，数据处理；第五，分析计算。本发明的优点是：测点数量和测试数据量及测试车次减小到外场可承受的范围；做到既不破坏外场地面又保证测耙稳固，解决外场凝露及高温对塑料测压管的影响；对海量实时高频动态采样数据采取多通道采集延时转存法，解决数据采集存储系统带宽和速率不够问题，同时提高数据精度，减少喷流装置开车次数，节省测试费用；解决了测试数据与喷流状态一一对应问题；建立了一套数据采集、处理和分析方法。

Description

一种喷流反射速度场测试方法

技术领域

本发明属于高温高速流体流动研究领域，具体涉及一种高温高速喷流反射速度场测试方法。

背景技术

火箭中的燃气舵，矢量推力发动机二元喷管，乙炔焰焊接，钢铁冶炼，干粉灭火器喷射效果研究等过程中都会遇到高温、高压、高速喷流的反射问题。对高温高速反射流场的测试方法研究对这些问题的研究都有一定的参考意义。

发明内容

本发明的目的是：

解决高温高速喷流遇到挡板产生喷流反射速度场的测试问题。

本发明的技术方案是：

一种喷流反射速度场测试方法，其特征在于，包括如下步骤：

第一，准备测试设备：首先设置好挡板，挡板为方形，边长为喷管直径D的5～10倍，与地面的夹角为45°～90°之间，喷气装置喷口轴线到地面的距离为喷口直径D的3～5倍，喷口到挡板的距离为2D～3D，将测耙放置到喷口正下方，探头方向正对反射流，第一支耙距离挡板3D～5D，测耙探头与喷口后缘平齐，第二、三支测耙按2.5D等间距布置。将测耙连接的测压导管集束穿过钢管向后方延伸到足够的距离(约20米)再向侧方延伸到扫描阀、计算机等测试设备(约20米)，并与扫描阀连接，保护测压管的钢管用石棉布包好；

第二，与喷流发生装置同步系统时钟后开始测试：将整个流量变化范围分成4个阶梯，从小到大逐渐增加喷流流量，达到每个测试流量阶梯时稳定保持一分钟，流量达到最大状态保持1分钟后逐渐减小流量，按相反流量阶梯次序再测试一遍，关闭喷流设备；

第三，数据处理：五孔探针测试前必须在风洞中进行标定。标定时，先测得五孔探针在一系列偏转角度状态下五个孔的压强值(P₁,P₂,P₃,P₄,P₅)，然后代入公式(1)、(2)、(3)、(4)中计算得到五孔探针的四个标定系数K_α，K_β，K_qα，K_qβ，最后绘制α～K_α、β～K_β、α～K_qα、β～K_qβ的校准曲线。

$K_{\mathrm{\α}}=\frac{P_4-P_2}{P_1-\frac{1}{2}(P_4+P_2)}---\left(1\right)$

$K_{\mathrm{\β}}=\frac{P_5-P_3}{P_1-\frac{1}{2}(P_5+P_3)}---\left(2\right)$

$K_{\mathrm{q\α}}=\frac{q_{\mathrm{\α}}}{P_1-\frac{1}{4}(P_2+P_3+P_4+P_5)}---\left(3\right)$

$K_{\mathrm{q\β}}=\frac{q_{\mathrm{\β}}}{P_1-\frac{1}{4}(P_2+P_3+P_4+P_5)}---\left(4\right)$

试验时，利用压力传感器测量出探针五个孔的压强值，代人公式(1)、(2)中，求出K_α，K_β，然后根据校准曲线反算出气流相对于五孔探针的偏角α、β，进而计算出K_qα，K_qβ，最后根据(5)、(6)、(7)(8)四个速度公式计算出所需的速度值，其中公式(5)、(6)、(7)为分速度公式，公式(8)为合速度公式。

$u=\sqrt{\frac{2\×K_{\mathrm{q\α}}[P_1-\frac{1}{4}(P_2+P_3+P_4+P_5)]}{\mathrm{\ρ}}}\cos \mathrm{\α}=\sqrt{\frac{2\×K_{\mathrm{q\β}}[P_1-\frac{1}{4}(P_2+P_3+P_4+P_5)]}{\mathrm{\ρ}}}\cos \mathrm{\β}---\left(5\right)$

$v=\sqrt{\frac{2\×K_{\mathrm{q\α}}[P_1-\frac{1}{4}(P_2+P_3+P_4+P_5)]}{\mathrm{\ρ}}}\sin \mathrm{\α}---\left(6\right)$

$w=\sqrt{\frac{2\×K_{\mathrm{q\β}}[P_1-\frac{1}{4}(P_2+P_3+P_4+P_5)]}{\mathrm{\ρ}}}\sin \mathrm{\β}---\left(7\right)$

$V=\sqrt{u^2+v^2+w^2}=\sqrt{\frac{2\×[P_1-\frac{1}{4}(P_2+P_3+P_4+P_5)][K_{\mathrm{q\α}}+{\sin }^2\mathrm{\β}\×K_{\mathrm{q\β}}]}{\mathrm{\ρ}}}---\left(8\right)$

至此，可得到流场中来流的速度方向和大小以及三个速度分量。

第四，分析计算：根据测得的数据分别可以处理出速度大小、方向随喷流强度、离地面高度及离挡板距离的变化规律曲线及测耙截面流动参数云图提供各种分析使用。

所述测耙的设计加工方法如下：土字形测耙由两横一竖支杆构成，整个支架连接在底板支座上，整个测耙固定放置在地面，两横支杆长度等于发动机喷管直径D，其上分别布置3个测点，两端和中间各一个，竖杆长度比喷管到地面高度略短，其上设置6个测点，除与两横杆交叉点各布置一个测点外，两横杆之间设置3个测点，上边横杆之上设置一测点，下边测点间距密集些，约0.2D，上边测点间距略大些，约0.4D。设备安装时一定要注意五孔探针1、2、3、4号孔的方向；

本发明的优点是：

1)通过CFD计算辅助优化划定重点测试范围，优化测试站位和每支测耙测点分布设计加工出土字型测耙，使测点数量和测试数据量及测试车次减小到外场可承受的范围；

2)设计加工平板底座、随手拆帽罩、管路包裹石棉布等手段做到了既不破坏外场地面又保证测耙稳固，解决外场凝露及高温对塑料测压管的影响；

3)对海量实时高频动态采样数据采取多通道采集延时转存法，解决数据采集存储系统带宽和速率不够问题，同时提高数据精度，减少喷流装置开车次数，节省测试费用；

4)采取系统时钟同步法解决了测试数据与喷流状态一一对应问题；

5)设计加工了全套测试设备，建立了一套数据采集、处理和分析方法。

附图说明

图1测试系统框图

图2喷流反射示意图

图3优化后测耙布置站位示意图

图4优化后测耙测点布置图

图5发动机开车状态示意图

图6流速分布示意图

具体实施方式

下面结合附图和航空发动机喷流反射测试实施案例对本发明做进一步说明：

请参阅图1，是本测试系统的原理框图。速度场测试系统由三组五孔探针、扫描阀及数据采集、记录系统组成。每组五孔探针按设计好的位置安装在土字型测试耙支架上。

请参阅图2，是60°挡板下的喷流反射示意图。测试中偏流板大小3×6米，与地面成60°，与对称面夹角75°。

请参阅图3，优化后测耙布置站位示意图。挡板不仅与地面有一定夹角，还与对称面偏转一定角度。如图所示布置，左侧进气道回流更严重些，据此将三支测耙从后到前按一定规律布置在左侧喷管下方，第一支耙放在喷口下，距挡板2.5米，第一、二、三支耙间距2米。

请参阅图4，优化后测耙测点布置图。图中为针对测试需求设计加工的土字型测耙，两支横杆长度为D，其上各布置3个测点，优化后的单支测耙上测点数量为10个测点。

请参阅图5，发动机开车状态示意图。将发动机整个流量变化范围分成慢车、节流、中间、最大4个阶梯，从小到大逐渐加大油门增加发动机喷流流量，达到每个测试状态阶梯时稳定保持一分钟，流量达到最大状态保持1分钟后逐渐减小油门，按相反流量阶梯次序再测试一遍。

表1中给出某一时刻一个探头上的5个测压孔压力，表2中给出了代入前面相应公式后的计算结果，据此可以计算出所有状态所有测点的数据。

表1 五孔探针的五孔压力数据

P1(mm水柱)	P2(mm水柱)	P3(mm水柱)	P4(mm水柱)	P5(mm水柱)
					38.3139	39.1464	-2.6588	-0.9653	-3.1874

表2 压力数据计算处理结果

α(°)	β(°)	u(m/s)	v(m/s)	w(m/s)	V(m/s)
						-22.8921	-1.1930	25.9262	-0.5611	-10.9465	28.1480

请参阅图6，流速分布示意图。图中可见，挡板附近的站位1处反射喷流速度较高，越向前越弱，到第三支耙附近速度明显降低。

Claims (1)

1.一种喷流反射速度场测试方法，其特征在于，包括如下步骤：

第一，准备测试设备：首先设置好挡板，挡板为方形，边长为喷管直径D的5～10倍，与地面的夹角为45°～90°之间，喷气装置喷口轴线到地面的距离为喷口直径D的3～5倍，喷口到挡板的距离为2D～3D，将测耙放置到喷口正下方，探头方向正对反射流，第一支耙距离挡板3D～5D，测耙探头与喷口后缘平齐，第二、三支测耙按2.5D等间距布置，将测耙连接的测压导管集束穿过钢管向后方延伸到足够的距离(约20米)再向侧方延伸到扫描阀、计算机等测试设备(约20米)，并与扫描阀连接，保护测压管的钢管用石棉布包好；

第二，与喷流发生装置同步系统时钟后开始测试：将整个流量变化范围分成4个阶梯，从小到大逐渐增加喷流流量，达到每个测试流量阶梯时稳定保持一分钟，流量达到最大状态保持1分钟后逐渐减小流量，按相反流量阶梯次序再测试一遍，关闭喷流设备；

第三，数据处理：五孔探针测试前必须在风洞中进行标定，标定时，先测得五孔探针在一系列偏转角度状态下五个孔的压强值(P₁,P₂,P₃,P₄,P₅)，然后代入公式(1)、(2)、(3)、(4)中计算得到五孔探针的四个标定系数K_α，K_β，K_qα，K_qβ，最后绘制α～K_α、β～K_β、α～K_qα、β～K_qβ的校准曲线，

$K_{\mathrm{\α}}=\frac{P_4-P_2}{P_1-\frac{1}{2}(P_4+P_2)}---\left(1\right)$

$K_{\mathrm{\β}}=\frac{P_5-P_3}{P_1-\frac{1}{2}(P_5+P_3)}---\left(2\right)$

$K_{\mathrm{q\α}}=\frac{q_{\mathrm{\α}}}{P_1-\frac{1}{4}(P_2+P_3+P_4+P_5)}---\left(3\right)$

$K_{\mathrm{q\β}}=\frac{\mathrm{q\β}}{P_1-\frac{1}{4}(P_2+P_3+P_4+P_5)}---\left(4\right)$

试验时，利用压力传感器测量出探针五个孔的压强值，代人公式(1)、(2)中，求出K_α，K_β，然后根据校准曲线反算出气流相对于五孔探针的偏角α、β，进而计算出K_qα，K_qβ，最后根据(5)、(6)、(7)(8)四个速度公式计算出所需的速度值，其中公式(5)、(6)、(7)为分速度公式，公式(8)为合速度公式，

$u=\sqrt{\frac{2\×K_{\mathrm{q\α}}[P_1-\frac{1}{4}(P_2+P_3+P_4+P_5)]}{\mathrm{\ρ}}}\cos \mathrm{\α}=\sqrt{\frac{2\×K_{\mathrm{q\β}}[P_1-\frac{1}{4}(P_2+P_3+P_4+P_5)]}{\mathrm{\ρ}}}\cos \mathrm{\β}$

           (5)

$v=\sqrt{\frac{2\×K_{\mathrm{q\α}}[P_1-\frac{1}{4}(P_2+P_3+P_4+P_5)]}{\mathrm{\ρ}}}\sin \mathrm{\α}---\left(6\right)$

$w=\sqrt{\frac{2\×K_{\mathrm{q\β}}[P_1-\frac{1}{4}(P_2+P_3+P_4+P_5)]}{\mathrm{\ρ}}}\sin \mathrm{\β}---\left(7\right)$

$v=\sqrt{u^2+v^2+w^2}=\sqrt{\frac{2\×[P_1-\frac{1}{4}(P_2+P_3+P_4+P_5)][K_{\mathrm{q\α}}+{\sin }^2\mathrm{\β}\×K_{\mathrm{q\β}}]}{\mathrm{\ρ}}}---\left(8\right)$

至此，可得到流场中来流的速度方向和大小以及三个速度分量，

第五，分析计算：根据测得的数据分别可以处理出速度大小、方向随喷流强度、离地面高度及离挡板距离的变化规律曲线及测耙截面流动参数云图提供各种分析使用。