CN108195510A - 一种热膜式剪应力传感器的热风洞校准方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种热膜式剪应力传感器的热风洞校准方法，属于剪应力传感器测试与校准技术领域。该方法是将热风洞作为热膜式剪应力传感器的校准媒介，检测出传感器输出电压变化，换算成剪应力。本发明提出了一种在气流冲刷条件下，实现热膜式剪应力传感器的标定和校准方法，该方法能够在不同温度和不同马赫数下对热膜式剪应力传感器进行高精度的校准。通过该方法，提高了热膜式剪应力传感器的校准精度，并因为较好的模拟了发动机的工作环境，拓展了热膜式剪应力传感器在发动机等领域的应用范围。

Description

一种热膜式剪应力传感器的热风洞校准方法
技术领域
本发明涉及一种热膜式剪应力传感器的热风洞校准方法，属于剪应力传感器测试与校准技术领域，可实现剪应力传感器在准确温度条件及模拟发动机气流环境下的测试与校准。
背景技术
内流场测试是航空发动机设计优化以及在线监测的关注重点。发动机关键部件，如压气机内部的流动分离会导致失速、总压损失增加及叶片颤振等现象，使得压气机的效率下降等。因此，在压气机叶片的设计过程中必须考虑附面层分离的影响。而壁面剪应力的测量，可以反映出结构件表面附面层以及内流场的状态，对于相关研究具有重要意义。
目前，国内外主要通过一些常规实验测量的手段来探索流场附面层的相关信息，例如皮托管、热线风速仪、粒子图像测速仪(PIV)等，但是，这些方法都有一定的局限性，不能有效解决内流场测试问题。基于MEMS技术的微型传感器及相关测试仪器装置有测点探头微型化、高频响、可分布测量等特点，当贴附于复杂试验件表面，微传感器与试验件型面可以达到很好的重合性，对于表面流场无扰动，可以实现快速、准确的剪应力分布测量。
壁面剪应力，是流体中分子无规则运动所引起的动量交换和分子间吸引力两方面作用的结果，不仅存在动量交换，而且必然同时存在热量交换，动量交换与热量交换之间有一定的关系。热膜式壁面剪应力的基本原理，就是通过测量壁面(热膜)与流体间的热传导来测量壁面剪应力。根据热膜式剪应力传感器的工作原理，其输出信号与气流温度有较强的相关性，因此测点温度与标定温度间的相符度对于传感器信号的真实性影响较大。
目前热膜式剪应力传感器的标定与校准装置主要集中于微型扁薄层流槽道、圆形层流管道和基于压差法的扁平槽道。论文“MEMS壁面剪应力传感器阵列水下标定试验研究”(实验流体力学，2015年第29卷第2期)中采用压差法的扁平槽道对剪应力传感器进行标定，但是该装置没有温控，不能确定水温条件在热膜式剪应力传感器标定中的影响。专利“一种具有温控功能的水下壁面剪应力传感器标定装置”(CN20150737958.3)发明一种具有温控功能的水下壁面剪应力传感器表评定装置，是用于水动力学试验研究，不适用于气流中的传感器标定。
综上所述，现有热膜式剪应力传感器的校准不能有效模拟传感器在发动机结构件内流场的真实状态，因此不能实现基于准确温度提供及修正的气流状态下的传感器校准。本专利采用一种用于高精度温度传感器标定的热校准风洞(1700℃热校准风洞，航空计测技术2000年04期，见附图1)对热膜式剪应力传感器进行测试与校准，既可以提供标准温度，同时更真实的模拟内流场的气体流动状态。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有热膜式剪应力传感器测试与校准中存在的校准装置不能提供准确温度以及有效模拟发动机测试环境的问题，提出了一种热膜式剪应力传感器的热风洞校准方法。
本发明的目的是通过下述技术方案实现的。
一种热膜式剪应力传感器的热风洞校准方法，将热风洞作为热膜式剪应力传感器的校准媒介，检测出传感器输出电压变化，换算成剪应力。
所述检测出传感器输出电压的方法为：方法一、马赫数为定值，变换温度；方法二、温度为定值，变换马赫数；
实现上述方法的装置，包括：热膜式剪应力传感器、静压孔、被测模型和前缘。
所述被测模型沿上表面向下开设通孔，所述通孔为静压孔，所述静压孔沿被测模型中心线对称布置；热膜式剪应力传感器置于被测模型上表面，需保证热膜式剪应力传感器与静压孔不重叠，且热膜式剪应力传感器的探头位于被测模型的中心线上。
所述被测模型的前缘为直角或者尖劈；
所述被测模型的前缘为尖劈时尖劈角度小于90°；
在所述前缘处安装参考温度传感器；
装置的工作过程：将上述装置置于热风洞开口试验段中心处，根据上面所述检测出传感器输出电压的方法开始实验，通过壁面剪应力测试仪提取输出数据，计算剪应力。
有益效果
本发明提出了一种在气流冲刷条件下，实现热膜式剪应力传感器的标定和校准方法，该方法能够在不同温度和不同马赫数下对热膜式剪应力传感器进行高精度的校准。通过该方法，提高了热膜式剪应力传感器的校准精度，并因为较好的模拟了发动机的工作环境，拓展了热膜式剪应力传感器在发动机等领域的应用范围。
附图说明
图1为本发明热风洞装置示意图；
图2为本发明热风洞校准试验装置示意图；
图3为本发明待测模型示意图；
图4为本发明待测模型具体实施例示意图；
图5为本发明热膜剪应力传感器在不同马赫数下的剪应力随温度变化关系图；
图6为本发明热膜剪应力传感器在室温下的剪应力与不同马赫数所对应的输出电压信号关系曲线图。
其中，1-热风洞2-开口段试验区，3-气流，4-热膜式剪应力传感器，5-静压孔，6-被测模型，7-被测模型前缘，8-热膜式剪应力传感器探头，9-热膜式剪应力传感器引线输出端。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
实施例1
一种热膜式剪应力传感器的热风洞校准方法，将热风洞作为热膜式剪应力传感器的校准媒介，检测出传感器输出电压变化，换算成剪应力。
所述检测出传感器输出电压的方法为：马赫数为定值，变换温度；
一种热膜式剪应力传感器的热风洞校准方法，具体步骤如下：
1)准备被测模型6，被测模型6为带有30°尖劈前缘14的平板试验件，上表面中线两侧开有两列共16个静压孔5，静压孔5通过引压管与压力扫描阀相连；
8个热膜式剪应力传感器4探头8顺着气流3方向沿被测模型6中线粘贴，热膜式剪应力传感器4引线输出端9与壁面剪应力测试仪相连；
2)将被测模型6安装在电加热的热风洞1的开口试验段2核心区；
3)将参考温度传感器冷端接入冰瓶后，分别接入计算机数采系统；
4)运行风洞1，调节气流马赫数。
5)控制流场温度为环境流场温度，调节流场风速，依次为0.05马赫、0.1马赫、
0.2马赫、0.1马赫、0.05马赫，重复3次；待状态稳定后，采集记录气流总压、大气压、马赫数、参考温度传感器的指示温度等监视参数，同时采集记录剪应力传感器的数据及其壁面静压值；
6)控制流场温度为45℃，调节流场风速，依次为0.05马赫、0.1马赫、0.2马赫、0.1马赫、0.05马赫，重复3次；待状态稳定后，采集记录气流总压、大气压、马赫数、参考温度传感器的指示温度等监视参数，同时采集记录剪应力传感器的数据及其壁面静压值；
7)控制流场温度为65℃，调节流场风速，依次为0.05马赫、0.1马赫、0.2马赫、0.1马赫、0.05马赫，重复3次；待状态稳定后，采集记录气流总压、大气压、马赫数、参考温度传感器的指示温度等监视参数，同时采集记录剪应力传感器的数据及其壁面静压值；
8)控制流场温度为85℃，调节流场风速，依次为0.05马赫、0.1马赫、0.2马赫、0.1马赫、0.05马赫，重复3次；待状态稳定后，采集记录气流总压、大气压、马赫数、参考温度传感器的指示温度等监视参数，同时采集记录剪应力传感器的数据及其壁面静压值；
9)控制流场温度为105℃，调节流场风速，依次为0.05马赫、0.1马赫、0.2马赫、0.1马赫、0.05马赫，重复3次；待状态稳定后，采集记录气流总压、大气压、马赫数、参考温度传感器的指示温度等监视参数，同时采集记录剪应力传感器的数据及其壁面静压值；
10)对多次重复性实验数据进行整理，选取马赫数相近数据进行小范围温度补偿，取各自数据均值整理得到表1数据，以通道5为例，根据公式τ＝k×(273.15+T)-1/2×(383.55+T)-1/5，通过电压值计算得到传感器剪应力值，然后绘制传感器剪应力随温度变化关系，如图5所示。
表1通道5实验数据
MA 温度 电压值 剪应力
0.05 41.23 2.118766 1.13995
0.05 69.97 3.067010 1.07697
0.05 82.91 3.628530 1.05129
0.05 107.81 4.643301 1.00583
0.1 41.0625 2.061477 3.656
0.1 68.44 2.997827 3.27597
0.1 85.58 3.637827 3.21169
0.1 109.1342 4.620024 3.02217
0.2 41.0625 1.987788 11.99951
0.2 68.44 2.929696 11.42887
0.2 85.58 3.566778 11.17763
0.2 109.1342 4.500533 10.66986
实施例2
一种热膜式剪应力传感器的热风洞校准方法，将热风洞作为热膜式剪应力传感器的校准媒介，检测出传感器输出电压变化，换算成剪应力。
所述检测出传感器输出电压的方法为：温度为定值，变换马赫数；
一种热膜式剪应力传感器的热风洞校准方法，具体步骤如下：
1)准备被测模型6，被测模型6为带有30°尖劈前缘14的平板试验件，上表面中线两侧开有两列共16个静压孔5，静压孔5通过引压管与压力扫描阀相连；8个热膜式剪应力传感器4探头8顺着气流3方向沿被测模型6中线粘贴，热膜式剪应力传感器4引线输出端9与壁面剪应力测试仪相连；
2)将被测模型6安装在电加热的热风洞1的开口试验段2核心区；
3)将参考温度传感器冷端接入冰瓶后，分别接入计算机数采系统；
4)运行风洞1，调节气流马赫数。
5)控制流场温度为环境温度，调节流场风速，依次为0.05马赫、0.1马赫、0.2马赫、0.1马赫、0.05马赫，重复6次；待状态稳定后，采集记录气流总压、大气压、马赫数、参考温度传感器的指示温度等监视参数，同时采集记录热膜式剪应力测试仪的数据及其壁面静压值；
6)控制流场温度为环境温度，调节流场风速，依次为0.3马赫、0.4马赫、0.5马赫、0.6马赫、0.5马赫、0.4马赫、0.3马赫，重复6次；待状态稳定后，采集记录气流总压、大气压、马赫数、参考温度传感器的指示温度等监视参数，同时采集记录热膜式剪应力传感器的数据及其壁面静压值；
7)控制流场温度为环境温度，调节流场风速，依次为0.7马赫、0.8马赫、0.7马赫，重复6次；待状态稳定后，采集记录气流总压、大气压、马赫数、参考温度传感器的指示温度等监视参数，同时采集记录热膜式剪应力传感器的数据及其壁面静压值。
8)对多次重复性实验数据进行整理，选取马赫数相近数据进行小范围温度补偿，取各自数据均值整理得到表2数据，以通道5为例，绘制得到热膜剪应力传感器电压信号与剪应力关系曲线，如图6所示。
表2通道5实验数据
马赫数 电压信号(V) 剪应力(Pa)
0.005 3.008158 1.022687
0.101 2.9641 3.625559
0.2 2.900414 12.40082
0.3 2.873597 25.72852
0.4 2.849888 43.18217
0.499 2.812462 64.29505
0.602 2.767352 90.13017
0.702 2.746643 118.8511
0.803 2.720169 151.3856
以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种热膜式剪应力传感器的热风洞校准方法，其特征在于：将热风洞作为热膜式剪应力传感器的校准媒介，检测出传感器输出电压变化，换算得到剪应力；
所述检测出传感器输出电压的方法为：方法一、马赫数为定值，变换温度；方法二、温度为定值，变换马赫数。
2.实现如权利要求1所述方法的装置，其特征在于：包括：热膜式剪应力传感器、静压孔、被测模型和前缘；
所述被测模型沿上表面向下开设通孔，所述通孔为静压孔，所述静压孔沿被测模型中心线对称布置；热膜式剪应力传感器置于被测模型上表面，需保证热膜式剪应力传感器与静压孔不重叠，且热膜式剪应力传感器的探头位于被测模型的中心线上。
3.如权利要求2所述的装置，其特征在于：所述被测模型的前缘为直角或者尖劈。
4.如权利要求3所述的装置，其特征在于：所述被测模型的前缘为尖劈时尖劈角度小于90°。
5.如权利要求2、3或3所述的装置，其特征在于：在所述前缘处安装参考温度传感器。
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