CN108593964B - 一种七孔气流探针的标定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种七孔气流探针的标定方法,可充分利用有效孔的压力值进行标定计算,不局限于有效孔的数量,不需要在应用过程中测量来流总压和静压,解决了传统标定算法当某一孔出现例如堵塞等故障时,造成标定方法彻底失效,从而可以应用在诸多恶劣环境或条件受限环境,如野外条件下风力机入流条件的测量等。
Description
技术领域
本发明涉及一种气流速度测量设备的标定方法,更具体涉及一种七孔气流探针的标定方法。
背景技术
气流探针广泛应用于多种领域的流场测量中,如航空航天、风力机、风洞试验、土木桥梁等风工程领域。气流探针的基本形式是在探针头部和内部布置有多个压力通道,如两孔(皮托管或空速管)、三孔、五孔、七孔以及多孔探针。七孔气流探针(其结构及孔位编号如图1所示)作为可同时测量速度大小和两个速度方向的三维探针,相比五孔探针可在更广的角度范围内得到令人满意的标定精度,尤其适用于一些复杂分离流动形态的测量。七孔气流探针应用的基本原理是根据七孔之间的压力差,通过标定方法推算来流的方向和大小,应用过程包括以下步骤:1)标定测量:已知来流大小和方向,记录每一孔位的压力值,形成标定数据库;2)压力无量纲化:将各孔位的压力值按一定准则无量纲化,形成与来流大小和角度直接相关的压力系数;3)拟合插值:将待推算的压力值无量纲化,并与标定数据库对比,拟合插值计算来流的方向和大小。其中,步骤2)压力无量纲化和步骤3)拟合插值构成了七孔探针的标定方法。
传统标定方法中压力无量纲化的步骤主要采用如下计算公式:
其中公式(1)~(3)应用在来流角度较小(一般认为来流角度小于24°)的情况,公式(1)和(2)是计算与来流角度相关的压力无量纲化公式,公式(3)是计算与来流速度大小相关的压力无量纲化公式;而公式(4)~(5)应用在来流角度较大(一般认为来流角度大于24°)的情况,公式(4)是计算与来流角度相关的压力无量纲化公式,公式(5)是计算与来流速度大小相关的压力无量纲化公式。其中,P1、P2、P3、P4、P5、P6、P7分别为第1~7个孔位的压力值,Pn为第n个孔位的压力值,PoL为来流总压,P∞L为来流静压, Cα、Cβ、Co、Cq、均为无量纲压力系数。
由公式(1)~(5)可见,对于来流角度较小和较大的情况,所有孔位的压力值都参与到压力无量纲化的计算中,即所有压力值缺一不可,并且需要获得来流的总压和静压。因此当某一孔位出现诸如堵塞等故障时,或者在某些无法获得来流总压和静压的情况下,上述压力无量纲计算方法将彻底失效。
发明内容
针对现有技术的上述缺点和不足,本发明提出了一种新型的七孔气流探针标定方法,其中压力无量纲化不局限于有效孔位的数量,不需要在应用过程中测量来流的总压和静压,从而可以应用在诸多恶劣环境或条件受限环境,如野外条件下风力机入流条件的测量等,即使某一或某些孔位出现例如堵塞等故障时,剩余无故障的孔位的压力值仍可用来标定计算来流的方向和速度大小。
本发明为解决其技术问题所采取的技术方案为:
一种七孔气流探针的标定方法,其特征在于,所述标定方法包括如下步骤:
SS1.获取七孔气流探针的标定数据库,其中每个数据点至少包括来流第一角度分量α、第二角度分量β、来流总压Pdt、来流静压Pds、以及各孔位压力值(Pd1,Pd2,…,Pd7),其中,Pd1指第1个孔位的压力值,Pd2指第2个孔位的压力值,…,Pd7指第7个孔位的压力值;
SS2.将七孔气流探针置于待测来流中,记录各有效孔位的压力值(P1_mea,P2_mea,…,Pn_mea),其中,P1_mea指第1个有效孔位的压力值,P2_mea指第2个有效孔位的压力值,n是有效孔位的个数,n小于等于7,Pn_mea指第n个有效孔位的压力值;
SS3.假设待测来流的静压值Ps为任意给定的初始假设静压Ps_Init,利用公式(1)将步骤SS2中各有效孔位的压力值(P1_mea,P2_mea,…,Pn_mea)转化为无量纲压力系数,利用公式(2)将步骤SS1中标定数据库中对应各有效孔位的标定压力值(Pd1,Pd2,…,Pdn)转化为无量纲压力系数,Pdn指标定数据库中第n个孔位的压力值;
所述压力无量纲化,是将带有单位的压力值转化为无量纲的压力系数,其目的在于分离压力与来流速度大小的相关性,形成仅与来流角度相关的无量纲压力值,从而简化计算复杂性,提高计算效率。
其中,压力无量纲化计算公式(1)、(2)如下:
其中,
Pi_mea为第i个有效孔位的压力值,Pdi为标定数据库中第i个孔位的压力值,
n为有效孔位的个数,
Ps_mea为待测来流的静压值,初始赋值为初始假设静压Ps_Init,通过迭代计算更新,
Cpi_mea为第i个有效孔位的无量纲压力系数,Cpdi为标定数据库中第i个孔位的无量纲压力系数,
SS4.将每组有效孔位的无量纲压力系数作为一个矢量,对比计算标定数据库中各数据点无量纲压力系数距待测数据点无量纲压力系数的矢量长度(Cpd1-Cp1_mea,…,Cpdn-Cpn_mea),之后按矢量长度排序,找出标定数据库中距离待测数据点最接近的若干数据点;
SS5.对于步骤SS4中找出的标定数据库中距离待测数据点最接近的若干数据点,拟合分析各数据点中来流第一角度分量α、第二角度分量β与各有效孔位的无量纲压力系数的对应关系式(3):
(α,β)=f(Cpd1,…,Cpdn) (3)
SS6.根据待测数据点的压力无量纲系数,利用步骤SS5中得到的关系式(3)拟合插值计算得到待测数据点对应来流的第一角度分量α_mea、第二角度分量β_mea;
SS7.将标定数据库中每个数据点中的来流第一角度分量α、第二角度分量β作为一个来流角度矢量,对比计算步骤SS4中找出的标定数据库中的数据点的来流角度矢量距待测数据点来流角度矢量之间的矢量距离(α-α_mea,β-β_mea),之后按矢量长度排序,找出标定数据库中距离待测数据点对应的来流角度矢量最接近的若干数据点;
SS8.根据步骤SS7所找出的标定数据库中若干数据点,拟合分析各数据点中无量纲总压系数Cpdt、无量纲静压系数Cpds与若干数据点中第一角度分量α、第二角度分量β的对应关系式(4):
(Cpdt,Cpds)=f(α,β) (4)
其中,利用公式(5)、(6)分别计算标定数据库中各数据点的无量纲总压系数Cpdt、无量纲静压系数Cpds:
SS9.根据待测数据点的第一角度分量α_mea、第二角度分量β_mea,利用步骤SS8中拟合得到的关系式(4)拟合插值计算得到待测数据点对应的总压系数Cpt_mea和静压系数Cps_mea;
SS10.将步骤SS9中得到的待测数据点的总压系数Cpt_mea和静压系数Cps_mea,根据公式(7)、(8)计算其对应的总压Pt_mea和静压Ps_mea:
SS11.对比计算得到的静压Ps_mea与初始假设静压Ps_Init,若二者之间的误差未达到收敛标准,则由计算得到的静压Ps_mea代替初始假设静压Ps_Init,重复步骤SS3至步骤SS10,直到误差达到收敛标准,则输出待测数据点对应的来流第一角度分量α_mea、第二角度分量β_mea、总压Pt_mea及静压Ps_mea,并根据来流的总压Pt_mea及静压Ps_mea计算来流的速度大小,标定计算完成。
优选地,步骤SS5中采用多变量多项式回归分析的方法进行数据的拟合分析。
优选地,步骤SS6中拟合插值的方法包括但不限于最小二乘法、回归分析、多项式插值以及非线性插值。
优选地,步骤SS7中找出的标定数据库中距离待测数据点对应的来流角度矢量最接近的数据点的数量为4个。
进一步地,步骤SS8中利用双线性插值的方法进行数据的拟合分析。
优选地,步骤SS11中收敛标准为计算得到的静压Ps_mea与初始假设静压Ps_Init之间的误差小于0.0001。
通过以上技术方案可知,本发明公开的七孔气流探针标定方法,与现有技术相比,可充分利用探针有效孔位的压力值进行标定计算,不局限于有效孔位的数量,不需要在应用过程中测量来流总压和静压,从而可以应用在诸多恶劣环境或条件受限环境,如野外条件下风力机入流条件的测量等。
附图说明
图1为七孔气流探针的结构示意图;
图2为七孔气流探针的结构示意图;
图3为本发明的七孔气流探针标定方法的计算流程示意图。
具体实施方式
为使本发明目的、技术方案更加清楚明白,以下结合具体实施例,并参照附图,对本发明进一步详细说明。
如图3所示,本发明的七孔气流探针新型标定算法,包括多个步骤。应用实施例假设编号为6的孔位因堵塞或其他原因而失效,在利用其余有效孔位对来流速度大小和角度,以及来流的总压和静压进行标定计算时,按照如下步骤进行:
SS1.获取七孔气流探针的标定数据库,标定数据库中的每个数据点至少包括来流第一角度分量α、第二角度分量β、来流总压Pdt、来流静压Pds、以及各孔位压力值(Pd1,Pd2,…,Pd7),其中,Pd1指第1个孔位的压力值,Pd2指第2个孔位的压力值,…,Pd7指第7个孔位的压力值;
SS2.将七孔气流探针置于待测来流中,分别记录第1、2、3、4、5、7个有效孔位的压力值(P1_mea,P2_mea,P3_mea,P4_mea,P5_mea,P7_mea);
SS3.假设待测来流的初始假设静压值Ps_mea为0,利用公式(1)将各有效孔位的压力值(P1_mea,P2_mea,P3_mea,P4_mea,P5_mea,P7_mea)转化为无量纲压力系数,利用公式(2)将标定数据库中对应各有效孔位的标定压力值(Pd1,Pd2,Pd3,Pd4,Pd5,Pd7)转化为无量纲压力系数:
SS4.将每组有效孔位的无量纲压力系数作为一个矢量,对比计算标定数据库中各数据点压力系数矢量距待测数据点压力无量纲系数的矢量长度(Cpd1-Cp1_mea,Cpd2-Cp2_mea,Cpd3-Cp3_mea,Cpd4-Cp4_mea,Cpd5-Cp5_mea,Cpd7-Cp7_mea),之后按矢量长度排序,找出标定数据库中距离测量数据最接近的若干数据点;
SS5.对于步骤SS4中找出的标定数据库中距离待测数据点最接近的若干数据点,根据标定数据库来流角度与无量纲压力系数的对应关系,采用多变量多项式回归分析各数据点中来流第一角度分量α、第二角度分量β与各有效孔位的无量纲压力系数的对应关系式(3):
(α,β)=f(Cpd1,Cpd2,Cpd3,Cpd4,Cpd5,Cpd7) (3)
SS6.根据待测数据点的压力无量纲系数,利用步骤SS5中得到的关系式(3)拟合插值计算得到待测数据点对应来流的第一角度分量α_mea、第二角度分量β_mea;
SS7.将标定数据库中每个数据点中的来流第一角度分量α、第二角度分量β作为一个来流角度矢量,对比计算步骤SS4中找出的标定数据库中每个数据点距待标测数据点来流角度的矢量距离(α-α_mea,β-β_mea),之后按矢量长度排序,找出距离待测数据点对应的来流角度最接近的4个标定数据库数据点;
SS8.根据步骤SS7所找出的标定数据库中4个数据点,拟合分析各数据点中无量纲总压系数Cpdt、无量纲静压系数Cps与4个数据点中第一角度分量α、第二角度分量β的对应关系式(4):
(Cpdt,Cpds)=f(α,β) (4)
其中,利用公式(5)、(6)分别计算标定数据库中各数据点的无量纲总压系数Cpdt、无量纲静压系数Cpds:
SS9.根据待测数据点的第一角度分量α_mea、第二角度分量β_mea,利用步骤SS8中拟合得到的关系式(4)采用双线性插值得到待测数据点对应的总压系数Cpt_mea和静压系数Cps_mea;
SS10.将步骤SS9中得到的待测数据点的总压系数Cpt_mea和静压系数Cps_mea,由公式(7)和公式(8)计算其对应的总压Pt_mea和静压Ps_mea:
SS11.对比计算得到的静压Ps_mea与初始假设静压0,若误差未达到收敛准则,例如小于0.0001,由计算得到的静压Ps_mea代替初始假设静压,重复以上步骤SS3至步骤SS10,直到误差达到收敛准则,则输出待标定数据点对应的来流角度第一分量α_mea、第二角度分量β_mea、总压Pt_mea及静压Ps_mea,并根据来流的总压Pt_mea及静压Ps_mea计算来流的速度大小,标定计算完成。
以上所述仅为本发明的一个实施例,并不用以限制本发明,凡在本发明的思路和原则之内,所做的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的范围之内。
Claims (6)
1.一种七孔气流探针的标定方法,其特征在于,所述标定方法包括如下步骤:
SS1.获取七孔气流探针的标定数据库,其中每个数据点至少包括来流第一角度分量α、第二角度分量β、来流总压Pdt、来流静压Pds、以及各孔位压力值(Pd1,Pd2,…,Pd7),其中,Pd1指第1个孔位的压力值,Pd2指第2个孔位的压力值,…,Pd7指第7个孔位的压力值;
SS2.将七孔气流探针置于待测来流中,记录各有效孔位的压力值(P1_mea,P2_mea,…,Pn_mea),其中,P1_mea指第1个有效孔位的压力值,P2_mea指第2个有效孔位的压力值,n是有效孔位的个数,n小于等于7,Pn_mea指第n个有效孔位的压力值;
SS3.假设待测来流的静压值Ps_mea为任意给定的初始假设静压Ps_Init,利用公式(1)将步骤SS2中各有效孔位的压力值(P1_mea,P2_mea,…,Pn_mea)转化为无量纲压力系数,利用公式(2)将步骤SS1中标定数据库中对应各有效孔位的标定压力值(Pd1,Pd2,…,Pdn)转化为无量纲压力系数,Pdn指标定数据库中第n个孔位的压力值;其中,压力无量纲化计算公式(1)、(2)如下:
其中,
Pi_mea为第i个有效孔位的压力值,Pdi为标定数据库中第i个孔位的压力值,
n为有效孔位的个数,
Ps_mea为待测来流的静压值,初始赋值为初始假设静压Ps_Init,通过迭代计算更新,
Cpi_mea为第i个有效孔位的无量纲压力系数,Cpdi为标定数据库中第i个孔位的无量纲压力系数,
SS4.将每组有效孔位的无量纲压力系数作为一个矢量,对比计算标定数据库中各数据点无量纲压力系数距待测数据点无量纲压力系数的矢量长度(Cpd1-Cp1_mea,…,Cpdn-Cpn_mea),之后按矢量长度排序,找出标定数据库中距离待测数据点最接近的若干数据点;
SS5.对于步骤SS4中找出的标定数据库中距离待测数据点最接近的若干数据点,拟合分析各数据点中来流第一角度分量α、第二角度分量β与各有效孔位的无量纲压力系数的对应关系式(3):
(α,β)=f(Cpd1,…,Cpdn) (3)
SS6.根据待测数据点的压力无量纲系数,利用步骤SS5中得到的关系式(3)拟合插值计算得到待测数据点对应来流的第一角度分量α_mea、第二角度分量β_mea;
SS7.将标定数据库中每个数据点中的来流第一角度分量α、第二角度分量β作为一个来流角度矢量,对比计算步骤SS4中找出的标定数据库中的数据点的来流角度矢量距待测数据点来流角度矢量之间的矢量距离(α-α_mea,β-β_mea),之后按矢量长度排序,找出标定数据库中距离待测数据点对应的来流角度矢量最接近的若干数据点;
SS8.根据步骤SS7所找出的标定数据库中若干数据点,拟合分析各数据点中无量纲总压系数Cpdt、无量纲静压系数Cpds与若干数据点中第一角度分量α、第二角度分量β的对应关系式(4):
(Cpdt,Cpds)=f(α,β) (4)
其中,利用公式(5)、(6)分别计算标定数据库中各数据点的无量纲总压系数Cpdt、无量纲静压系数Cpds:
SS9.根据待测数据点的第一角度分量α_mea、第二角度分量β_mea,利用步骤SS8中拟合得到的关系式(4)拟合插值计算得到待测数据点对应的总压系数Cpt_mea和静压系数Cps_mea;
SS10.将步骤SS9中得到的待测数据点的总压系数Cpt_mea和静压系数Cps_mea,根据公式(7)、(8)计算其对应的总压Pt_mea和静压Ps_mea:
SS11.对比计算得到的静压Ps_mea与初始假设静压Ps_Init,若二者之间的误差未达到收敛标准,则由计算得到的静压Ps_mea代替初始假设静压Ps_Init,重复步骤SS3至步骤SS10,直到误差达到收敛标准,则输出待测数据点对应的来流第一角度分量α_mea、第二角度分量β_mea、总压Pt_mea及静压Ps_mea,并根据来流的总压Pt_mea及静压Ps_mea计算来流的速度大小,标定计算完成。
2.根据权利要求1所述的标定方法,其特征在于,步骤SS5中采用多变量多项式回归分析的方法进行数据的拟合分析。
3.根据权利要求1所述的标定方法,其特征在于,步骤SS6中拟合插值的方法为最小二乘法、回归分析法、多项式插值法或非线性插值法。
4.根据权利要求1所述的标定方法,其特征在于,步骤SS7中找出的标定数据库中距离待测数据点对应的来流角度矢量最接近的数据点的数量为4个。
5.根据权利要求4所述的标定方法,其特征在于,步骤SS8中利用双线性插值的方法进行数据的拟合分析。
6.根据权利要求1所述的标定方法,其特征在于,步骤SS11中收敛标准为计算得到的静压Ps_mea与初始假设静压Ps_Init之间的误差小于0.0001。
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CN108593964A (zh) | 2018-09-28 |
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