CN111044252B - 一种高精准度进气道流量测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高精准度进气道流量测量方法，采用流量测量装置进行进气道流量测量，通过压力测量获得不同半径截面的壁面静压，根据等熵流动关系式和质量守恒关系式求解得到当地流动总压，进一步计算得到进气道出口流量，通过合理选取两个测量截面，并进行精确计算得以简单准确的获得进气道内流质量流量；本发明通过壁面静压测量直接解算获得进气道出口流量，无需开展总压耙设计与加工，降低了装置成本，且测量方式简单可靠，可实现性强；本发明由于不进行总压测量，不存在总压耙对内流道的影响，测量截面均匀度好，测量精准度高。

Description

一种高精准度进气道流量测量方法

技术领域

本发明涉及一种高精准度进气道流量测量方法，用于风洞试验准确测量进气道出口流量，属于流体动力技术领域。

背景技术

进气道是吸气式飞行器的一个关键部件，它是一个经过精心设计的气流通道，其作用是对引入空气气流减速增压后提供给发动机燃烧室，其性能的优劣直接影响到发动机乃至飞行器的总体性能。进气道风洞试验是评估进气道性能、获得进气道特性参数的主要手段，流量系数是进入进气道的实际流量与进气口捕获自由流流量之比，是进气道主要特性参数之一。

为了测量进入进气道的实际质量流量，传统的方法是在进气道的出口截面上安装测压耙测量气流总压，并在同一测量截面上沿周向开测压孔测量气流静压，通过数据处理可得到出口截面上的流量，由于气流流经进气道后在出口截面上很不均匀，畸变指数较高，因此流量的测量误差较大，难以满足当前进气道技术发展对风洞试验的要求；文式流量测量法可提高流量的测量精准度，但其总压测量方式也是通过总压耙，且静压测量位于总压之后，总压耙所带来的压力损失直接影响到流量测量的准度，由于不同流动状态的存在，总压耙带来的影响量很难评估。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的上述不足，提供一种高精准度进气道流量测量方法，能够准确的获得进气道出口流量，克服了现有方法测量装置复杂、误差大等问题，通过测量不同截面静压从而解算获得进气道出口流量。

本发明的上述目的主要是通过如下技术方案予以实现的：

一种高精准度进气道流量测量方法，采用流量测量装置进行进气道流量测量，所述流量测量装置包括整流装置和测量段，所述整流装置与待测进气道试验模型的进气道出口连接，所述测量段与所述整流装置连接，具体测量方法包括如下步骤：

(1)、在所述测量段上选取两个测量截面，分别测量两个测量截面的壁面静压，所述选取的两个测量截面的面积不同；

(2)、根据两个测量截面的壁面静压得到两个测量截面处马赫数的表达式，再根据两个测量截面之间流动满足质量守恒关系，计算得到测量截面的当地流动总压，根据所述当地流动总压反算出两个测量截面中任意一个截面处的马赫数；

(3)、根据所述截面处的马赫数，计算得到待测进气道试验模型的进气道流量。

在上述高精准度进气道流量测量方法中，所述测量段包括第一等直段、收缩段、第二等直段和扩张段，所述两个测量截面分别在第一等直段和第二等直段上选取。

在上述高精准度进气道流量测量方法中，所述选取的两个测量截面中靠近整流装置的测量截面的面积较大。

在上述高精准度进气道流量测量方法中，所述两个测量截面的直径比为1：1.5～1：4；所述两个测量截面的之间的距离为上游截面直径的1倍～3倍。

在上述高精准度进气道流量测量方法中，所述两个测量截面中面积较小的测量截面的面积，大于待测进气道试验模型进气道喉道面积的1.2倍；

在上述高精准度进气道流量测量方法中，所述收缩段长度为靠近整流装置的测量截面直径的1～2倍。

在上述高精准度进气道流量测量方法中，所述两个测量截面的壁面静压测点沿截面周向均匀分布，测点个数i不小于4。

在上述高精准度进气道流量测量方法中，所述步骤(2)中根据两个测量截面的壁面静压得到两个测量截面处马赫数的表达式如下：

其中：Ma_1i为测量截面1处的壁面静压对应的马赫数，Ma_2i为测量截面2处的壁面静压对应的马赫数，γ为流体介质的比热比；P_1i为测量截面1处的壁面静压；P_2i为测量截面2处的壁面静压；P_ti为测量截面当地流动总压。

在上述高精准度进气道流量测量方法中，所述步骤(2)中根据两个测量截面之间流动满足质量守恒关系，计算得到测量截面当地流动总压的具体方法如下：

A₁×q(Ma_1i)＝A₂×q(Ma_2i)(c)

其中：q(Ma_1i)为Ma_1i对应的流量函数；q(Ma_2i)为Ma_2i对应的流量函数；A₁为测量截面1的流通面积，A₂为测量截面2的流通面积；

(2.2)根据两个测量截面处马赫数的表达式，以及公式(c)、(d)、(e)，计算得到测量截面当地流动总压P_ti。

在上述高精准度进气道流量测量方法中，所述步骤(3)中根据所述截面处的马赫数，计算得到待测进气道试验模型的进气道流量的具体方法如下：

或：

其中：C为流体介质常数；T₀为来流总温，A_1i＝A₁/i；A_2i＝A₂/i；i为截面测点个数。

本发明与现有技术相比具有如下有益效果：

(1)、本发明采用流量测量装置进行进气道流量测量，通过压力测量获得不同半径截面的壁面静压，根据等熵流动关系式和质量守恒关系式求解得到当地流动总压，进一步计算得到进气道出口流量，通过合理选取两个测量截面，并进行精确计算得以简单准确的获得进气道内流质量流量。

(2)、本发明通过壁面静压测量直接解算获得进气道出口流量，无需开展总压耙设计与加工，降低了装置成本，且测量方式简单可靠，可实现性强。

(3)、本发明由于不进行总压测量，不存在总压耙对内流道的影响，测量截面均匀度好，测量精准度高。

(4)、本发明由于只进行静压的测量，所以该方法不局限于进气道流量测量，可普适与任何内流流体流量的测量。

附图说明

图1为本发明高精度进气道流量测量方法原理图；

图2为本发明“米”字型测量截面示意图；

图3为本发明高精度进气道流量测量方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的描述：

如图1所示为本发明高精度进气道流量测量方法原理图，本发明采用流量测量装置进行进气道流量测量，流量测量装置包括整流装置和测量段，整流装置与待测进气道试验模型的进气道出口连接，测量段与整流装置连接，例如测量段与整流装置可以通过法兰连接。

测量段包括第一等直段、收缩段、第二等直段和扩张段，两个测量截面分别在第一等直段和第二等直段上选取，选取的两个测量截面的面积不同，其中选取的两个测量截面中靠近整流装置的测量截面的面积较大。

本发明一可选实施例中，两个测量截面的直径比在1：1.5～1：4之间；两个测量截面的之间的距离为1倍～3倍上游截面直径尺寸。

本发明一可选实施例中，两个测量截面中面积较小的测量截面的面积，大于待测进气道试验模型进气道喉道面积的1.2倍；

本发明一可选实施例中，两个测量截面的静压测点沿截面周向均匀分布，测点个数i不小于4。

本发明中气流由进气道出口流出，经蜂窝器、阻尼网整流先后流过测量截面1、收缩段、测量截面2和扩张段(如图1所示)，两测量截面为同轴圆形截面，截面1半径大于截面2半径，截面2面积大于进气道喉道面积的1.2倍；整流后截面压力分布均匀，总静压基本不随周向和径向变化，测量截面1位于整流装置之后的等直段上，测量截面2位于收缩段之后的等直段上，为保证气流在两截面之间光滑流过，收缩段曲面母线设计保证两端相切，中间连续可微，收缩段长度为截面1直径的1～2倍；通过高精度压力传感器测量两测量截面壁面静压，为提高测量精准度，壁面静压位于同一轴向截面周向均匀分布，截面测点个数i一般不小于4，图中P_1i为测量截面1处各测点静压值，P_2i为测量截面2处各测点静压值，其中测量截面1流通面积为A₁，测量截面2流通面积为A₂。如图2所示为本发明“米”字型测量截面示意图。

如图3所示为本发明高精度进气道流量测量方法流程图，本发明高精度进气道流量测量方法具体包括如下步骤：

(1)、在流量测量装置的测量段上选取两个测量截面：测量截面1与测量截面2，分别测量两个测量截面的壁面静压，选取的两个测量截面的面积不同，两个测量截面分别在测量段的第一等直段和第二等直段上选取，本发明一可选实施例中，两个测量截面的直径比为1：3。

(2)、根据两个测量截面的壁面静压得到两个测量截面处马赫数的表达式，两测量截面之间流动为等熵过程，总压不变，设总压值为P_ti，根据等熵关系式两截面处马赫数可表示为：

截面1：

截面2：

其中，Ma_1i为测量截面1处的壁面静压P_1i对应的马赫数，Ma_2i为测量截面2处的壁面静压P_2i对应的马赫数，γ为流体介质的比热比(对空气有γ＝1.4)；P_1i为测量截面1处的壁面静压；P_2i为测量截面2处的壁面静压。

(3)、根据内流质量守恒关系可得：

A₁×q(Ma_1i)＝A₂×q(Ma_2i)(c)

其中：q(Ma_1i)为Ma_1i对应的流量函数；q(Ma_2i)为Ma_2i对应的流量函数；A₁为测量截面1的流通面积，A₂为测量截面2的流通面积。

(4)、将步骤(2)中马赫数表达式(a)、(b)代入步骤(3)中的质量守恒关系式(c)，结合流量函数式(d)、(e)，计算得到测量截面当地流动总压P_ti。

(5)、根据当地流动总压P_ti反算出两个测量截面中任意一个截面处的马赫数；根据截面处的马赫数，计算得到待测进气道试验模型的进气道流量，

进气道流量可表示为：

其中：C为流体介质常数(对空气有C＝0.04042)，T₀为来流总温，A_1i＝A₁/i，A_2i＝A₂/i；i为截面测点个数。

本发明通过壁面静压测量直接解算获得进气道出口流量，无需开展总压耙设计与加工，降低了装置成本，且测量方式简单可靠，可实现性强。

本发明由于不进行总压测量，不存在总压耙对内流道的影响，测量截面均匀度好，测量精准度高。

本发明由于只进行静压的测量，所以该方法不局限于进气道流量测量，可普适与任何内流流体流量的测量。

以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (10)

1.一种高精准度进气道流量测量方法，其特征在于：采用流量测量装置进行进气道流量测量，所述流量测量装置包括整流装置和测量段，所述整流装置与待测进气道试验模型的进气道出口连接，所述测量段与所述整流装置连接，具体测量方法包括如下步骤：

(1)、在所述测量段上选取两个测量截面，分别测量两个测量截面的壁面静压，选取的两个测量截面的面积不同；

(2)、根据两个测量截面的壁面静压得到两个测量截面处马赫数的表达式，再根据两个测量截面之间流动满足质量守恒关系，计算得到测量截面的当地流动总压，根据所述当地流动总压反算出两个测量截面中任意一个截面处的马赫数；

(3)、根据截面处的马赫数，计算得到待测进气道试验模型的进气道流量。

2.根据权利要求1所述的高精准度进气道流量测量方法，其特征在于：所述测量段包括第一等直段、收缩段、第二等直段和扩张段，所述两个测量截面分别在第一等直段和第二等直段上选取。

3.根据权利要求1或2所述的高精准度进气道流量测量方法，其特征在于：所述选取的两个测量截面中靠近整流装置的测量截面的面积较大。

4.根据权利要求3所述的高精准度进气道流量测量方法，其特征在于：所述两个测量截面的直径比为1：1.5～1：4；所述两个测量截面之间的距离为上游截面直径的1倍～3倍。

5.根据权利要求3所述的高精准度进气道流量测量方法，其特征在于：所述两个测量截面中面积较小的测量截面的面积，大于待测进气道试验模型进气道喉道面积的1.2倍。

6.根据权利要求2所述的高精准度进气道流量测量方法，其特征在于：所述收缩段的长度为靠近整流装置的测量截面直径的1～2倍。

7.根据权利要求1所述的高精准度进气道流量测量方法，其特征在于：所述两个测量截面的壁面静压测点沿截面周向均匀分布，测点个数i不小于4。

8.根据权利要求1所述的高精准度进气道流量测量方法，其特征在于：所述步骤(2)中根据两个测量截面的壁面静压得到两个测量截面处马赫数的表达式如下：

其中：Ma_1i为测量截面1处的壁面静压对应的马赫数，Ma_2i为测量截面2处的壁面静压对应的马赫数，γ为流体介质的比热比；P_1i为测量截面1处的壁面静压；P_2i为测量截面2处的壁面静压；P_ti为测量截面当地流动总压。

9.根据权利要求8所述的高精准度进气道流量测量方法，其特征在于：所述步骤(2)中根据两个测量截面之间流动满足质量守恒关系，计算得到测量截面当地流动总压的具体方法如下：

A₁×q(Ma_1i)＝A₂×q(Ma_2i) (c)

其中：q(Ma_1i)为Ma_1i对应的流量函数；q(Ma_2i)为Ma_2i对应的流量函数；A₁为测量截面1的流通面积，A₂为测量截面2的流通面积；

(2.2)根据两个测量截面处马赫数的表达式，以及公式(c)、(d)、(e)，计算得到测量截面当地流动总压P_ti。

10.根据权利要求9所述的高精准度进气道流量测量方法，其特征在于：所述步骤(3)中根据所述截面处的马赫数，计算得到待测进气道试验模型的进气道流量的具体方法如下：

或：

其中：C为流体介质常数；T₀为来流总温，A_1i＝A₁/i；A_2i＝A₂/i；i为截面测点个数。

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