CN111855135B - 一种风洞气流平均速度测量排架及测量方法 - Google Patents

一种风洞气流平均速度测量排架及测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种风洞气流平均速度测量排架及测量方法。该测量排架包括从前至后顺序连接并圆滑过渡的整流块、皮托底座、压线环和支杆，整流块、皮托底座、压线环和支杆上开有前后贯通的通气孔；整流块上安装有阵列排列的皮托支杆，皮托支杆内安装有传感器。皮托支杆包括长度不同的短皮托支杆、中皮托支杆和长皮托支杆，每种长度的皮托支杆的数量大于等于2。该测量方法通过绘制皮托压力值随时间变化的曲线或者绘制热流随时间变化的曲线，判断特征时间点，再通过皮托支杆的长度差除以特征时间点的时间差，得到风洞气流平均速度。该测量排架结构简单，测量方法简单易行。

Description

一种风洞气流平均速度测量排架及测量方法
技术领域
本发明属于风洞试验设备领域，具体涉及一种风洞气流平均速度测量排架及测量方法。
背景技术
在高超声速风洞设备中，风洞气流速度是表征流场参数一个重要指标。在激波风洞和高焓膨胀管风洞中，常用的风洞气流速度测量有两种方法，一种是直接测量方法，如使用PIV、TDLAS(可调谐激光吸收光谱)和PLIF(激光诱导荧光)进行测速；另一种是间接测量方法，先使用直接测量得到其他气流参数，再通过计算间接得到风洞气流速度，如通过流场的皮托压力、总温、总压等参数来计算风洞气流速度。在直接测量方法中，当风洞气流速度极高时，出现流场自发光现象，且流场自发光强度远大于激光诱导的荧光强度时，使用PLIF测速的方法无法直接测量风洞气流速度。当采用TDLAS进行风洞气流速度测量时，需要采用专用装置对风洞气流中的特定组分的吸收光谱进行测量，专用装置具有专用性，并非对所有气体的风洞气流速度测量都适用。在间接测量方法中，计算过程中会引入较大的误差。
当前，亟需发展一种风洞气流平均速度测量排架及测量方法。
发明内容
本发明所要解决的一个技术问题是提供一种风洞气流平均速度测量排架，本发明所要解决的另一个技术问题是提供一种风洞气流平均速度测量方法。
本发明的风洞气流平均速度测量排架，其特点是，所述的测量排架包括从前至后顺序连接并圆滑过渡的整流块、皮托底座、压线环和支杆，整流块、皮托底座、压线环和支杆上开有前后贯通的通气孔；整流块上安装有阵列排列的皮托支杆，皮托支杆内安装有传感器。
进一步地，所述的整流块、皮托底座、压线环和支杆之间通过沉头螺钉分段连接。
进一步地，所述的皮托底座和压线环之间的接触端面上开有对应的走线槽，皮托支杆引出的传感器信号线通过走线槽理线并集束，传感器信号线的集束通过位于支杆轴线的腔体到达风洞外部与风洞测控系统连接。
进一步地，所述的整流块中的各迎风面均为尖劈形。
进一步地，所述的皮托支杆包括长度不同的短皮托支杆、中皮托支杆和长皮托支杆，每种长度的皮托支杆的数量大于等于2；所述的长皮托支杆位于中心，中皮托支杆位于内圈，短皮托支杆位于外圈；或者，所述的短皮托支杆、中皮托支杆和长皮托支杆按列从长到短顺序排列；或者，所述的短皮托支杆、中皮托支杆和长皮托支杆按列从短到长顺序排列。
进一步地，所述的皮托支杆中的传感器为压力传感器，皮托支杆的头部为锥形头。
进一步地，所述的皮托支杆中的传感器为热流传感器，皮托支杆的头部为球形头。
进一步地，所述的皮托支杆从前至后穿过整流块，通过皮托支杆安装孔伸入皮托底座，通过螺纹配合安装在皮托底座上，皮托支杆的尾部端面位于压线环的前端面之前，皮托支杆的尾部与压线环的前端面之间留有缝隙。
第一种风洞气流平均速度测量方法，包括以下步骤：
a.将安装有压力传感器的短皮托支杆、中皮托支杆和长皮托支杆安装在皮托底座上；
b.启动风洞，记录安装在短皮托支杆上的压力传感器测量的皮托压力值，绘制皮托压力值随时间变化的曲线Ⅰ，通过曲线Ⅰ判断特征时间点t1；记录安装在中皮托支杆上的压力传感器测量的皮托压力值，绘制皮托压力值随时间变化的曲线Ⅱ，通过曲线Ⅱ判断特征时间点t2；记录安装在长皮托支杆上的压力传感器测量的皮托压力值，绘制皮托压力值随时间变化的曲线Ⅲ，通过曲线Ⅲ判断特征时间点t3；
c.根据短皮托支杆的长度L1和中皮托支杆的长度L2，通过V1＝(L2-L1)/(t1-t2)计算试验气流的速度V1；
d.根据中皮托支杆的长度L2和长皮托支杆的长度L3，通过V2＝(L3-L2)/(t2-t3)计算试验气流的速度V2；
e.根据短皮托支杆的长度L1和长皮托支杆的长度L3，通过V3＝(L3-L1)/(t1-t3)计算试验气流的速度V3；
f.取V1、V2和V3的平均值作为风洞气流的速度V，V＝(V1+V2+V3)/3。
第二种风洞气流平均速度测量方法，包括以下步骤：
a.将安装有热流传感器的短皮托支杆、中皮托支杆和长皮托支杆安装在皮托底座上；
b.启动风洞，记录安装在短皮托支杆上的热流传感器测量的热流，绘制热流随时间变化的曲线Ⅰ，通过曲线Ⅰ判断特征时间点t1；记录安装在中皮托支杆上的热流传感器测量的热流，绘制热流随时间变化的曲线Ⅱ，通过曲线Ⅱ判断特征时间点t2；记录安装在长皮托支杆上的热流传感器测量的热流，绘制热流随时间变化的曲线Ⅲ，通过曲线Ⅲ判断特征时间点t3；
c.根据短皮托支杆的长度L1和中皮托支杆的长度L2，通过V1＝(L2-L1)/(t1-t2)计算试验气流的速度V1；
d.根据中皮托支杆的长度L2和长皮托支杆的长度L3，通过V2＝(L3-L2)/(t2-t3)计算试验气流的速度V2；
e.根据短皮托支杆的长度L1和长皮托支杆的长度L3，通过V3＝(L3-L1)/(t1-t3)计算试验气流的速度V3；
f.取V1、V2和V3的平均值作为风洞气流的速度V＝(V1+V2+V3)/3。
本发明的风洞气流平均速度测量排架中的整流块与皮托底座分离，整流块与皮托底座之间通过沉头螺钉固定，方便根据测量需要灵活更换整流块。
本发明的风洞气流平均速度测量排架及测量方法通过皮托支杆测量的皮托压力还可以应用到其他风洞气流参数计算中。
本发明的风洞气流平均速度测量排架及测量方法能够实现高超声速条件下的风洞气流平均速度测量测量，在测量时，只需要测量风洞气流到达不同位置处的皮托支杆探头的时刻，对于所有气体的风洞气流平均速度测量均适用。本发明的风洞气流平均速度测量排架结构简单，速度测量方法简单易行。
附图说明
图1为本发明的风洞气流平均速度测量排架的立体图(锥形头)；
图2为图1沿纵向对称面的剖视图；
图3为本发明的风洞气流平均速度测量排架中的支杆立体图；
图4为本发明的风洞气流平均速度测量排架中的皮托底座立体图；
图5为本发明的风洞气流平均速度测量排架中的整流块立体图；
图6为本发明的风洞气流平均速度测量排架中的压线环立体图；
图7为本发明的风洞气流平均速度测量排架中的皮托支杆立体图；
图8为本发明的风洞气流平均速度测量排架的立体图(球形头)。
图中，1.支杆2.皮托底座3.整流块4.皮托支杆5.压线环6.皮托支杆安装孔7.走线槽8.球形头；
41.短皮托支杆42.中皮托支杆43.长皮托支杆。
具体实施方案
下面结合附图和实施例详细说明本发明。
如图1、图2所示，本发明的风洞气流平均速度测量排架包括从前至后顺序连接并圆滑过渡的整流块3、皮托底座2、压线环5和支杆1，整流块3、皮托底座2、压线环5和支杆1上开有前后贯通的通气孔；整流块3上安装有阵列排列的皮托支杆4，皮托支杆4内安装有传感器。其中，支杆1见图3，皮托底座2见图4，整流块3见图5，压线环5见图6，皮托支杆4见图7。
进一步地，所述的整流块3、皮托底座2、压线环5和支杆1之间通过沉头螺钉分段连接。
进一步地，所述的皮托底座2和压线环5之间的接触端面上开有对应的走线槽7，皮托支杆4引出的传感器信号线通过走线槽7理线并集束，传感器信号线的集束通过位于支杆1轴线的腔体到达风洞外部与风洞测控系统连接。
进一步地，所述的整流块3中的各迎风面均为尖劈形。
进一步地，所述的皮托支杆4包括长度不同的短皮托支杆41、中皮托支杆42和长皮托支杆43，每种长度的皮托支杆4的数量大于等于2；所述的长皮托支杆43位于中心，中皮托支杆42位于内圈，短皮托支杆41位于外圈；或者，所述的短皮托支杆41、中皮托支杆42和长皮托支杆43按列从长到短顺序排列；或者，所述的短皮托支杆41、中皮托支杆42和长皮托支杆43按列从短到长顺序排列。
进一步地，所述的皮托支杆4中的传感器为压力传感器，皮托支杆4的头部为锥形头。
进一步地，如图8所示，所述的皮托支杆4中的传感器为热流传感器，皮托支杆4的头部为球形头8。
进一步地，所述的皮托支杆4从前至后穿过整流块3，通过皮托支杆安装孔6伸入皮托底座2，通过螺纹配合安装在皮托底座2上，皮托支杆4的尾部端面位于压线环5的前端面之前，皮托支杆4的尾部与压线环5的前端面之间留有缝隙。
实施例1
本实施例为第一种风洞气流平均速度测量方法，皮托支杆4内安装压力传感器，支杆1的前端具有十字形连接座，整流块3、皮托底座2、压线环5和支杆1上开有前后贯通的4个对称分布的通气孔，支杆1的后端插入风洞攻角机构并通过螺母压紧。
第一种风洞气流平均速度测量方法，包括以下步骤：
a.将安装有压力传感器的短皮托支杆41、中皮托支杆42和长皮托支杆43安装在皮托底座2上；
b.启动风洞，记录安装在短皮托支杆41上的压力传感器测量的皮托压力值，绘制皮托压力值随时间变化的曲线Ⅰ，通过曲线Ⅰ判断特征时间点t1；记录安装在中皮托支杆42上的压力传感器测量的皮托压力值，绘制皮托压力值随时间变化的曲线Ⅱ，通过曲线Ⅱ判断特征时间点t2；记录安装在长皮托支杆43上的压力传感器测量的皮托压力值，绘制皮托压力值随时间变化的曲线Ⅲ，通过曲线Ⅲ判断特征时间点t3；
c.根据短皮托支杆41的长度L1和中皮托支杆42的长度L2，通过V1＝(L2-L1)/(t1-t2)计算试验气流的速度V1；
d.根据中皮托支杆42的长度L2和长皮托支杆43的长度L3，通过V2＝(L3-L2)/(t2-t3)计算试验气流的速度V2；
e.根据短皮托支杆41的长度L1和长皮托支杆43的长度L3，通过V3＝(L3-L1)/(t1-t3)计算试验气流的速度V3；
f.取V1、V2和V3的平均值作为风洞气流的速度V，V＝(V1+V2+V3)/3。
实施例2
本实施例为第二种风洞气流平均速度测量方法，将实施例1中的皮托支杆4内安装的压力传感器替换为热流传感器，锥形头替换为球形头，风洞气流平均速度测量排架见图8。
第二种风洞气流平均速度测量方法，包括以下步骤：
a.将安装有热流传感器的短皮托支杆41、中皮托支杆42和长皮托支杆43安装在皮托底座2上；
b.启动风洞，记录安装在短皮托支杆41上的热流传感器测量的热流，绘制热流随时间变化的曲线Ⅰ，通过曲线Ⅰ判断特征时间点t1；记录安装在中皮托支杆42上的热流传感器测量的热流，绘制热流随时间变化的曲线Ⅱ，通过曲线Ⅱ判断特征时间点t2；记录安装在长皮托支杆43上的热流传感器测量的热流，绘制热流随时间变化的曲线Ⅲ，通过曲线Ⅲ判断特征时间点t3；
c.根据短皮托支杆41的长度L1和中皮托支杆42的长度L2，通过V1＝(L2-L1)/(t1-t2)计算试验气流的速度V1；
d.根据中皮托支杆42的长度L2和长皮托支杆43的长度L3，通过V2＝(L3-L2)/(t2-t3)计算试验气流的速度V2；
e.根据短皮托支杆41的长度L1和长皮托支杆43的长度L3，通过V3＝(L3-L1)/(t1-t3)计算试验气流的速度V3；
f.取V1、V2和V3的平均值作为风洞气流的速度V＝(V1+V2+V3)/3。

Claims (8)

1.一种风洞气流平均速度测量排架，其特征在于，所述的测量排架包括从前至后顺序连接并圆滑过渡的整流块(3)、皮托底座(2)、压线环(5)和支杆(1)，整流块(3)、皮托底座(2)、压线环(5)和支杆(1)上开有前后贯通的通气孔；整流块(3)上安装有阵列排列的皮托支杆(4)，皮托支杆(4)内安装有传感器；
所述的皮托底座(2)和压线环(5)之间的接触端面上开有对应的走线槽(7)，皮托支杆(4)引出的传感器信号线通过走线槽(7)理线并集束，传感器信号线的集束通过位于支杆(1)轴线的腔体到达风洞外部与风洞测控系统连接；
所述的皮托支杆(4)包括长度不同的短皮托支杆(41)、中皮托支杆(42)和长皮托支杆(43)，每种长度的皮托支杆(4)的数量大于等于2；所述的长皮托支杆(43)位于中心，中皮托支杆(42)位于内圈，短皮托支杆(41)位于外圈；或者，所述的短皮托支杆(41)、中皮托支杆(42)和长皮托支杆(43)按列从长到短顺序排列；或者，所述的短皮托支杆(41)、中皮托支杆(42)和长皮托支杆(43)按列从短到长顺序排列。
2.根据权利要求1所述的风洞气流平均速度测量排架，其特征在于，所述的整流块(3)、皮托底座(2)、压线环(5)和支杆(1)之间通过沉头螺钉分段连接。
3.根据权利要求1所述的风洞气流平均速度测量排架，其特征在于，所述的整流块(3)中的各迎风面均为尖劈形。
4.根据权利要求1所述的风洞气流平均速度测量排架，其特征在于，所述的皮托支杆(4)中的传感器为压力传感器，皮托支杆(4)的头部为锥形头。
5.根据权利要求1所述的风洞气流平均速度测量排架，其特征在于，所述的皮托支杆(4)中的传感器为热流传感器，皮托支杆(4)的头部为球形头(8)。
6.根据权利要求1所述的风洞气流平均速度测量排架，其特征在于，所述的皮托支杆(4)从前至后穿过整流块(3)，通过皮托支杆安装孔(6)伸入皮托底座(2)，通过螺纹配合安装在皮托底座(2)上，皮托支杆(4)的尾部端面位于压线环(5)的前端面之前，皮托支杆(4)的尾部与压线环(5)的前端面之间留有缝隙。
7.根据权利要求1所述的风洞气流平均速度测量排架的第一种测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
a.将安装有压力传感器的短皮托支杆(41)、中皮托支杆(42)和长皮托支杆(43)安装在皮托底座(2)上；
b.启动风洞，记录安装在短皮托支杆(41)上的压力传感器测量的皮托压力值，绘制皮托压力值随时间变化的曲线Ⅰ，通过曲线Ⅰ判断特征时间点t1；记录安装在中皮托支杆(42)上的压力传感器测量的皮托压力值，绘制皮托压力值随时间变化的曲线Ⅱ，通过曲线Ⅱ判断特征时间点t2；记录安装在长皮托支杆(43)上的压力传感器测量的皮托压力值，绘制皮托压力值随时间变化的曲线Ⅲ，通过曲线Ⅲ判断特征时间点t3；
c.根据短皮托支杆(41)的长度L1和中皮托支杆(42)的长度L2，通过V1＝(L2-L1)/(t1-t2)计算试验气流的速度V1；
d.根据中皮托支杆(42)的长度L2和长皮托支杆(43)的长度L3，通过V2＝(L3-L2)/(t2-t3)计算试验气流的速度V2；
e.根据短皮托支杆(41)的长度L1和长皮托支杆(43)的长度L3，通过V3＝(L3-L1)/(t1-t3)计算试验气流的速度V3；
f.取V1、V2和V3的平均值作为风洞气流的速度V，V＝(V1+V2+V3)/3。
8.根据权利要求1所述的风洞气流平均速度测量排架的第二种测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
a.将安装有热流传感器的短皮托支杆(41)、中皮托支杆(42)和长皮托支杆(43)安装在皮托底座(2)上；
b.启动风洞，记录安装在短皮托支杆(41)上的热流传感器测量的热流，绘制热流随时间变化的曲线Ⅰ，通过曲线Ⅰ判断特征时间点t1；记录安装在中皮托支杆(42)上的热流传感器测量的热流，绘制热流随时间变化的曲线Ⅱ，通过曲线Ⅱ判断特征时间点t2；记录安装在长皮托支杆(43)上的热流传感器测量的热流，绘制热流随时间变化的曲线Ⅲ，通过曲线Ⅲ判断特征时间点t3；
c.根据短皮托支杆(41)的长度L1和中皮托支杆(42)的长度L2，通过V1＝(L2-L1)/(t1-t2)计算试验气流的速度V1；
d.根据中皮托支杆(42)的长度L2和长皮托支杆(43)的长度L3，通过V2＝(L3-L2)/(t2-t3)计算试验气流的速度V2；
e.根据短皮托支杆(41)的长度L1和长皮托支杆(43)的长度L3，通过V3＝(L3-L1)/(t1-t3)计算试验气流的速度V3；
f.取V1、V2和V3的平均值作为风洞气流的速度V＝(V1+V2+V3)/3。
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