CN112649172A - 静压探针及高焓激波风洞静压测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种静压探针及高焓激波风洞静压测量方法，该静压探针包括：由多段加工、一体组装而成、前后依次连接的前缘段、圆柱段、尾段、固定段、过渡段、和用于与排架连接的连接段，还包括通过固定段固定于圆柱段和尾段内部静压探针中心孔中的测压金属管，所述前缘段、所述圆柱段和所述尾段彼此之间通过螺纹和小台阶连接，在保证同轴度后进行抛光处理；所述前缘段包括半径为R₁的球头构型的前缘头部、前缘样条曲线和直径为D₂的圆柱部分，其中，前缘样条曲线与前缘头部和前缘段的圆柱部分光滑过渡，在连接处，前缘样条曲线函数与前缘头部函数和圆柱部分函数一阶导数相同，二阶导数连续；所述测压金属管的头部设置于圆柱段的测压孔处。

Description

静压探针及高焓激波风洞静压测量方法

技术领域

本发明涉及风洞试验技术领域，尤其是涉及一种静压探针及高焓激波风洞静压测量方法。

背景技术

高焓激波风洞是一种特殊的激波风洞，高焓激波风洞是通过入射激波和反射激波这两道激波的作用来提高风洞来流总温和总压，激波风洞结构较为简单，造价也较为低廉。随着现代测试技术的发展，不仅仅能够开展空气动力学的基础科研，还能够承担大量的飞行器的气动力/热、气动物理、气动光学、光电特性和电磁散射测量等试验。目前通过测量喷管出口自由来流的皮托压、驻点热流等参数诊断喷管出口参数。对于总温超过2500K 的高焓激波风洞，需要利用氦气、氩气等稀有气体作为驱动气体，然而，氦气等稀有气体与试验气体混合后，对皮托压和驻点热流曲线影响很小，因此，通过试验段皮托压和驻点热流来判断有效试验时间不合适。大多数情况下，氦气等驱动气体与试验气体混合使得试验气体发生污染，皮托压无法有效对污染现象进行识别，喷管出口皮托压和驻点热流对驱动气体污染不敏感。对于高焓激波风洞气流，自由流静压是一个重要的参数，能够表征自由流中的热化学松弛效应，喷管出口静压能够有效判断污染发生的时间，进而判断有效试验时间。高焓激波风洞，利用激波对试验气体两次作用，使其温度和压力得到急剧升高，受到膜片破裂压力参数等不同的影响，每次试验总压、皮托压和驻点热流会有一定的偏差，如果利用平板进行测量静压，会有一定的偏差，利用静压探针测量静压，能够在测量总压、皮托压和驻点热流的条件下，同时进行有效测量。因此，目前亟须一种在减少成本的同时能够更加准确测量静压的技术方案。

发明内容

本发明的目的在于提供一种静压探针及高焓激波风洞静压测量方法，旨在解决现有技术中的上述问题。

本发明提供一种静压探针及高焓激波风洞静压测量方法，包括：由多段加工、一体组装而成、前后依次连接的前缘段、圆柱段、尾段、固定段、过渡段、以及用于与排架连接的连接段，还包括通过固定段固定于圆柱段和尾段内部静压探针中心孔中的测压金属管，其中：

所述前缘段、所述圆柱段和所述尾段彼此之间通过螺纹和小台阶连接，在保证同轴度后进行抛光处理；

所述前缘段包括半径为R1的球头构型的前缘头部、前缘样条曲线和直径为D2的圆柱部分，其中，前缘样条曲线与前缘头部和前缘段的圆柱部分光滑过渡，在连接处，前缘样条曲线函数与前缘头部函数和圆柱部分函数一阶导数相同，二阶导数连续；

所述测压金属管的头部设置于圆柱段的测压孔处。

本发明提供一种高焓激波风洞静压测量方法，用于上述的静压探针进行检测，所述方法包括：

对静压探针的初始结构进行数值验证，如果数值结果不满足要求，则重新设计静压探针外形，如果满足要求，再加工静压探针；

在进行高焓激波风洞流场测量时，对放置静压在流场校对排架上的探针，利用光学设备对静压探针进行监控，如果静压探针在流场中振动，并且振动幅度大于流场测试需求，则重新设计静压探针外形；如果振动幅度满足激波风洞流场测量要求，则确定设计的静压探针满足要求，采用满足要求的静压探针进行高焓激波风洞静压测量，得到最终的测量结果。

采用本发明实施例，能够在静压探针设计之初，检测静压探针是否设计合理，减少设计不合理造成测量精度出现的误差，节约成本。利用光学设备检测静压探针在流场中是否出现振动，以及振动幅度的大小，来判断静压探针测量流场静压的有效性。在激波风洞流场校对过程中，不仅仅能够开展球头驻点、皮托压等其它参数的测量，还能够进行流场的静压校对，减少流场校对次数，提高流场校对的精度。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例的静压探针整体结构示意图；

图2是本发明实施例的静压探针前缘段结构示意图；

图3是本发明实施例的静压探针圆柱段结构示意图；

图4是本发明实施例的高焓激波风洞静压测量方法的流程图；

图5是本发明实施例的静压探针测量方法示意图。

其中，1、前缘段；2、圆柱段；3、尾段；4、固定段；5、过渡段； 6、连接段；7、前缘段样条曲线；8、测压金属管。

具体实施方式

本发明实施例提供了一种高焓激波风洞静压测量方法，包括如下步骤：步骤(一)、设计静压探针装置，包括静压探针整体构型和尺寸；步骤(二)、选择合适的静压探针前缘头部尺寸、前缘样条曲线；步骤(三)确定测量孔位置、测量孔的大小；步骤(四)、数值校对静压探针外部构型，核对前缘头部尺寸、前缘样条曲线、测量孔位置等参数的选取；步骤(五)、静压探针放置在激波风洞的方法，包括光学设备对静压探针的检测。本发明在测量静压之前，通过数值计算，优化静压探针外形，能够更加准确测量静压，同时减少成本。在风洞进行流场测量时，用光学设备进行监控，确保测量的准确度和精度。

下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。此外，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

装置实施例

根据本发明实施例，提供了一种静压探针，图1-3是本发明实施例的静压探针的示意图，如图1-3所示，根据本发明实施例的静压探针具体包括：

由多段加工、一体组装而成、前后依次连接的前缘段1、圆柱段2、尾段3、固定段4、过渡段5、以及用于与排架连接的连接段6，还包括通过固定段4固定于圆柱段2和尾段3内部静压探针中心孔中的测压金属管8，其中：

前缘段1、圆柱段2和尾段3彼此之间通过螺纹和小台阶连接，在保证同轴度后进行抛光处理；

前缘段1包括半径为R1的球头构型的前缘头部、前缘样条曲线7和直径为D2的圆柱部分，其中，前缘样条曲线7与前缘头部和前缘段的圆柱部分光滑过渡，在连接处，前缘样条曲线函数与前缘头部函数和圆柱部分函数一阶导数相同，二阶导数连续；前缘头部的半径R₁<0.5mm，圆柱部分的直径为D₂的范围为6mm～12mm。

前缘头部为球头构型，球头半径R1<0.5mm；前缘样条曲线与球头和圆柱段光滑过渡，在连接处，样条曲线函数与球头函数和圆柱段函数一阶导数相同，二阶导数连续。给出一个四次曲线作为样条曲线，令前缘头部的坐标为坐标原点，球头半径为R₁，球头与样条曲线的连接点坐标为(x₁,y₁)，圆柱段的直径为D₂(半径为R₂)，D₂的范围为(6mm～12mm)，则四次样条曲线的纵坐标参数R(x)可以表示为式(1)：

其中，b为四次样条曲线的横坐标长度，x为横坐标，R₁为前缘头部的半径，R₂为圆柱部分的半径，R(x)为四次样条曲线的纵坐标参数，θ为前缘头部与四次样条曲线的连接点的切线角度，x₁为前缘头部与四次样条曲线的连接点的横坐标。

测压金属管8的头部设置于圆柱段2的测压孔处。测压金属管8与静压探针外表面光滑过渡，无气流台阶，测压孔处的位置距离前缘头部的距离L₁的范围为20×D₂～38×R₂，其中，R₂为圆柱部分的半径。

在本发明实施例中，前后依次连接的前缘段1、圆柱段2、尾段3、过渡段5、以及连接段6的同轴度不大于0.01mm，外表面粗糙度Ra1.6。

其中，静压探针的测压孔处的位置距离前缘头部的距离L₁通过调节前缘段1的长度进行调节，静压探针中心孔的大小通过测压金属管8的大小进行调节。测压金属管的内径为0.6～1.2mm，静压探针中心孔尺寸大于测压金属管的外径，并大于测压孔直径的数倍，静压探针的整体长度通过调节探针的前缘段的长度和圆柱段的长度进行调节。

方法实施例

根据本发明实施例，提供了一种高焓激波风洞静压测量方法，用于对静压探针进行检测，图4是本发明实施例的高焓激波风洞静压测量方法的流程图，如图4所示，根据本发明实施例的高焓激波风洞静压测量方法具体包括：

步骤401，对静压探针的初始结构进行数值验证，如果数值结果不满足要求，则重新设计静压探针外形，如果满足要求，再加工静压探针；

在步骤401中，对静压探针的初始结构进行数值验证具体包括：

在高焓激波风洞的驻室温度大于2000K，且气体在驻室发生离解或电离时，采用多组分多温度模型，并考虑组分和热化学非平衡对模型表面压力的影响，进行数值验证。

步骤402，在进行高焓激波风洞流场测量时，对放置静压在流场校对排架上的探针，利用光学设备对静压探针进行监控，如果静压探针在流场中振动，并且振动幅度大于流场测试需求，则重新设计静压探针外形；如果振动幅度满足激波风洞流场测量要求，则确定设计的静压探针满足要求，采用满足要求的静压探针进行高焓激波风洞静压测量，得到最终的测量结果。

在步骤401和步骤402中，重新设计静压探针外形具体包括：

更改静压探针的前缘段的前缘头部尺寸、前缘样条曲线、以及测压孔处的位置距离前缘头部的距离L₁，直到满足设计需求。

以下结合附图，对本发明实施例的上述技术方案进行详细说明。

图5是本发明实施例的静压探针测量方法示意图，包含静压探针初步设计、数值验证和现代光学检验三部分：

步骤(一)、设计静压探针装置构型，如图1所示，包括静压探针前缘段1、圆柱段2、尾段3、固定段4、过渡段5、连接段6；其中，步骤(一) 的固定段4需要与步骤(三)的测压金属管8配合，固定段4需要固定测压金属管8，测压金属管8需要方便进行更换，测压金属管内径为 0.6mm～1.2mm。

步骤(二)、选择合适的静压探针前缘段，如图2所示，包括前缘头部尺寸R₁、前缘样条曲线7、前缘圆柱直径D₂、前缘段长度L₄；步骤(二) 的前缘头部为球头构型，球头半径R₁<0.5mm；前缘样条曲线与球头和圆柱段光滑过渡，在连接处，样条曲线函数与球头函数和圆柱段函数一阶导数相同，二阶导数连续。给出一个四次曲线作为样条曲线，令前缘头部的坐标为坐标原点，球头半径为R₁，球头与样条曲线的连接点坐标为(x₁,y₁)，圆柱段的直径为D₂(半径为R₂)，D₂的范围为(6mm～12mm)，则四次样条曲线的纵坐标参数R(x)可以表示为式(1)：

其中，b为四次样条曲线的横坐标长度，x为横坐标。

步骤(三)、选择合适的静压探针圆柱段，如图3所示，测量孔位于圆柱段部件上，距离前缘的距离为L₁，测量孔的大小D₁。与圆柱段中心配合的是测压金属管8；

步骤(三)的测量孔需要跟测压金属管8配合，测压金属管8与探针外表面光滑过渡，无气流台阶。测量孔的位置距离前缘头部的距离L₁范围为20×D₂～38×R₂。

步骤(四)、数值校对静压探针外部构型，核对前缘头部尺寸R₁、前缘样条曲线7、测量孔位置L₁等参数的选取；

步骤(四)的数值计算，高焓激波风洞的驻室温度大于2000K，气体在驻室发生离解甚至电离，选用多组分多温度气体模型进行计算。

步骤(五)、静压探针放置在高焓激波风洞的方法，包括光学设备对静压探针的检测。步骤(一)的静压探针，如果光学设备发现静压探针在流场中振动，并且振动幅度大于流场测试需求，重新设计静压探针，直到满足设计需求。

如果不满足设计需求，需要更改球头尺寸和样条曲线，以及测量孔的位置L1，直到满足设计需求。

综上所述，本发明具有以下优点及突出性效果：

通过静压探针初步设计、数值验证和现代光学检验三部分，能够准确测量高焓激波风洞试验段自由来流的静压；本发明能够在测量驻室压力、皮托压和驻点热流的条件下，开展静压的测量。不仅仅节约加工经费和设备投资，还能节约时间成本，在不满足流场状态的条件下，能够快速更换静压探针的尺寸。

显然，本领域的技术人员应该明白，上述的本发明的各模块或各步骤可以用通用的计算装置来实现，它们可以集中在单个的计算装置上，或者分布在多个计算装置所组成的网络上，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，并且在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。这样，本发明不限制于任何特定的硬件和软件结合。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种静压探针，其特征在于，包括：由多段加工、一体组装而成、前后依次连接的前缘段、圆柱段、尾段、固定段、过渡段、以及用于与排架连接的连接段，还包括通过固定段固定于圆柱段和尾段内部静压探针中心孔中的测压金属管，其中：

所述前缘段、所述圆柱段和所述尾段彼此之间通过螺纹和小台阶连接，在保证同轴度后进行抛光处理；

所述前缘段包括半径为R1的球头构型的前缘头部、前缘样条曲线和直径为D2的圆柱部分，其中，前缘样条曲线与前缘头部和前缘段的圆柱部分光滑过渡，在连接处，前缘样条曲线函数与前缘头部函数和圆柱部分函数一阶导数相同，二阶导数连续；

所述测压金属管的头部设置于圆柱段的测压孔处。

2.根据权利要求1所述的静压探针，其特征在于，前后依次连接的前缘段、圆柱段、尾段、过渡段、以及连接段的同轴度不大于0.01mm，外表面粗糙度Ra1.6。

3.根据权利要求1所述的静压探针，其特征在于，所述前缘头部的半径R₁<0.5mm，圆柱部分的直径为D₂的范围为6mm～12mm。

4.根据权利要求1所述的静压探针，其特征在于，所述测压金属管与静压探针外表面光滑过渡，无气流台阶，所述测压孔处的位置距离前缘头部的距离L₁的范围为20×D₂～38×R₂，其中，R₂为圆柱部分的半径。

5.根据权利要求1所述的静压探针，其特征在于，所述静压探针的测压孔处的位置距离前缘头部的距离L₁通过调节前缘段的长度进行调节，所述静压探针中心孔的大小通过测压金属管的大小进行调节。

6.根据权利要求1所述的静压探针，其特征在于，所述测压金属管的内径为0.6～1.2mm，所述静压探针中心孔尺寸大于测压金属管的外径，并大于测压孔直径的数倍，静压探针的整体长度通过调节探针的前缘段的长度和圆柱段的长度进行调节。

7.根据权利要求1所述的静压探针，其特征在于，所述前缘样条曲线函数为：如公式1所示的四次样条曲线函数，

其中，b为四次样条曲线的横坐标长度，x为横坐标，R₁为前缘头部的半径，R₂为圆柱部分的半径，R(x)为四次样条曲线的纵坐标参数，θ为前缘头部与四次样条曲线的连接点的切线角度，x₁为前缘头部与四次样条曲线的连接点的横坐标。

8.一种高焓激波风洞静压测量方法，其特征在于，用于对权利要求1至7中任一项所述的静压探针进行检测，所述方法包括：

对静压探针的初始结构进行数值验证，如果数值结果不满足要求，则重新设计静压探针外形，如果满足要求，再加工静压探针；

在进行高焓激波风洞流场测量时，对放置静压在流场校对排架上的探针，利用光学设备对静压探针进行监控，如果静压探针在流场中振动，并且振动幅度大于流场测试需求，则重新设计静压探针外形；如果振动幅度满足激波风洞流场测量要求，则确定设计的静压探针满足要求，采用满足要求的静压探针进行高焓激波风洞静压测量，得到最终的测量结果。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，对静压探针的初始结构进行数值验证具体包括：

在高焓激波风洞的驻室温度大于2000K，且气体在驻室发生离解或电离时，采用多组分多温度模型，并考虑组分和热化学非平衡对模型表面压力的影响，进行数值验证。

10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，重新设计静压探针外形具体包括：

更改静压探针的前缘段的前缘头部尺寸、前缘样条曲线、以及测压孔处的位置距离前缘头部的距离L₁，直到满足设计需求。

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