CN112924136A - 一种风洞试验气流平均速度测量装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种风洞试验气流平均速度测量装置及测量方法。该装置包括从前至后依次连接的排杆、排杆固定件和支杆转接件；排杆的前端为圆柱或台阶圆柱，支杆转接件固定连接风洞模型支撑机构；排杆位于风洞试验段侧壁的观察窗外边界内。该方法通过高速摄影拍摄安装在不同位置的排杆前端形成脱体激波过程，经过照片判读，得到不同位置排杆头部端头脱体激波形成时刻，通过数据处理，获得风洞试验气流的平均速度。该装置和方法简便易行，精准度高，能够推广应用于高速和超高速风洞。

Description

一种风洞试验气流平均速度测量装置及测量方法

技术领域

本发明属于风洞试验设备领域，具体涉及一种风洞试验气流平均速度测量装置及测量方法。

背景技术

在高超声速风洞设备中，试验气流的速度是表征流场参数一个重要参数指标。在激波风洞和高焓膨胀管风洞中，常用的测量试验气流速度有两种方式，一种是直接测量方法，如使用PIV(粒子测速)、TDLAS(可调谐激光吸收光谱)、PLIF(激光诱导荧光)以及ZL202021540155.1实用新型公布的排架(压力测量)进行测速；另外一种是间接测量方法方法,即使用直接测量得到的其他气流参数通过计算间接得到试验气流速度，如通过流场皮托压力、总温、总压等参数来计算试验气流的速度。

在直接测量方法中，当采用PIV进行试验气流速度测量时，对于超高速风洞，PIV示踪粒子的跟随性较差，由此导致试验气流速度测量不确定度相对较大。当采用TDLAS进行试验气流速度测量时，需要对试验气流中的特定组分的吸收光谱进行测量，该方法并非对所有气体的气流速度测量都适用。当采用PLIF进行试验气流速度测量时，在试验气流速度极高时，通常试验气流的温度亦相对较高，可能导致采用示踪分子离解，致使PLIF测速的方法失效。当采用ZL202021540155.1实用新型公布的排架进行测速时，传感器的响应差别以及数据判读时人为误差均会影响测量结果，导致气流速度测量不确定度增加。

在间接测量方法中，由于高温气体效应等影响，在计算过程中会引入较大的不确定度。

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试验气流平均速度测量装置，本发明所要解决的另一个技术问题是提供一种风洞试验气流平均速度测量方法。

本发明的风洞试验气流平均速度测量装置，其特点是，所述的试验气流平均速度测量装置包括从前至后依次连接的排杆、排杆固定件和支杆转接件；

所述的排杆包括从上至下并列排列的一组长度不同的排杆，排杆的数量为N，N≥2；排杆的前端为圆柱，圆形端面的边沿倒圆；排杆的轴线与风动轴线平行；排杆位于风洞试验段侧壁的观察窗外边界内；

所述的排杆固定件为矩形块Ⅰ，内部设置有与排杆一一对应的通孔，排杆插入通孔并固定，排杆固定件的前段设置有迎向风洞试验气流的尖劈；

所述的支杆转接件的前端为固定端，固定端固定连接排杆固定件的后端，支杆转接件的后端为支杆段，支杆段固定连接风洞模型支撑机构；支杆转接件上设置有水平基准面。

进一步地，所述的排杆的前端为台阶圆柱，台阶圆柱的前后两个台阶边沿均倒圆。

进一步地，所述的排杆的长度由上至下逐渐增大，或者由上至下逐渐减小，或者中间长、上下交错缩短。

进一步地，所述的排杆为实心圆杆构件，从前至后依次包括平直圆柱段Ⅰ、平直圆柱段Ⅱ、锥段、平直圆柱段Ⅲ、平直圆柱段Ⅳ和螺纹段，螺纹段的后端开有内六角孔；平直圆柱段Ⅰ的直径D1大于平直圆柱段Ⅱ的直径D2，平直圆柱段Ⅲ的直径D3大于平直圆柱段Ⅳ的直径D4，平直圆柱段Ⅳ的直径D4等于螺纹段的直径D5；螺纹段具有配装的圆螺母，圆螺母的边缘开有用于螺丝刀拧紧圆螺母的缺口；

所述的排杆固定件的内部设置有与排杆一一对应的台阶型通孔，台阶型通孔从前至后依次为通孔Ⅰ、通孔Ⅱ和通孔Ⅲ；通孔Ⅰ与平直圆柱段Ⅲ间隙配合，通孔Ⅰ和通孔Ⅱ之间的端面为平直圆柱段Ⅲ的限位端面；通孔Ⅱ与平直圆柱段Ⅳ间隙配合；通孔Ⅲ与圆螺母间隙配合，通孔Ⅱ和通孔Ⅲ之间的端面为圆螺母的限位端面，圆螺母的长度小于通孔Ⅲ的长度，拧紧后，圆螺母位于通孔Ⅲ内部；排杆固定件的后端面还开有两个上下平行排列的螺纹孔Ⅰ和螺纹孔Ⅱ；

所述的支杆转接件的固定端为矩形块Ⅱ，矩形块Ⅱ的上段和下段分别开有内径相同的通孔Ⅳ和通孔Ⅴ；从后至前，穿过通孔Ⅳ的连接螺钉和穿过通孔Ⅳ的连接螺钉，分别通过螺纹孔Ⅰ和螺纹孔Ⅱ固定支杆转接件的固定端。

进一步地，所述的平直圆柱段Ⅱ的长度不同，通过平直圆柱段Ⅱ的长度改变排杆的长度。

本发明的风洞试验气流平均速度测量方法，包括以下步骤：

a.分别测量各排杆前端面到排杆固定件后端面的距离，分别记为：L₁、L₂、L₃、L₄......，计算得到相邻排杆之间的距离差，分别为：ΔL₂₁＝L₂-L₁、ΔL₃₂＝L₃-L₂、ΔL₄₃＝L₄-L₃......；

b.将风洞试验气流平均速度测量装置通过支杆转接件的支杆段固定连接在风洞模型支撑机构上，并通过风洞模型支撑机构调整攻角，直至支杆转接件上设置的水平基准面的攻角为0°；

c.将高速光学显示系统安装在风洞试验段外部，光学镜头通过风洞试验段观察窗对准排杆，确保排杆的前端面均处于试验段的观察窗外边界内；

d.将高速光学显示系统的光路调试好，设置高速光学显示系统的光圈、焦距、帧频、像素的相关参数，将帧频记为f；

e.开启风洞，启动高速光学显示系统，拍摄各排杆头部脱体激波形成过程，获得系列照片，在系列照片中，依次判读和寻找排杆头部激波形成照片，并记录照片对应的序号n₁、n₂、n₃......，计算照片序号差为Δn₂₁＝n₂-n₁、Δn₃₂＝n₃-n₂、Δn₄₃＝n₄-n₃......；

f.根据排杆的距离差和对应的照片序号差，分别计算试验气流的速度：

g.计算试验气流的平均速度：

进一步地，所述的高速光学显示系统包括纹影、阴影以及辉光放电系统。

本发明的风洞试验气流平均速度测量装置中排杆的前端为台阶圆柱，台阶圆柱的前后两个台阶边沿均倒圆，风洞试验时，试验气流形成的第一个脱体激波完全覆盖第一个台阶的前端面后，随后会在第一个台阶和第二个台阶的交界处继续形成第二个脱体激波，第二个脱体激波与第一个脱体激波之间有交角，在照片上显示出明显的角度变化，也就是说，第二个脱体激波会有一个转折，寻找和判读刚形成转折的照片，即可判断试验气流已经完全建立起来了，能够更加方便准确地判读排杆头部脱体激波形成的照片序号。

本发明的风洞试验气流平均速度测量方法中，通过采用N≥3个排杆，能够测量风洞试验气流的平均速度。

本发明的风洞试验气流平均速度测量方法中，采用包括纹影、阴影以及辉光放电等传统的光学显示系统，结合高速摄影，即可以通过系列照片判定和测量试验气流达到不同位置处的排杆前端面的时刻，实现高超声速条件下试验气流平均速度的测量。

本发明的风洞试验气流平均速度测量方法适用于所有气体介质的试验气流平均速度测量。

本发明的风洞试验气流平均速度测量方法，还可以通化改造现有的排架来实现，将传统的“一字”排架或“十字”排架的测量排架进行改造，将测量排架在风洞试验段纵向垂直剖面改成不同长度，再利用高速摄影拍摄测量排架的不同长度排杆头部的脱体激波形成过程，通过照片判读获得对应的照片序号，结合高速相机的帧频，就能够计算出试验气流的平均速度。这种改造的好处在于测量试验气流的同时，也获得了试验气流的皮托压力或驻点热流等气流参数，以及延伸获得试验气流流动方向的皮托压力或驻点热流变化梯度等参数指标，由此节省了风洞运行的费用，提高了风洞运行的效率。

本发明的风洞试验气流平均速度测量装置及测量方法简便易行，精准度高，能够推广应用于高速和超高速风洞。

附图说明

图1为本发明的风洞试验气流平均速度测量装置与风洞试验段观察窗的位置关系示意图(实施例1)；

图2为本发明的风洞试验气流平均速度测量装置中的排杆固定件剖面图；

图3为本发明的风洞试验气流平均速度测量装置中的排杆固定件立体图；

图4为本发明的风洞试验气流平均速度测量装置中的排杆和排杆固定件的装配立体图；

图5为本发明的风洞试验气流平均速度测量装置中的支杆转接件立体图；

图6为本发明的风洞试验气流平均速度测量装置中的台阶圆柱立体图；

图7为本发明的风洞试验气流平均速度测量装置中的排杆立体图；

图8为本发明的风洞试验气流平均速度测量装置中的排杆后段立体图；

图9为本发明的风洞试验气流平均速度测量装置中的圆螺母立体图；

图10为本发明的风洞试验气流平均速度测量装置与风洞试验段观察窗的位置关系示意图(实施例2)。

图中，1.排杆Ⅰ 2.排杆Ⅱ 3.排杆Ⅲ 4.排杆Ⅳ 5.排杆Ⅴ 6.观察窗外边界 7.排杆固定件 8.支杆转接件 9.连接螺钉 10.圆螺母；

101.平直圆柱段Ⅰ 102.平直圆柱段Ⅱ 103.锥段 104.平直圆柱段Ⅲ 105.平直圆柱段Ⅳ 106.螺纹段 107.台阶圆柱。

具体实施方式

下面结合附图和实施例详细说明本发明。

如图1所示，本发明的风洞试验气流平均速度测量装置包括从前至后依次连接的排杆、排杆固定件7和支杆转接件8；

所述的排杆包括从上至下并列排列的一组长度不同的排杆，排杆的数量为N，N≥2；排杆的前端为圆柱，圆形端面的边沿倒圆；排杆的轴线与风动轴线平行；排杆位于风洞试验段侧壁的观察窗外边界6内；

所述的排杆固定件7为如图2、图3所示的矩形块Ⅰ，内部设置有与排杆一一对应的通孔，排杆插入通孔并固定，排杆固定件7的前段设置有如图4所示的迎向风洞试验气流的尖劈；

如图5所示，所述的支杆转接件8的前端为固定端，固定端固定连接排杆固定件7的后端，支杆转接件8的后端为支杆段，支杆段固定连接风洞模型支撑机构；支杆转接件8上设置有水平基准面。

进一步地，如图6所示，所述的排杆的前端为台阶圆柱107，台阶圆柱107的前后两个台阶边沿均倒圆。

进一步地，所述的排杆的长度由上至下逐渐增大，或者由上至下逐渐减小，或者中间长、上下交错缩短。

进一步地，如图7、图8所示，所述的排杆为实心圆杆构件，从前至后依次包括平直圆柱段Ⅰ101、平直圆柱段Ⅱ102、锥段103、平直圆柱段Ⅲ104、平直圆柱段Ⅳ105和螺纹段106，螺纹段106的后端开有内六角孔；平直圆柱段Ⅰ101的直径D1大于平直圆柱段Ⅱ102的直径D2，平直圆柱段Ⅲ104的直径D3大于平直圆柱段Ⅳ105的直径D4，平直圆柱段Ⅳ105的直径D4等于螺纹段106的直径D5；螺纹段106具有配装的如图9所示的圆螺母10，圆螺母10的边缘开有用于螺丝刀拧紧圆螺母10的缺口；

所述的排杆固定件7的内部设置有与排杆一一对应的台阶型通孔，台阶型通孔从前至后依次为通孔Ⅰ、通孔Ⅱ和通孔Ⅲ；通孔Ⅰ与平直圆柱段Ⅲ104间隙配合，通孔Ⅰ和通孔Ⅱ之间的端面为平直圆柱段Ⅲ104的限位端面；通孔Ⅱ与平直圆柱段Ⅳ105间隙配合；通孔Ⅲ与圆螺母10间隙配合，通孔Ⅱ和通孔Ⅲ之间的端面为圆螺母10的限位端面，圆螺母10的长度小于通孔Ⅲ的长度，拧紧后，圆螺母10位于通孔Ⅲ内部；排杆固定件7的后端面还开有两个上下平行排列的螺纹孔Ⅰ和螺纹孔Ⅱ；

所述的支杆转接件8的固定端为矩形块Ⅱ，矩形块Ⅱ的上段和下段分别开有内径相同的通孔Ⅳ和通孔Ⅴ；从后至前，穿过通孔Ⅳ的连接螺钉9和穿过通孔Ⅳ的连接螺钉9，分别通过螺纹孔Ⅰ和螺纹孔Ⅱ固定支杆转接件8的固定端。

进一步地，所述的平直圆柱段Ⅱ102的长度不同，通过平直圆柱段Ⅱ102的长度改变排杆的长度。

本发明的风洞试验气流平均速度测量方法，包括以下步骤：

a.分别测量各排杆前端面到排杆固定件7后端面的距离，分别记为：L₁、L₂、L₃、L₄......，计算得到相邻排杆之间的距离差，分别为：ΔL₂₁＝L₂-L₁、ΔL₃₂＝L₃-L₂、ΔL₄₃＝L₄-L₃......；

b.将风洞试验气流平均速度测量装置通过支杆转接件8的支杆段固定连接在风洞模型支撑机构上，并通过风洞模型支撑机构调整攻角，直至支杆转接件8上设置的水平基准面的攻角为0°；

c.将高速光学显示系统安装在风洞试验段外部，光学镜头通过风洞试验段观察窗对准排杆，确保排杆的前端面均处于试验段的观察窗外边界6内；

d.将高速光学显示系统的光路调试好，设置高速光学显示系统的光圈、焦距、帧频、像素的相关参数，将帧频记为f；

e.开启风洞，启动高速光学显示系统，拍摄各排杆头部脱体激波形成过程，获得系列照片，在系列照片中，依次判读和寻找排杆头部激波形成照片，并记录照片对应的序号n₁、n₂、n₃......，计算照片序号差为Δn₂₁＝n₂-n₁、Δn₃₂＝n₃-n₂、Δn₄₃＝n₄-n₃......；

f.根据排杆的距离差和对应的照片序号差，分别计算试验气流的速度：

g.计算试验气流的平均速度：

进一步地，所述的高速光学显示系统包括纹影、阴影以及辉光放电系统。

实施例1

本实施例见图1。本实施例采用5个排杆，排杆长度从上至下逐渐增大，从上至下依次是排杆Ⅴ5、排杆Ⅳ4、排杆Ⅲ3、排杆Ⅱ2和排杆Ⅰ1，具体实施过程如下：

将排杆和排杆固定件7安装成组合件；组合件的排杆竖直向上，再将组合件放置在平台上，调平组合件的排杆固定件7，直至组合件的排杆固定件7的对称中心面与平台垂直；利用高度游标卡尺测量每个排杆的前端面距平台的距离，并记录，得到L₁、L₂、L₃、L₄、L₅；将支杆转接件8用连接螺钉9固定在排杆固定件7上；最后，将支杆转接件8后端固定安装在风洞试验段模型支撑机构上，调整模型支撑机构的轴向位置，使全部排杆的前端面均位于观察窗外边界6内，能通过正对风洞试验段的观察窗观察到；

根据风洞运行环境压力或模拟参数，选择合适的光学系统，如纹影、阴影、辉光放电等光学显示方法作为试验气流平均速度测量用的光学观察系统；

调整光学观察系统光源及光路，正确设置并记录光学观察系统参数，确保光学观察系统能够清晰和完整拍摄在全部排杆头上脱体激波的建立形成过程的系列照片；

正确设置风洞运行光学观察系统的触发参数，确保高速相机的拍摄时段覆盖风洞有效运行时间；

启动风洞运行；

检查光学观察系统拍摄的照片，判读和记录从前到后每一个排杆的前端面刚建立形成脱体激波对应照片的序号；

通过风洞试验气流平均速度测量方法中的计算步骤，计算出风洞试验气流的平均速度。

实施例2

本实施例见图10，也采用5个排杆，最长排杆固定在排杆固定件7中间位置的通孔内，其余排杆按照从上到下由长到短的顺序依次交错固定在排杆固定件7上，从上至下依次是排杆Ⅳ4、排杆Ⅱ2、排杆Ⅰ1、排杆Ⅲ3和排杆Ⅴ5，再通过连接螺钉9将排杆固定件7与支杆转接件8固定连接，然后将支杆转接件8安装在风洞试验段模型支撑机构上。其余实施过程与实施例1相同。

实施例3

本实施例的排杆的前端为台阶圆柱107，其余实施过程与实施例1相同。

实施例4

本实施例根据测量不确定度要求，采用6根排杆，计算5个试验气流的速度的平均速度和均方根误差，其余实施过程与实施例1相同。

Claims (7)

1.一种风洞试验气流平均速度测量装置，其特征在于，所述的试验气流平均速度测量装置包括从前至后依次连接的排杆、排杆固定件(7)和支杆转接件(8)；

所述的排杆包括从上至下并列排列的一组长度不同的排杆，排杆的数量为N，N≥2；排杆的前端为圆柱，圆形端面的边沿倒圆；排杆的轴线与风动轴线平行；排杆位于风洞试验段侧壁的观察窗外边界(6)内；

所述的排杆固定件(7)为矩形块Ⅰ，内部设置有与排杆一一对应的通孔，排杆插入通孔并固定，排杆固定件(7)的前段设置有迎向风洞试验气流的尖劈；

所述的支杆转接件(8)的前端为固定端，固定端固定连接排杆固定件(7)的后端，支杆转接件(8)的后端为支杆段，支杆段固定连接风洞模型支撑机构；支杆转接件(8)上设置有水平基准面。

2.根据权利要求1所述的风洞试验气流平均速度测量装置，其特征在于，所述的排杆的前端为台阶圆柱(107)，台阶圆柱(107)的前后两个台阶边沿均倒圆。

3.根据权利要求1所述的风洞试验气流平均速度测量装置，其特征在于，所述的排杆的长度由上至下逐渐增大，或者由上至下逐渐减小，或者中间长、上下交错缩短。

4.根据权利要求1所述的风洞试验气流平均速度测量装置，其特征在于，所述的排杆为实心圆杆构件，从前至后依次包括平直圆柱段Ⅰ(101)、平直圆柱段Ⅱ(102)、锥段(103)、平直圆柱段Ⅲ(104)、平直圆柱段Ⅳ(105)和螺纹段(106)，螺纹段(106)的后端开有内六角孔；平直圆柱段Ⅰ(101)的直径D1大于平直圆柱段Ⅱ(102)的直径D2，平直圆柱段Ⅲ(104)的直径D3大于平直圆柱段Ⅳ(105)的直径D4，平直圆柱段Ⅳ(105)的直径D4等于螺纹段(106)的直径D5；螺纹段(106)具有配装的圆螺母(10)，圆螺母(10)的边缘开有用于螺丝刀拧紧圆螺母(10)的缺口；

所述的排杆固定件(7)的内部设置有与排杆一一对应的台阶型通孔，台阶型通孔从前至后依次为通孔Ⅰ、通孔Ⅱ和通孔Ⅲ；通孔Ⅰ与平直圆柱段Ⅲ(104)间隙配合，通孔Ⅰ和通孔Ⅱ之间的端面为平直圆柱段Ⅲ(104)的限位端面；通孔Ⅱ与平直圆柱段Ⅳ(105)间隙配合；通孔Ⅲ与圆螺母(10)间隙配合，通孔Ⅱ和通孔Ⅲ之间的端面为圆螺母(10)的限位端面，圆螺母(10)的长度小于通孔Ⅲ的长度，拧紧后，圆螺母(10)位于通孔Ⅲ内部；排杆固定件(7)的后端面还开有两个上下平行排列的螺纹孔Ⅰ和螺纹孔Ⅱ；

所述的支杆转接件(8)的固定端为矩形块Ⅱ，矩形块Ⅱ的上段和下段分别开有内径相同的通孔Ⅳ和通孔Ⅴ；从后至前，穿过通孔Ⅳ的连接螺钉(9)和穿过通孔Ⅳ的连接螺钉(9)，分别通过螺纹孔Ⅰ和螺纹孔Ⅱ固定支杆转接件(8)的固定端。

5.根据权利要求4所述的风洞试验气流平均速度测量装置，其特征在于，所述的平直圆柱段Ⅱ(102)的长度不同，通过平直圆柱段Ⅱ(102)的长度改变排杆的长度。

6.权利要求1～5的任意一种风洞试验气流平均速度测量装置的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

a.分别测量各排杆前端面到排杆固定件(7)后端面的距离，分别记为：L₁、L₂、L₃、L₄......，计算得到相邻排杆之间的距离差，分别为：ΔL₂₁＝L₂-L₁、ΔL₃₂＝L₃-L₂、ΔL₄₃＝L₄-L₃......；

b.将风洞试验气流平均速度测量装置通过支杆转接件(8)的支杆段固定连接在风洞模型支撑机构上，并通过风洞模型支撑机构调整攻角，直至支杆转接件(8)上设置的水平基准面的攻角为0°；

c.将高速光学显示系统安装在风洞试验段外部，光学镜头通过风洞试验段观察窗对准排杆，确保排杆的前端面均处于试验段的观察窗外边界(6)内；

d.将高速光学显示系统的光路调试好，设置高速光学显示系统的光圈、焦距、帧频、像素的相关参数，将帧频记为f；

e.开启风洞，启动高速光学显示系统，拍摄各排杆头部脱体激波形成过程，获得系列照片，在系列照片中，依次判读和寻找排杆头部激波形成照片，并记录照片对应的序号n₁、n₂、n₃......，计算照片序号差为Δn₂₁＝n₂-n₁、Δn₃₂＝n₃-n₂、Δn₄₃＝n₄-n₃......；

f.根据排杆的距离差和对应的照片序号差，分别计算试验气流的速度：

g.计算试验气流的平均速度：

7.根据权利要求6所述的风洞试验气流平均速度测量方法，其特征在于，所述的高速光学显示系统包括纹影、阴影以及辉光放电系统。

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