CN113009178A - 一种基于滑移电弧的流速测量系统 - Google Patents

Abstract

一种基于滑移电弧的流速测量系统，包括滑移电弧电极、高压直流电源、高频示波器、稳压电阻，所述的滑移电弧电极包括阴极探针、阳极探针，所述两探针呈“V”型布置，且“V”型尖端两电极之间留有一定间隙，所述高压直流电源对所述滑移电弧电极供电，探针在最小间距处击穿，并在气流作用下产生滑移电弧，当电流不足以支持电弧长度时电弧被气流吹断，并同时在探针最小间距位置形成新的电弧，如此周期往复。通过测量滑移电弧生成到断裂循环周期和滑动距离计算电弧滑移速度，即流体流动速度。本发明结构简单，能够测量高速流体中心和近壁速度，成本低，适用范围广。

Description

一种基于滑移电弧的流速测量系统

技术领域

本发明涉及航空航天领域、流体力学领域和测试领域，具体涉及一种基于滑移电弧的流速测量系统。

背景技术

随着航空航天技术的不断发展，地面风洞技术成为关键研究手段，而了解复杂的流动现象，需要测量各种数据和参数，这要求测量方式要能满足各种复杂流场条件下的可操作性，并且数据要有高可信度。

传统气体流速检测装置主要有接触式测量和非接触式测量。接触式测量中接触式测量技术是传统的流速测量方法，测量探头需要与流场接触，故对高速流场会产生干扰，影响测量精度；同时，恶劣的检测环境也容易降低测量探头的使用寿命，需经常更换探头。而在高速流场中，侵入式测量会产生激波，不能使用。非接触式测量以光学方法为主，但原理复杂，实际操作困难，系统成本高昂。另一方面，管道内流动近壁面速度测量十分困难，目前的测试方法对近壁面流速没有合适的解决方案。

发明内容

为了实现一种原理简单、适用范围广的气体近壁流速测量系统，本发明提供了一种新型的利用滑移电弧测速的装置系统，解决了侵入测量困难和流道壁面速度测量困难的问题。

为达到上述目的，本发明采用的技术解决方案如下：

一种基于滑移电弧的流速测量系统，其特点在于：包括由阴极探针和阳极探针构成的滑移电弧电极以及高压直流电源；

所述高压直流电源对所述滑移电弧电极供电，在所述的阴极探针和阳极探针最小间距处击穿产生电弧，并在气流作用下滑移，测量得到滑移电弧电压周期，电极长度为预设已知量，则流速计算公式如下：

所述高压直流电源、保护电阻、滑移电弧电极串联，所述滑移电弧电极的阳极探针和阴极探针之间的电压由示波器采集。

所述高压直流电源可输出恒定高压直流电。

所述滑移电弧阳极探针和阴极探针暴露在气流的部分为细条形金属。

所述滑移电弧电极的阳极探针和阴极探针呈“V”型布置，即中心线构成的角度α满足关系式：0°＜α＜180°。

所述高压直流电源、保护电阻、滑移电弧电极串联。

所述滑移电弧电极的阳极探针和阴极探针之间的电压由示波器采集。

电极最小间距端布置在流体上游，电极开口端朝向流体下游。

所述滑移电弧电极可以但不仅限于固定在流场壁面的安装方式。

接通电源后，电极间距最小位置产生电弧，并在气流作用下向下游滑移，最终在电极扩展最大处断裂，并同时在电极间距最小位置产生电弧，如此周期进行。通过测量滑移电弧生成到断裂所历时间和距离，计算得到流速。

本发明的有益效果是：

1、通过结合滑移电弧的放电特性与流场流速的关系，提供一种原理简单，适用范围广的流速测量系统。

2、本发明能够解决高流速工况下流体壁面流动速度的测量。

3、电极设置方式多样，可适应不同的流场和复杂空间内的流速测量。

附图说明

图1是本发明基于滑移电弧的流速测量系统原理电路图。

图2是本发明基于滑移电弧的流速测量系统具体实施方案附图。

图3是本发明优选的实施例中的滑移电弧电极装配图。

图中：1.滑移电弧电极；2.高压直流电源；3.示波器；4.高速摄像机；5.保护电阻；

11.阳极探针；12.阴极探针；13.转接壳体；14.绝缘内衬；15.固定螺钉。

具体实施方式

下面结合实施例和附图，对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

本发明优选实施例，选用10kV直流电源，并选用的高速相机连续拍摄电弧滑移过程。所述滑移电弧电极1安装于管道内壁面。

先请参阅图1，由图可见，本发明基于滑移电弧的流量测量系统，包括滑移电弧电极1、高压直流电源2、示波器3、高速相机4、保护电阻5。所述滑移电弧电极1包括阴极探针11、阳极探针12、转接壳体13、绝缘内衬14和固定螺钉15。

所述高压直流电源、保护电阻、滑移电弧电极串联。

所述滑移电弧电极1的阳极探针11和阴极探针12之间的电压由示波器采集。

所述滑移电弧电极1的阳极探针11和阴极探针12中心线构成的角度α满足关系式：0°＜α＜180°。

电极最小间距端布置在流体上游，电极开口端朝向流体下游。

请参阅图3，图3中是本发明基于滑移电弧放电特性的流量测量系统中滑移电弧电极装配图。

由图可见，所述滑移电弧电极1由阴极探针11、阳极探针12、转接壳体13、绝缘内衬14和固定螺钉15组成。

所述阴极探针11和阳极探针12采用金属钨制成，两者中心线构成的角度α满足0°＜α＜180°。

所述转接壳体13为不锈钢壳体，头部设计有M20的螺纹，可以安装在试验台壳体上；中段为六角结构，方便拆装；底部有一M3小孔，用于所述固定螺钉15固定所述绝缘内衬14。

所述绝缘内衬14内部有两个1mm直径的直通孔，用于所述阴极探针11和阳极探针12导线安装孔。头部有以所述直通孔为起点，以中心线镜面对称，角度0°＜α＜180°的开槽，用于安装所述阴极探针11和阳极探针12。

所述电极对侧壁面装有石英玻璃视窗，高速相机可透过视窗拍摄滑移电弧运动过程。

所述高压直流电源对所述滑移电弧电极供电，探针在最小间距处击穿，并气流作用下产生滑移电弧。拍摄滑移电弧的形成和湮灭位置间的距离L和时间间隔t，因时间间隔t等于电极间电压周期，因此t亦可由示波器测量得出。流速计算公式如下：

实验已表明所述发明能够准确测量高速流动近壁流速。

以上对发明的具体实施方式进行了详细说明，但仅是作为范例，本发明并不限制与以上描述的具体实施方式。对于本领域的技术人员而言，任何对该发明进行的同等修改或替代也都在本发明的范畴之中，因此，在不脱离本发明的精神和原则范围下所作的均等变换和修改、改进等，都应涵盖在本发明的范围内。

Claims (9)

1.一种基于滑移电弧的流速测量系统，其特征在于：包括由阴极探针(11)和阳极探针(12)构成的滑移电弧电极(1)以及高压直流电源(2)；

所述高压直流电源(2)对所述滑移电弧电极(1)供电，在所述的阴极探针(11)和阳极探针(12)最小间距处击穿产生电弧，并在气流作用下滑移，测量得到滑移电弧电压周期，电极长度为预设已知量，则流速计算公式如下：

2.根据权利要求1所述的基于滑移电弧的流速测量系统，其特征在于,还包括电压由示波器(3)，所述高压直流电源(2)、保护电阻(5)、滑移电弧电极(1)串联，所述滑移电弧电极(1)的阳极探针(11)和阴极探针(12)之间的电压由示波器(3)采集。

3.根据权利要求1所述的基于滑移电弧的流速测量系统，其特征在于所述高压直流电源(2)提供恒定输出电压。

4.根据权利要求1所述的基于滑移电弧的流速测量系统，其特征在于所述的阳极探针(11)和阴极探针(12)呈“V”型排布，两级相距最近的位置足够电压击穿形成电弧；所述“V”型电极电弧起始端位于流体上游，所述“V”型电极开口端位于流体下游。

5.根据权利要求1所述的基于滑移电弧的流速测量系统，其特征在于所述电极(1)两端电压由示波器(3)采集并处理其周期性。

6.根据权利要求1所述的基于滑移电弧的流速测量系统，其特征在于所述滑移电弧电极(1)包括阴极探针(11)、阳极探针(12)、转接壳体(13)、绝缘内衬(14)和固定螺钉(15)；所述滑移电弧电极(1)嵌于绝缘内衬内。

所述转接壳体(13)为不锈钢壳体，底部设有小孔，用于所述固定螺钉(15)固定所述绝缘内衬(14)；所述绝缘内衬(14)内部设有两个直通孔，供所述阴极探针(11)和阳极探针(12)导线安装孔；所述滑移电弧电极(1)对侧壁面装有石英玻璃视窗，供高速相机透过视窗拍摄滑移电弧的生成和运动过程。

7.根据权利要求6所述的基于滑移电弧的流速测量系统，其特征在于所述的滑移电弧电极(1)采用固定在流场壁面的安装方式。

8.根据权利要求6所述的基于滑移电弧的流速测量系统，其特征在于所述阳极探针(11)和阴极探针(12)中心线构成的角度α满足关系式：0°＜α＜180°。

9.根据权利要求8所述的基于滑移电弧的流速测量系统，其特征在于所述电极最小间距端布置在流体上游，电极开口端朝向流体下游。

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