CN113049209B - 一种基于虚拟孔排的多点测量气动探针及其应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于虚拟孔排的多点测量气动探针及其应用。该探针依次包括测量段、过渡段和夹持段；测量段为圆柱段，表面开有垂直于测量段中心轴线的测压孔，环绕中心轴线设置有与测压孔一一对应的螺旋线或直线的引压管路Ⅰ；过渡段为锥段，内有对应的引压管路Ⅱ；夹持段为多棱柱段，内有对应的引压管路Ⅲ，夹持段的后端通过细钢管和软管将测压孔的压力传导至压力测量装置。该探针设计加工成本低，气动阻力和流场扰动小，结合位移机构，可以在较小的探针阻塞度的条件下，快速实现被测截面气流角、马赫数、总压和静压等气流参数图谱测量，适用于暂冲式平面叶栅风洞叶栅出口截面等流场气动参数的快速测量。

Description

一种基于虚拟孔排的多点测量气动探针及其应用
技术领域
本发明属于风洞试验技术领域，具体涉及一种基于虚拟孔排的多点测量气动探针及其应用。
背景技术
经过校准的多孔气动探针，可以同时获得流场总压、静压、马赫数和气流角等参数，在流场参数测量中被广泛使用。传统的多孔气动探针，若要获得上面的气动参数，需要依靠位移机构，在测量截面内进行往复扫描测量，由此带来测量时间的急剧增加，风洞运行成本增加，特别是对于暂冲式风洞，由于气源容量有限，这种测量方案受到很大限制。如果采用多点的梳状或耙状的多孔气动探针，则会提高探针多孔气动探针的设计加工难度，同时，多孔气动探针尺寸增大，还会使探针受到的气动力增大，并带来流场阻塞度和扰动增大等问题。
当前，亟需发展一种基于虚拟孔排的多点测量气动探针。
发明内容
本发明所要解决的一个技术问题是提供一种基于虚拟孔排的多点测量气动探针，本发明所要解决的另一个技术问题是提供一种基于虚拟孔排的多点测量气动探针的应用。
本发明的基于虚拟孔排的多点测量气动探针，其特点是，所述的多点测量气动探针从前至后依次包括测量段、过渡段和夹持段；测量段为圆柱段，表面开有垂直于测量段中心轴线的测压孔，环绕中心轴线设置有引压管路Ⅰ；过渡段为前小后大的锥段，锥段的前端直径与测量段直径相等，过渡段内设置有与引压管路Ⅰ一一对应的引压管路Ⅱ；夹持段为多棱柱段，装卡在位移机构的接口内，多棱柱的内切圆直径与锥段的后端直径相等，夹持段内设置有与引压管路Ⅱ一一对应的引压管路Ⅲ，夹持段的后端为引压管路Ⅲ的引出端，通过连接细钢管和软管将测压孔的压力传导至压力测量装置进行测量；
所述的测量段测压孔位于同一条平行于测量段中心轴线的表面直线上，根据测量需要确定测压孔数目n，一般n≥5；每个测压孔单独对应一条引压通路，测压孔对应的引压管路Ⅰ通过螺旋线、直线或弧线方式引出，管路截面一般呈扇形；测量段的引压管路Ⅰ按照从测量段的中心轴线向外按环层分组的原则设置，分为m组，每个环层组内分布若干条引压管路，管路截面一般呈扇形，一般位于外侧环层的引压管路数目大于内侧环层的引压管路数目，位于内侧环层内的引压管路相对更长，对应更远端的测压孔；
第1组引压管路位于测量段最中心环层，分为p1条引压管路，分别对应测量段最远端由远及近的第1到p1个测压孔，其中第1到第(p1-1)个测压孔对应的引压管路首先呈螺旋线方式引出，相邻测压孔之间的引压管路为1/p1螺距，从第p1个测点对应的测量段截面位置起，该组所有p1条引压管路沿直线引出测量段；
第2组引压管路位于第1组引压管路的外侧环，分为p2条引压管路，分别对应测量段由远及近的第(p1+1)到第(p1+p2)个测压孔，其中第(p1+1)到第(p1+p2-1)个测压孔对应的引压管路首先呈螺旋线方式引出，相邻测压孔之间的引压管路为1/p2螺距，从第(p1+p2)个测点对应的测量段截面位置起，该组所有p2条引压管路沿直线引出测量段；
其余各组引压管路均按上述方式引出，直到位于最外侧环层的第m组引压管路，分为pm条引压管路，分别对应测量段最近端由远及近的第(n-pm+1)到第n个测压孔，其中第(n-pm+1)到第(n-1)个测压孔对应的引压管路首先呈螺旋线方式引出，相邻测压孔之间的引压管路为1/pm螺距，从第n个测点对应的测量段截面位置起，该组所有pm条引压管路沿直线引出测量段；
过渡段前端截面形状与测量段后端截面形状相同，过渡段的引压管路Ⅱ从前至后逐渐过渡成圆形管路，过渡段后端截面包括绕中心点从内至外分布的m个圆环，第1个圆环布有p1个圆孔，第2个圆环布有p2个圆孔，……，第m个圆环均有pm个圆孔；夹持段的引压管路Ⅲ与过渡段引压管路Ⅱ的圆形管路平滑过渡，夹持段前端截面和后端截面与过渡段后端截面相同，也包括绕中心点从内至外分布的m个圆环。
进一步地，所述的位移机构至少集成了转动自由度和一个方向移动自由度两个自由度。
进一步地，所述的多点测量气动探针采用增材制造方法加工，材料为不锈钢。
进一步地，所述的多点测量气动探针测量段的表面进行喷砂和抛光处理，表面粗糙度满足测量需求。
进一步地，所述的测量段测压孔分别位于1条平行于测量段中心轴线的表面直线上。
进一步地，所述的测量段的后端设置有与前端对称的过渡段和夹持段。
进一步地，所述的基于虚拟孔排的多点测量气动探针用于暂冲式平面叶栅风洞叶栅出口截面的气动参数测量。
本发明的基于虚拟孔排的多点测量气动探针具有设计加工成本低，气动阻力和流场扰动小的特点，结合转动和一个方向移动的位移机构，可以在较小的探针阻塞度的条件下，快速实现被测截面气流角、马赫数、总压和静压等气流参数图谱测量，适用于暂冲式平面叶栅风洞叶栅出口截面等流场气动参数的快速测量。
附图说明
图1为本发明的基于虚拟孔排的多点测量气动探针结构示意图；
图2为本发明的基于虚拟孔排的多点测量气动探针中的测量段结构示意图。
图中，1.测量段 2.过渡段 3.夹持段；
#1～#12.测压孔编号。
具体实施方式
下面结合附图和实例对本发明进行进一步的说明。
本发明的基于虚拟孔排的多点测量气动探针从前至后依次包括测量段1、过渡段2和夹持段3；测量段1为圆柱段，表面开有垂直于测量段1中心轴线的测压孔，环绕中心轴线设置有引压管路Ⅰ；过渡段2为前小后大的锥段，锥段的前端直径与测量段1直径相等，过渡段2内设置有与引压管路Ⅰ一一对应的引压管路Ⅱ；夹持段3为多棱柱段，装卡在位移机构的接口内，多棱柱的内切圆直径与锥段的后端直径相等，夹持段3内设置有与引压管路Ⅱ一一对应的引压管路Ⅲ，夹持段3的后端为引压管路Ⅲ的引出端，通过连接细钢管和软管将测压孔的压力传导至压力测量装置进行测量；
所述的测量段1测压孔位于同一条平行于测量段1中心轴线的表面直线上，根据测量需要确定测压孔数目n，一般n≥5；每个测压孔单独对应一条引压通路，测压孔对应的引压管路Ⅰ通过螺旋线、直线或弧线方式引出，管路截面一般呈扇形；测量段1的引压管路Ⅰ按照从测量段1的中心轴线向外按环层分组的原则设置，分为m组，每个环层组内分布若干条引压管路，管路截面一般呈扇形，一般位于外侧环层的引压管路数目大于内侧环层的引压管路数目，位于内侧环层内的引压管路相对更长，对应更远端的测压孔；
第1组引压管路位于测量段1最中心环层，分为p1条引压管路，分别对应测量段1最远端由远及近的第1到p1个测压孔，其中第1到第p1-1个测压孔对应的引压管路首先呈螺旋线方式引出，相邻测压孔之间的引压管路为1/p1螺距，从第p1个测点对应的测量段1截面位置起，该组所有p1条引压管路沿直线引出测量段1；
第2组引压管路位于第1组引压管路的外侧环，分为p2条引压管路，分别对应测量段1由远及近的第p1+1到第p1+p2个测压孔，其中第p1+1到第p1+p2-1个测压孔对应的引压管路首先呈螺旋线方式引出，相邻测压孔之间的引压管路为1/p2螺距，从第p1+p2个测点对应的测量段1截面位置起，该组所有p2条引压管路沿直线引出测量段1；
其余各组引压管路均按上述方式引出，直到位于最外侧环层的第m组引压管路，分为pm条引压管路，分别对应测量段1最近端由远及近的第n-pm+1到第n个测压孔，其中第n-pm+1到第n-1个测压孔对应的引压管路首先呈螺旋线方式引出，相邻测压孔之间的引压管路为1/pm螺距，从第n个测点对应的测量段1截面位置起，该组所有pm条引压管路沿直线引出测量段1；
过渡段2前端截面形状与测量段1后端截面形状相同，过渡段2的引压管路Ⅱ从前至后逐渐过渡成圆形管路，过渡段2后端截面包括绕中心点从内至外分布的m个圆环，第1个圆环布有p1个圆孔，第2个圆环布有p2个圆孔，……，第m个圆环均有pm个圆孔；夹持段3的引压管路Ⅲ与过渡段2引压管路Ⅱ的圆形管路平滑过渡，夹持段3前端截面和后端截面与过渡段2后端截面相同，也包括绕中心点从内至外分布的m个圆环。
进一步地，所述的位移机构至少集成了转动自由度和一个方向移动自由度两个自由度。
进一步地，所述的多点测量气动探针采用增材制造方法加工，材料为不锈钢。
进一步地，所述的多点测量气动探针测量段1的表面进行喷砂和抛光处理，表面粗糙度满足测量需求。
进一步地，所述的测量段1测压孔分别位于1条平行于测量段1中心轴线的表面直线上。
进一步地，所述的测量段1的后端设置有与前端对称的过渡段2和夹持段3。
进一步地，所述的基于虚拟孔排的多点测量气动探针用于暂冲式平面叶栅风洞叶栅出口截面的气动参数测量。
实施例1
本实施例的基于虚拟孔排的多点测量气动探针是为解决暂冲式平面叶栅风洞叶栅出口截面的气动参数测量需求而提出的。
本实施例的基于虚拟孔排的多点测量气动探针内部结构复杂，传统的加工方法难以实现内部螺旋线的加工，需要采用增材制造的方式加工成型。
如图1所示，本实施例的基于虚拟孔排的多点测量气动探针由顺序连接的测量段1、过渡段2和夹持段3构成。探针主体采用不锈钢增材制造方式一体成型。测量段1为圆柱，表面通过喷砂和剖光处理降低粗糙度，测量段1长度200mm，直径5mm，测压孔采用常规机械加工方式钻取。过渡段2为圆锥，夹持段3为外切圆锥后端的正六边形棱柱，夹持段3装卡在位移机构的接口内。
如图2所示，本实施例的基于虚拟孔排的多点测量气动探针的测量段1表面沿直线均匀分布n＝12个直径为0.4mm的测压孔，编号为#1～#12，由远及近的顺序排列，各测压孔轴线与圆柱表面垂直，引压管路分为m＝2组，第1组位于内环包含p1＝4条引压管路，第2组位于外环包含p2＝8条引压管路。各测压孔依次通过测量段1的引压管路Ⅰ、过渡段2的引压管路Ⅱ和夹持段3的引压管路Ⅲ将被测流场压力引出至夹持段3的引出端。测量段1的引压管路Ⅰ的后端截面分布有中心对称的2圈12个异形孔，后端截面的外壁厚0.5mm，内部分割管路壁厚0.3mm。过渡段2的引压管路Ⅱ从前端到后端由中心对称的2圈12个异形孔逐渐过渡到中心对称的2圈12个圆孔。夹持段3的引压管路Ⅲ的前端、后端均为中心对称的2圈直径相等的12个圆形孔。
夹持段3的引出端的圆孔由内圈向外圈环形分布，引出端的内圈的4个圆孔连接远端测压孔，外圈的8个圆孔连接近端测压孔，内圈的4个圆孔分别对应#1～#4测压孔，外圈的8个圆孔分别对应#5～#12测压孔；第1组#1～#3测压孔的引压管路Ⅰ前段从相应测点位置起以螺旋线方式引出，相邻两个测压孔的距离对应1/4个螺距，#4测压孔的引压管路Ⅰ为直线管路，#1～#3测压孔引压管路Ⅰ的后段从#4测压孔的位置开始，均为直线管路。第2组与第1组相似，#5～#11测压孔的引压管路Ⅰ前段呈螺旋线，相邻两个测压孔的距离对应1/8个螺距，#12测压孔的引压管路Ⅰ为直线，#5～#11测压孔引压管路Ⅰ的后段从#12测压孔的位置开始，均为直线管路。
夹持段3采用正六边形棱柱，主要用于实现探针的精确定位安装。夹持段3的引出端通过连接细钢管和软管将压力传导至压力测量装置进行测量。
本实施例的基于虚拟孔排的多点测量气动探针，经过校准风洞校准，在已知来流总压、静压条件下，通过转动探针获取各测压孔在不同校准气流方向下的压力数据，将数据左右各平移一定的角度，通常为25°～45°，即可获取探针中心孔左右两个虚拟孔的压力数据，从而构成虚拟的三孔探针校准数据。实际测量时，可根据预估的气流角安装探针，利用沿探针轴向转动的位移机构分别在0°和校准计算时所取的两个虚拟孔角度下测取探针各测压孔压力数据，根据校准数据计算获得沿探针轴向各测压孔位置的总压、静压、马赫数和气流角等参数，再利用直线位移机构移动探针即可获取截面流场参数。
本实施例的测量过程如下：
本实施例的基于虚拟孔排的多点测量气动探针，在探针虚拟孔转动角度±30°的条件下，需要实现探针±25°的角度测量范围，则首先在±55°相对来流方向角度范围内获得探针校准数据。实际测量时需分别测取探针在-30°，0°和+30°转角下的压力数据，由三孔探针流场参数计算方法，即可计算得到测量截面流场参数。
经测算，本实施例的基于虚拟孔排的多点测量气动探针相对于传统多孔探针逐点测量方法，测量时间缩短75％以上。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域。对于熟悉本领域的人员而言，在不脱离本发明原理的前提下，可容易地实现另外的改进和润饰，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (7)

1.一种基于虚拟孔排的多点测量气动探针，其特征在于，所述的多点测量气动探针从前至后依次包括测量段(1)、过渡段(2)和夹持段(3)；测量段(1)为圆柱段，表面开有垂直于测量段(1)中心轴线的测压孔，环绕中心轴线设置有引压管路Ⅰ；过渡段(2)为前小后大的锥段，锥段的前端直径与测量段(1)直径相等，过渡段(2)内设置有与引压管路Ⅰ一一对应的引压管路Ⅱ；夹持段(3)为多棱柱段，装卡在位移机构的接口内，多棱柱的内切圆直径与锥段的后端直径相等，夹持段(3)内设置有与引压管路Ⅱ一一对应的引压管路Ⅲ，夹持段(3)的后端为引压管路Ⅲ的引出端，通过连接细钢管和软管将测压孔的压力传导至压力测量装置进行测量；
所述的测量段(1)测压孔位于同一条平行于测量段(1)中心轴线的表面直线上，根据测量需要确定测压孔数目n，一般n≥5；每个测压孔单独对应一条引压通路，测压孔对应的引压管路Ⅰ通过螺旋线、直线或弧线方式引出，管路截面一般呈扇形；测量段(1)的引压管路Ⅰ按照从测量段(1)的中心轴线向外按环层分组的原则设置，分为m组，每个环层组内分布若干条引压管路，管路截面一般呈扇形，一般位于外侧环层的引压管路数目大于内侧环层的引压管路数目，位于内侧环层内的引压管路相对更长，对应更远端的测压孔；
第1组引压管路位于测量段(1)最中心环层，分为p1条引压管路，分别对应测量段(1)最远端由远及近的第1到p1个测压孔，其中第1到第(p1-1)个测压孔对应的引压管路首先呈螺旋线方式引出，相邻测压孔之间的引压管路为1/p1螺距，从第p1个测点对应的测量段(1)截面位置起，该组所有p1条引压管路沿直线引出测量段(1)；
第2组引压管路位于第1组引压管路的外侧环，分为p2条引压管路，分别对应测量段(1)由远及近的第(p1+1)到第(p1+p2)个测压孔，其中第(p1+1) 到第(p1+p2-1)个测压孔对应的引压管路首先呈螺旋线方式引出，相邻测压孔之间的引压管路为1/p2螺距，从第(p1+p2)个测点对应的测量段(1)截面位置起，该组所有p2条引压管路沿直线引出测量段(1)；
其余各组引压管路均按上述方式引出，直到位于最外侧环层的第m组引压管路，分为pm条引压管路，分别对应测量段(1)最近端由远及近的第(n-pm+1)到第n个测压孔，其中第(n-pm+1)到第(n-1)个测压孔对应的引压管路首先呈螺旋线方式引出，相邻测压孔之间的引压管路为1/pm螺距，从第n个测点对应的测量段(1)截面位置起，该组所有pm条引压管路沿直线引出测量段(1)；
过渡段(2)前端截面形状与测量段(1)后端截面形状相同，过渡段(2)的引压管路Ⅱ从前至后逐渐过渡成圆形管路，过渡段(2)后端截面包括绕中心点从内至外分布的m个圆环，第1个圆环布有p1个圆孔，第2个圆环布有p2个圆孔，……，第m个圆环均有pm个圆孔；夹持段(3)的引压管路Ⅲ与过渡段(2)引压管路Ⅱ的圆形管路平滑过渡，夹持段(3)前端截面和后端截面与过渡段(2)后端截面相同，也包括绕中心点从内至外分布的m个圆环。
2.根据权利要求1所述的基于虚拟孔排的多点测量气动探针，其特征在于，所述的位移机构至少集成了转动自由度和一个方向移动自由度两个自由度。
3.根据权利要求1所述的基于虚拟孔排的多点测量气动探针，其特征在于，所述的多点测量气动探针采用增材制造方法加工，材料为不锈钢。
4.根据权利要求1所述的基于虚拟孔排的多点测量气动探针，其特征在于，所述的多点测量气动探针测量段(1)的表面进行喷砂和抛光处理，表面粗糙度满足测量需求。
5.根据权利要求1所述的基于虚拟孔排的多点测量气动探针，其特征在于，所述的测量段(1)测压孔分别位于1条平行于测量段(1)中心轴线的表面直线上。
6.根据权利要求1所述的基于虚拟孔排的多点测量气动探针，其特征在于，所述的测量段(1)的后端设置有与前端对称的过渡段(2)和夹持段(3)。
7.一种基于虚拟孔排的多点测量气动探针的应用，应用于权利要求1～6任意一项所述的 一种基于虚拟孔排的多点测量气动探针，其特征在于，所述的基于虚拟孔排的多点测量气动探针用于暂冲式平面叶栅风洞叶栅出口截面的气动参数测量。
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