CN113405763B - 一种“3+4+5”米字耙流量计测点布置方法 - Google Patents

Abstract

本发明专利公开了一种“3+4+5“米字耙流量计测点布置方法，具体涉及实验空气动力学技术领域，包括如下步骤：进气道椭圆截面出口布置有米字耙流量计，每根垂直测量排架的3个四等分点上等间距布置3个总压测点，每根倾斜测量排架的4个五等分点上等间距布置4个总压测点，每根水平测量排架的5个六等分点上等间距布置5个总压测点；米字耙流量计的中心布置1个总压测点，测量排架的中心线与椭圆截面出口的交点处分别布置1个静压测点。采用本发明技术方案解决了现有的椭圆截面流量计测点布置方法会导致近壁面测点测量结果不准确、中心测点难以布置的问题，可用于进气道椭圆截面出口流量的精确测量。

Description

一种“3+4+5“米字耙流量计测点布置方法

技术领域

本发明涉及实验空气动力学技术领域，特别涉及一种“3+4+5“米字耙流量计测点布置方法。

背景技术

飞行器的进气道采用椭圆截面出口设计，可使飞行器结构紧致、设计灵活，同时可与前体及燃烧室容易一体化，因此在高超声速飞行器设计中使用越来越频繁。进气道的出口流量是与高超声速飞行器发动机匹配的重要指标，同时也是进气道设计校核、性能评估及数值计算方法检验的重要途径。

对于采用椭圆截面出口设计的进气道，其流量测量通常采用米字耙流量计，目前公开的米字耙流量计测点布置方法有两种：一是在进气道的出口处采用5×8测点等面积分布方法，将进气道出口椭圆截面分割成5×8个彼此互不重叠、互无间隙的区域单元，利用米字耙流量计在每个区域单元的面积中心布置总压测点；二是在进气道的出口处采用41测点等距分布，利用米字耙流量计的8个耙位将椭圆截面出口的面积八等分，8个耙位的中心交点布置1个皮托压测点，每个耙位上沿径向等距布置5个皮托压测点，米字耙流量计共设置41个皮托压测点。

上述两种测点布置方法主要存在以下不足之处：当进气道出口的椭圆截面尺度较小时:一是靠近壁面的测点易与壁面产生激波/边界层干扰，进而影响测量结果的准确性；二是椭圆截面短半轴布置的测压管容易发生气动干扰且易堵塞流道，特别是中心点的固定往往因几何干涉而难以加工与安装。

因此，米字耙流量计的测点布置是进气道椭圆截面出口流量测量的关键所在。

发明内容

本发明意在提供一种“3+4+5“米字耙流量计测点布置方法，解决了现有的测点布置方法会导致测量结果不准确、测点几何干涉、测点易于堵塞流道的问题。

为了达到上述目的，本发明的技术方案如下：一种“3+4+5“米字耙流量计测点布置方法，包括如下步骤：

S1、进气道椭圆截面出口布置有米字耙流量计，米字耙流量计上布置有与椭圆截面短半轴重合的2根垂直测量排架和与椭圆截面长半轴重合的2根水平测量排架，米字耙流量计上还布置有4根分别位于椭圆截面四个象限的倾斜测量排架；

S2、步骤S1的每根垂直测量排架的3个四等分点上等间距布置3个总压测点，每根倾斜测量排架的4个五等分点上等间距布置4个总压测点，每根水平测量排架的5个六等分点上等间距布置5个总压测点；

S3、步骤S1的每根垂直测量排架、倾斜测量排架和水平测量排架的相交处(即进气道椭圆截面出口的中心)布置有1个总压测点；

S4、步骤S1的每根垂直测量排架、倾斜测量排架和水平测量排架的中心线与进气道椭圆截面出口的交点处布置有1个静压测点。

进一步的，倾斜测量排架的中心线与进气道椭圆截面长半轴的夹角通过如下公式确定：

θ＝arctan(b/a)，0＜θ＜π/2。

进一步的，测点布置方法的数据处理方法包括如下步骤：

第一步、获得测点数据：

从米字耙流量计测量排架上获得32个测点的总压值，从米字耙流量计的中心测点获得1个总压值，从进气道的椭圆截面出口的静压测点获得8个壁面静压值；

第二步、对进气道的椭圆截面出口进行面积分割：

将椭圆截面出口的面积从周向和径向分割成40个面积相等、且互无间隔互不重叠的区域单元；

第三步、求各区域单元面积中心点的总压：

沿每根测量排架，插值得到该排架上等面积单元区域的面心处总压；

第四步、求各区域单元面积中心点的静压：

对8个壁面静压值进行算数平均得到米字耙流量计中心点的平均静压，由某根测量排架对应的壁面静压与中心点平均静压通过线性插值得到位于该测量排架上的各区域单元面积中心点的静压，从而求得40个区域单元面积中心点的静压；

第五步、求各区域单元上的流量：

根据40个区域单元面积中心点上的总压与静压，以及各区域单元的面积，计算出各区域单元面积中心点上的马赫数和流量气动函数，从而求得各区域单元面上的流量，各区域单元上的流量通过如下公式确定：

第六步，求椭圆出口截面的流量：

将40个区域单元面上的流量求和，从而得到椭圆出口截面的流量，椭圆出口截面的流量通过如下公式确定：

与现有技术相比，本方案的有益效果：

本方案根据进气道椭圆截面出口的尺寸对米字耙流量计测量排架上的总压测点合理布局，既可以避免流量计边缘测点与椭圆截面出口内壁面的激波边界层相互干扰问题，又可以避免测量排架上总压测点之间的气动干扰和几何干涉，为椭圆截面出口的流量计算和数据处理提供了科学依据。

附图说明

图1是本实施例中进气道椭圆截面出口处的测点分布图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式对本发明作进一步详细的说明：

说明书附图中的附图标记包括：水平测量排架1、垂直测量排架2、倾斜测量排架3。

实施例

本实施例中相关符号及术语的说明如下表：

如附图1所示：一种“3+4+5“米字耙流量计测点布置方法，包括如下步骤：

S1、进气道椭圆截面出口布置有米字耙流量计，米字耙流量计上布置有与椭圆截面短半轴重合的2根垂直测量排架2和与椭圆截面长半轴重合的2根水平测量排架1，米字耙流量计上还布置有4根分别位于椭圆截面四个象限的倾斜测量排架3。

其中，倾斜测量排架3的中心线与进气道椭圆截面长半轴的夹角通过如下公式确定：

θ＝arctan(b/a)，0＜θ＜π/2。

S2、步骤S1的每根垂直测量排架2的3个四等分点上等间距布置3个总压测点，每根倾斜测量排架3的4个五等分点上等间距布置4个总压测点，每根水平测量排架1的5个六等分点上等间距布置5个总压测点。

S3、步骤S1的每根垂直测量排架2、倾斜测量排架3和水平测量排架1的相交处(即进气道椭圆截面出口的中心)布置有1个总压测点。

S4、步骤S1的每根垂直测量排架2、倾斜测量排架3和水平测量排架1的中心线与椭圆截面出口的交点处布置有1个静压测点。

每根垂直测量排架2上分别等间距布置3个总压测点，其总压测点分别位于垂直测量排架2中心线的4等分点上，即总压测点之间的间距为b/4；每根倾斜测量排架3上分别等间距布置的4个总压测点，总压测点分别位于倾斜测量排架3中心线的5等分点上，即总压测点之间的间距为1/5；每根水平测量排架1上分别等间距布置有5个总压测点，总压测点分别位于水平测量排架1中心线的6等分点上，即总压测点之间的间距为a/6；进气道椭圆截面出口的中心布置有1个总压测点，共计33个总压测点。

米字耙流量计各测量排架的中心线与椭圆截面出口的内壁面交点处分别布置1个静压测点，共计8个静压测点。

本方案的数据处理方法包括如下步骤：

第一步、获得测点数据：

从米字耙流量计测量排架上获得32个测点的总压值，从米字耙流量计的中心测点获得1个总压值，从椭圆截面出口壁面的静压测点获得8个壁面静压值。

第二步、对进气道的椭圆截面出口进行面积分割：

将椭圆截面出口的面积从周向和径向分割成40个面积相等、且互无间隔互不重叠的区域单元。

第三步、求各区域单元面积中心点的总压：

沿每根测量排架，插值得到该排架上等面积单元区域的面心处总压。

插值方法：使用Akima或其他插值方法；每根测量排架所在径向均有5～7个总压值(即两根水平测量排架1上各有5个总压测点值、米字耙流量计中心的1个总压测点值、1个壁面总压值(即壁面静压测点值)，共7个测点值；同理可知，两根垂直测量排架2上各有3个总压测点值、米字耙流量计中心的1个总压测点值、1个壁面总压值(即壁面静压测点值)，共5个测点值；四根倾斜测量排架3上各有4个总压测点值、米字耙流量计中心的1个总压测点值、1个壁面总压值(即壁面静压测点值)，共6个测点值)，对每一根测量排架的总压值进行插值，可以得到该排架上5个按等环面积分布的区域单元面积中心的总压值，从而求得40个单元面积中心上的总压。

第四步、求各区域单元面积中心点的静压：

对8个壁面测点的静压值进行算数平均得到米字耙流量计中心点的平均静压，由某根测量排架对应的壁面静压与中心点平均静压通过线性插值得到位于该测量排架上的各区域单元面积中心点的静压，从而求得40个区域单元面积中心点的静压。

第五步、求各区域单元上的流量：

根据40个区域单元面积中心点上的总压与静压，以及各区域单元的面积，计算出各区域单元面积中心点上的马赫数和流量气动函数，从而求得各区域单元面上的流量，各区域单元上的流量通过如下公式确定：

第六步，求椭圆出口截面的流量：

将40个区域单元面上的流量求和，从而得到椭圆出口截面的流量，椭圆出口截面的流量通过如下公式确定：

以上的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体结构和/或特性等常识在此未作过多描述。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。

Claims (3)

1.一种“3+4+5“米字耙流量计测点布置方法，其特征在于：包括如下步骤：

S1、进气道椭圆截面出口布置有米字耙流量计，米字耙流量计上布置有与椭圆截面短半轴重合的2根垂直测量排架和与椭圆截面长半轴重合的2根水平测量排架，米字耙流量计上还布置有4根分别位于椭圆截面四个象限的倾斜测量排架；

S2、步骤S1的每根垂直测量排架的3个四等分点上等间距布置3个总压测点，每根倾斜测量排架的4个五等分点上等间距布置4个总压测点，每根水平测量排架的5个六等分点上等间距布置5个总压测点；

S3、步骤S1的每根垂直测量排架、倾斜测量排架和水平测量排架的相交处布置有1个总压测点，其中相交处即进气道椭圆截面出口的中心；

S4、步骤S1的每根垂直测量排架、倾斜测量排架和水平测量排架的中心线与进气道椭圆截面出口的交点处布置有1个静压测点。

2.根据权利要求1所述的一种“3+4+5“米字耙流量计测点布置方法，其特征在于：所述倾斜测量排架的中心线与进气道椭圆截面长半轴的夹角通过如下公式确定:

其中，a为进气道出口截面椭圆长半轴的长度，b为进气道出口截面椭圆短半轴的长度。

3.根据权利要求1～2中任意一项所述的一种“3+4+5“米字耙流量计测点布置方法，其特征在于：所述测点布置方法的数据处理方法包括如下步骤：

第一步、获得测点数据：

从米字耙流量计测量排架上获得32个测点的总压值，从米字耙流量计的中心测点获得1个总压值，从进气道的椭圆截面出口的静压测点获得8个壁面静压值；

第二步、对进气道的椭圆截面出口进行面积分割：

将椭圆截面出口的面积从周向和径向分割成40个面积相等、且互无间隔互不重叠的区域单元；

第三步、求各区域单元面积中心点的总压：

沿每根测量排架，插值得到该排架上等面积单元区域的面心处总压；

第四步、求各区域单元面积中心点的静压：

对8个壁面静压值进行算数平均得到米字耙流量计中心点的平均静压，由某根测量排架对应的壁面静压与中心点平均静压通过线性插值得到位于该测量排架上的各区域单元面积中心点的静压，从而求得40个区域单元面积中心点的静压；

第五步、求各区域单元上的流量：

根据40个区域单元面积中心点上的总压与静压，以及各区域单元的面积，计算出各区域单元面积中心点上的马赫数和流量气动函数，从而求得各区域单元面上的流量，各区域单元上的流量通过如下公式确定：

其中，P_i*为第i个区域单元面积中心点的总压，T*为流场的总温，K为流量公式中与气体比热比相关的常系数，

为第i个区域单元的流量，

为椭圆出口截面的流量,q_i(M_a)为第i个区域单元面积中心对应的空气动力学流量函数；

第六步，求椭圆出口截面的流量：

将40个区域单元面上的流量求和，从而得到椭圆出口截面的流量，椭圆出口截面的流量通过如下公式确定：

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