CN113418675B - 一种热线测量风洞流场扰动模态方法 - Google Patents

一种热线测量风洞流场扰动模态方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种热线测量风洞流场扰动模态方法，属于流场测试技术领域。本发明根据热丝工作电压的无量纲脉动值θ与热丝灵敏度系数无量纲值r之间的拟合关系曲线特征，判断流场扰动的四种模态：涡、熵、声学和混合模态。本发明的一种热线测量风洞流场扰动模态方法，探头安装简单易行，测量方法明确，可以准确测量流场的扰动模态，为流场扰动模态评估和流场品质优化提供依据。

Description

一种热线测量风洞流场扰动模态方法
技术领域
本发明属于流场测试技术领域，具体涉及一种热线测量风洞流场扰动模态方法。
背景技术
风洞流场在不同的流速、温度和洞体结构条件下，存在以下四种扰动模态：当扰动以温度脉动为主导时，称为熵模态；当扰动以速度脉动为主导时，称为涡模态；当扰动以静压脉动为主导时，称为声学模态；当无明显突出脉动量时，称为混合模态。测量风洞流场扰动模态，可以掌握风洞流场扰动的主导因素和流动机理，进而对风洞流场品质进行评估和针对性优化。
现有技术主要采用脉动压力传感器或者麦克风测量风洞静压脉动，采用总温探头测量风洞温度脉动，采用粒子图像测速法等技术测量亚声速流场涡量，但是，无统一方法同时测量以上四种风洞流场扰动模态，无法测量流场的主导脉动量和模态变化特征。
基于热线的风洞流场扰动模态测量方法，采用连续变热线风速仪(简称热线)过热比方法，测量获得流场扰动图，根据流场扰动图特征，可分析获得亚跨超声速流场的四种扰动模态、主导脉动量和模态变化特征，测量方法直观可靠。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种热线测量风洞流场扰动模态方法，探头安装时，使热丝垂直于来流方向，采用连续变热线过热比测量方法，获得热丝在连续变过热比下的输出电压值信号，根据这一组数据作出电压值与热丝灵敏度系数之间拟合曲线，根据拟合曲线特征确定流场的扰动模态。
本发明解决上述技术问题采用的技术方案：一种热线测量风洞流场扰动模态方法，该方法包括：
步骤1：将一维热线探头的热丝垂直于来流方向安装于流场核心流中；
步骤2：在流场中连续改变热丝过热比获得一组热线仪输出电压数据，热丝过热比a＝(Rw-R0)/Rw，其中，Rw为热线在流场中加热时的工作电阻，R0为热线在流场中的非工作电阻；
步骤3：根据公式1获得热丝工作电压的无量纲脉动值θ与热丝灵敏度系数无量纲值r之间的拟合关系曲线，横坐标值为r，纵坐标值为θ；
Figure BDA0003199589620000011
其中，
Figure BDA0003199589620000021
r＝FCTA/GCTA
Figure BDA0003199589620000022
Figure BDA0003199589620000023
Figure BDA0003199589620000024
式中，e′是热线过热比下的工作电压值均方根偏差；
Figure BDA0003199589620000025
是热线过热比下的工作电压均值；T′是流场总温脉动均方根偏差；
Figure BDA0003199589620000026
是流场总温脉动均值；
Figure BDA0003199589620000027
是流场总温脉动值；ρ是流场密度，ρ′是流场密度均方根偏差，
Figure BDA0003199589620000028
是流场密度均值；u是流场速度，u′是流场速度均方根偏差，
Figure BDA0003199589620000029
是流场速度均值；
Figure BDA00031995896200000210
是流场质量流脉动值；aw是热丝过热比；A和B是热线校准常系数；a*是热丝的电阻温度系数；R*是热丝参考电阻值；η是热丝恢复系数；Re是热丝未通电加热时在流场中的电阻；Re是流场雷诺数；T0是气流总温；k是热线变过热比函数
Figure BDA00031995896200000211
的斜率；
步骤4：根据θ与r的拟合曲线特征，判断流场扰动模态；
当扰动图中的拟合曲线具备以下特征时，判定流场扰动为熵模态，如图1所示：拟合曲线为直线，直线与横坐标相交于-α点附近；
Figure BDA00031995896200000212
式中，γ是比热比，M是马赫数；
当扰动图中的拟合曲线具备以下特征时，判定流场扰动为涡模态，如图2所示：拟合曲线为V型折线，折线与横坐标相交于β点附近；
Figure BDA0003199589620000031
当扰动图中的拟合曲线具备以下特征时，判定流场扰动为声学模态，如图3所示：拟合曲线为直线，斜率为正，斜线与纵坐标交点在坐标系原点附近并为正值，或者斜线与纵坐标相交时穿过坐标原点。
当扰动图中的拟合曲线具备以下特征时，判定流场扰动为混合模态，如图4所示：拟合曲线为双曲线。
本发明的有益效果：
本发明的一种热线测量风洞流场扰动模态方法，探头安装简单易行，测量方法明确，可以有效解决流场扰动模态测量问题，为流场扰动模态评估和流场品质优化提供依据。
本发明为开展热线测试技术在流场扰动模态测量中的应用提供了设计参考。
附图说明
图1流场熵模态示意图；
图2流场涡模态示意图；
图3流场声学模态示意图；
图4流场混合模态示意图；
图5流场熵模态实测图；
图6流场涡模态实测图；
图7流场声学模态实测图；
图8流场混合模态实测图。
具体实施方式
图5是流场熵模态实测图，图6是流场涡模态实测图，图7是流场声学模态实测图，图8是流场混合模态实测图。
案例1：在某低温风洞，流场速度为马赫数0.5，总温为110K，测量过程中按照0.7、0.8、0.9、1.0、1.2、1.4、1.6、1.8过热比采集8组过热比数据，根据公式1拟合出横坐标值为r，纵坐标值为θ的脉动特征曲线图。测量获得图5所示的流场熵模态图，该图为拟合曲线为直线，直线与横坐标相交于-α点附近，流场扰动为温度脉动主导。为提高流场质量，重点对流场温度均匀性进行优化。
案例2：在某跨声速风洞试验段，流场速度为马赫数0.8，测量过程中按照0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8过热比采集8组过热比数据，根据公式1拟合出横坐标值为r，纵坐标值为θ的脉动特征曲线图。测量获得图6所示的流场涡模态图，该图为典型V折线，可判断流场扰动为速度脉动主导。为提高流场质量，重点抑制涡扰动，对试验段入口整流装置进行优化，抑制流动分离涡形成。
案例3：在某低速低湍流开口风洞，流场速度为80米/秒，测量过程中按照0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8过热比采集8组过热比数据，根据公式1拟合出横坐标值为r，纵坐标值为θ的脉动特征曲线图。测量获得图7所示的流场声学模态图，该图为接近原点的直线，可判断流场速度脉动很低，扰动为静压脉动主导。为提高流场质量，重点抑制低频压力脉动，采用导流片对风洞喷口整流方式进行优化。
案例4：在某跨声速风洞，流场速度为马赫数0.7，测量过程中按照0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8过热比采集8组过热比数据，根据公式1拟合出横坐标值为r，纵坐标值为θ的脉动特征曲线图。测量获得图8所示的流场混合模态图，该图的拟合曲线为双曲线，流场扰动无突出脉动量，流场有两种以上量级相当的扰动量。为提高流场质量，需同时考虑抑制流场的流动分离、静压脉动及两者的耦合。

Claims (1)

1.一种热线测量风洞流场扰动模态方法，该方法包括：
步骤1：将一维热线探头的热丝垂直于来流方向安装于流场核心流中；
步骤2：在流场中连续改变热丝过热比获得一组热线仪输出电压数据，热丝过热比a＝(Rw-R0)/Rw，其中，Rw为热线在流场中加热时的工作电阻，R0为热线在流场中的非工作电阻；
步骤3：根据公式1获得热丝工作电压的无量纲脉动值θ与热丝灵敏度系数无量纲值r之间的拟合关系曲线，横坐标值为r，纵坐标值为θ；
Figure FDA0003199589610000011
其中，
Figure FDA0003199589610000012
r＝FCTA/GCTA
Figure FDA0003199589610000013
Figure FDA0003199589610000014
Figure FDA0003199589610000015
式中，e′是热线过热比下的工作电压值均方根偏差；
Figure FDA0003199589610000016
是热线过热比下的工作电压均值；T′是流场总温脉动均方根偏差；
Figure FDA0003199589610000017
是流场总温脉动均值；
Figure FDA0003199589610000018
是流场总温脉动值；ρ是流场密度，ρ′是流场密度均方根偏差，
Figure FDA0003199589610000019
是流场密度均值；u是流场速度，u′是流场速度均方根偏差，
Figure FDA00031995896100000110
是流场速度均值；
Figure FDA00031995896100000111
是流场质量流脉动值；aw是热丝过热比；A和B是热线校准常系数；a*是热丝的电阻温度系数；R*是热丝参考电阻值；η是热丝恢复系数；Re是热丝未通电加热时在流场中的电阻；Re是流场雷诺数；T0是气流总温；k是热线变过热比函数
Figure FDA0003199589610000021
的斜率；
步骤4：根据θ与r的拟合曲线特征，判断流场扰动模态；
当扰动图中的拟合曲线具备以下特征时，判定流场扰动为熵模态：拟合曲线为直线，直线与横坐标相交于-α点附近；
Figure FDA0003199589610000022
式中，γ是比热比，M是马赫数；
当扰动图中的拟合曲线具备以下特征时，判定流场扰动为涡模态：拟合曲线为V型折线，折线与横坐标相交于β点附近；
Figure FDA0003199589610000023
当扰动图中的拟合曲线具备以下特征时，判定流场扰动为声学模态：拟合曲线为直线，斜率为正，斜线与纵坐标交点在坐标系原点附近并为正值，或者斜线与纵坐标相交时穿过坐标原点；
当扰动图中的拟合曲线具备以下特征时，判定流场扰动为混合模态：拟合曲线为双曲线。
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