CN115046614A - 一种进气道试验低压空气文丘里流量计实况校准方法 - Google Patents

一种进气道试验低压空气文丘里流量计实况校准方法 Download PDF

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刘景飞
滕鹏
刘郡郡
周志坚
王飞
郑然瞬
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杜希奇
唐滨滨
宋彦霆
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Abstract

本发明公开了一种进气道试验低压空气文丘里流量计实况校准方法，基于流体连续性原理，将已标定的高压空气流量计与待标定的低压空气流量计串联组建一维供/抽气校准系统，在高/低压流量计测量截面布置适当数量的压力和温度测点。流量校准时，通过高/低压调节阀分别控制来实现低压流量计喷嘴实况雷诺数和马赫数的模拟，待校准系统流场稳定后，对高/低压流量计的压力/温度采集并处理，获得低压流量计喷嘴流出系数、雷诺数和马赫数。基于喷嘴流出系数和雷诺数，通过最小二乘拟合构建两者数学关系式，直接应用于试验中对低压流量计流量进行修正。本发明提高了喷嘴流出系数的准确性。

Description

一种进气道试验低压空气文丘里流量计实况校准方法
技术领域
本发明涉及一种进气道试验低压空气文丘里流量计实况校准方法。
背景技术
在进气道风洞试验时，进气道进气流量是一个非常重要的测量参数，进气道的所有性能参数均要绘制随进气流量变化关系曲线，如果测量不准将会导致曲线发生平移，尤其在大流量曲线斜率较大时，很小的平移量就会使性能曲线与共同工作线交点发生显著变化，严重影响匹配点性能参数的准确提取，进而影响进/发相容性的准确评估，准确测量进气流量极为关键。
目前进气道风洞试验，使用的是一种非标低压空气文丘里流量计，喷嘴没有进行过实流标定，根据试验测量流量范围不同，匹配不同尺寸的高精度加工喷嘴，使喷嘴尽量在较高马赫数范围内工作以提高测量的准确性，但实际上并不能保证流量测量的准确，与准确值相差1-3％，有必要开展实流校准，校准获得喷嘴流出系数对流量修正的本质是对喷嘴喉道有效流通面积的修正，然而，对于给定的喷嘴，雷诺数将影响喷嘴喉道径向附面层厚度，马赫数将影响喷嘴喉道径向射流死水区高度，两者耦合进而影响有效流通面积，即影响了喷嘴流出系数的准确性。
发明内容
为解决上述问题。本发明设计了一种进气道试验低压空气文丘里流量计实况校准方法，采用实际工况各流量下马赫数与雷诺数同时模拟校准，避免了大量的网格校准工作，减小了校准量，适用于工作压力小于1Bar，喷嘴工作马赫数小于或等于1的低压空气文丘里流量计的标定。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下：一种进气道试验低压空气文丘里流量计实况校准方法，步骤如下：
(1)一维供/抽气流量校准系统构建：依次将高压气源、降压稳压阀、高压稳压罐、高压数字调节阀、高压流量计、稳压段、低压流量计、低压调节阀、低压稳压罐、真空气源串联组建成一维供/抽气校准系统；所述的高压流量计为已标定的高压空气临界文丘里流量计，所述的低压流量计为待标定的低压空气亚临界文丘里流量计；
(2)系统压力/温度测点布置：在高压流量计喷嘴上游稳定段选一气流均匀稳定截面按周向错开布置总压测点P01和总温测点T01，在高压流量计喷嘴下游选一气流均匀稳定截面布置静压测点P2；在低压流量计喷嘴上游稳定段选一气流均匀稳定截面按周向错开布置总压测点P03和总温测点T03，在低压流量计喷嘴喉道等直段选一气流均匀稳定截面布置静压测点P3；
(3)流量计实况校准的模拟：以低压流量计喷嘴实际使用工况各质量流量下雷诺数和马赫数为模拟相似参数，流量校准过程中，实时采集、处理并显示高压流量计喷嘴背压比、低压流量计喷嘴雷诺数及其马赫数；在每个流量下，首先通过上游高压数字阀的调节以实现低压流量计喷嘴雷诺数的模拟，监控高压流量计喷嘴背压比，确保高压流量计喷嘴处于临界或超临界工作状态，基于超音速气流下游扰动不能前传的原理，然后通过下游低压调节阀的调节以实现低压流量计喷嘴马赫数的模拟；
(4)喷嘴流出系数的获取：在每个流量下，待校准系统流场稳定后，对高/低压流量计的压力/温度进行测量并存储，通过数据处理，获得各个流量下低压流量计喷嘴流出系数随雷诺数和马赫数变化关系；
(5)基于校准获得的喷嘴流出系数随雷诺数变化关系，采用最小二乘方法拟合出两者多项式关系式，应用于试验中，对低压流量计流量进行修正。
进一步的，步骤(3)中，将P01和T01定义为高压流量计喷嘴喉道截面的气动参数；把P2定义为高压流量计喷嘴后选用截面的气动参数；按照等熵假设把P03、T03和P3定义为低压流量计喷嘴喉道等直段选用截面的气动参数，得到低压流量计喷嘴雷诺数及其马赫数，公式如下：
Figure BDA0003646982730000021
Figure BDA0003646982730000022
Figure BDA0003646982730000023
Figure BDA0003646982730000024
q(M3)＝1.728M3(1+0.2M3 2)-3 (5)
Figure BDA0003646982730000031
式中πab为高压流量计喷嘴背压比；Re3为以低压流量计喷嘴直径为参考的雷诺数；m3为低压流量计质量流量；d3为低压流量计喷嘴直径；μ3为气流动力粘性系数；C为常数0.04042；q(M3)为低压流量计喷嘴流量函数；M3为低压流量计喷嘴马赫数。
进一步的，步骤(4)再经过如下公式(7)-(8)获得各个流量下低压流量计喷嘴流出系数随雷诺数和马赫数变化关系，
Figure BDA0003646982730000032
Figure BDA0003646982730000033
式中m1为高压流量计质量流量；Cd高压流量计喷嘴流出系数；C*为高压流量计喷嘴临界流函数；d1为高压流量计喷嘴直径；R＝287.04，K为低压流量计喷嘴流出系数。
进一步的，步骤(5)，校准模拟了低压流量计喷嘴工作时实际工况雷诺数与马赫数关系，见公式(9)，采用校准获得的低压流量计喷嘴流出系数随雷诺数和马赫数变化关系，见公式(10)，将公式(9)代入公式(10),使流出系数转化为雷诺数的一元函数，采用最小二乘方法拟合出两者多项式关系式，见公式(11),直接应用于试验中对低压流量计流量进行修正，
M3＝f(Re3) (9)
K＝g(Re3,M3)＝g(Re3,f(Re3))＝h(Re3) (10)
Figure BDA0003646982730000034
式中f为低压流量计喷嘴实况马赫数随雷诺数变化关系函数；g为低压流量计喷嘴流出系数随雷诺数和马赫数变化关系函数；h为低压流量计喷嘴流出系数随雷诺数变化关系函数；hi为低压流量计喷嘴流出系数与雷诺数最小二乘拟合得到的多项式系数。
本发明的有益效果及优点：本发明将高/低压流量计总压和总温的周向错开布置，有效降低了测量探头的相互干扰；通过对高/低压流量计压力/温度进行实时采集计算显示高压流量计喷嘴前后压比、低压流量计喷嘴雷诺数和马赫数，实现了雷诺数和马赫数的可视化，给两者的直接控制带来了极大的便利；对高/低压阀门分别调节过程中，确保高压流量计文丘里喷嘴处于临界或超临界工作状态，基于超音速气流下游扰动不能前传的原理，实现了雷诺数与马赫数的分别控制模拟；在高/低压流量计前、中、后设置稳压装置，使得系统压力易于调节且更稳定，系统由于压力波动引起的流量波动优于0.0005；本发明考虑了雷诺数和马赫数对喷嘴流出系数的耦合影响，采用实况雷诺数和马赫数为模拟相似参数，使校准系数更准确，与不模拟校准相比流量准度提高约0.01，因此，本发明提高了喷嘴流出系数的准确性；采用实际工况各流量下马赫数与雷诺数同时模拟校准，避免了大量的网格校准工作，减小了校准量，同时也简化了校准后校准系数的使用，将二元函数简化为一元函数问题，采用雷诺数与喷嘴流出系数拟合公式直接应用即可。
附图说明：
图1为本发明系统原理图；
图2为本发明系统高压流量计压力/温度测点布置示意图；
图3为本发明系统低压流量计压力/温度测点布置示意图。
1、高压气源，2、降压稳压阀，3、高压稳压罐，4、高压数字调节阀，5、高压流量计，6、稳压段，7、低压流量计，8、低压调节阀，9、低压稳压罐，10、真空气源；5-1、高压流量计气体流入端口,5-2、高压流量计气体流出端口,5-3、高压流量计稳定段,5-4、高压流量计喷嘴,5-5、喷嘴前稳定段总压/总温测量截面，5-6、喷嘴喉道截面(1截面)，5-7、喷嘴后总压测量截面(2截面)、5-8、总压P01探头，5-9、总温T01探头，5-10、总压P02探头；7-1、低压流量计气体流入端口，7-2、低压流量计气体流出端口，7-3、低压流量计稳定段，7-4、低压流量计喷嘴，7-5、喷嘴前稳定段总压/总温测量截面，7-6、喷嘴等直段静压测量截面(3截面)，7-7、总压P03探头，7-8、总温T03探头，7-9、静压P3测点；
具体实施方式：
下面根据说明书附图举例对本发明做进一步的说明：
实施例1
一种进气道试验低压空气文丘里流量计实况校准方法，包含以下步骤：
(1)如图1-3所示，基于流体连续性原理，按照气流流动方向，依次将高压气源、降压稳压阀、高压稳压罐、高压数字调节阀、高压流量计、稳压段、低压流量计、低压调节阀、低压稳压罐、真空气源等串联组建成一维供/抽气校准系统；所述的高压流量计为已标定的高压空气临界文丘里流量计，所述的低压流量计为待标定的低压空气亚临界文丘里流量计。
(2)在高压流量计喷嘴上游稳定段选一气流均匀稳定截面按周向错开布置总压测点P01和总温测点T01，在高压流量计喷嘴下游选一气流均匀稳定截面布置静压测点P2；在低压流量计喷嘴上游稳定段选一气流均匀稳定截面按周向错开布置总压测点P03和总温测点T03，在低压流量计喷嘴喉道等直段选一气流均匀稳定截面布置静压测点P3。把P01和T01定义为高压流量计喷嘴喉道截面(即第1截面)的气动参数；把P2定义为高压流量计喷嘴后选用截面(即第2截面)的气动参数；按照等熵假设把P03、T03和P3定义为低压流量计喷嘴喉道等直段选用截面(即第3截面)的气动参数。
(3)流量计实况校准的模拟，可以分为以下几个步骤：
(3.1)以低压流量计喷嘴工作时实际工况各质量流量下雷诺数和马赫数为模拟相似参数。
(3.2)流量校准过程中，实时采集、处理并显示高压流量计喷嘴背压比，低压流量计喷嘴雷诺数及马赫数，处理公式如下：
Figure BDA0003646982730000051
Figure BDA0003646982730000052
Figure BDA0003646982730000053
Figure BDA0003646982730000061
q(M3)＝1.728M3(1+0.2M3 2)-3 (5)
Figure BDA0003646982730000062
式中πab为高压流量计喷嘴背压比；Re3为以低压流量计喷嘴直径为参考的雷诺数；m3为低压流量计质量流量；d3为低压流量计喷嘴直径；μ3为气流动力粘性系数；C为常数0.04042；q(M3)为低压流量计喷嘴流量函数；M3为低压流量计喷嘴马赫数。
(3.3)在每个流量下，首先通过上游高压数字阀的调节以实现低压流量计喷嘴雷诺数的模拟，监控高压流量计喷嘴前后压比，确保高压流量计喷嘴处于临界或超临界工作状态，基于超音速气流下游扰动不能前传的原理，然后通过下游低压调节阀的调节以实现低压流量计喷嘴马赫数的模拟。
(4)在每个流量下，待校准系统流场稳定后，对高/低压流量计的压力/温度进行测量并存储，通过公式(1)-(8)进行数据处理，获得各个流量下低压流量计喷嘴流出系数随雷诺数和马赫数变化关系。
Figure BDA0003646982730000063
Figure BDA0003646982730000064
式中m1为高压流量计质量流量；Cd高压流量计喷嘴流出系数；C*为高压流量计喷嘴临界流函数；d1为高压流量计喷嘴直径；R为气体常数287.04，K为低压流量计喷嘴流出系数。
(5)鉴于校准时，实况模拟了低压流量计喷嘴工作时雷诺数与马赫数关系，见公式(9)，可采用校准获得的喷嘴流出系数随雷诺数和马赫数变化关系，见公式(10)，将公式(9)代入公式(10),使流出系数转化为雷诺数的一元函数，采用最小二乘方法拟合出两者多项式关系式，见公式(11),可直接应用于试验中对低压流量计流量进行修正。
M3＝f(Re3) (9)
K＝g(Re3,M3)＝g(Re3,f(Re3))＝h(Re3) (10)
Figure BDA0003646982730000071
式中f为低压流量计喷嘴实况马赫数随雷诺数变化关系函数；g为低压流量计喷嘴流出系数随雷诺数和马赫数变化关系函数；h为低压流量计喷嘴流出系数随雷诺数变化关系函数；hi为低压流量计喷嘴流出系数与雷诺数最小二乘拟合得到的多项式系数。

Claims (4)

1.一种进气道试验低压空气文丘里流量计实况校准方法，其特征在于，方法步骤如下：
(1)一维供/抽气流量校准系统构建：依次将高压气源、降压稳压阀、高压稳压罐、高压数字调节阀、高压流量计、稳压段、低压流量计、低压调节阀、低压稳压罐、真空气源串联组建成一维供/抽气校准系统；所述的高压流量计为已标定的高压空气临界文丘里流量计，所述的低压流量计为待标定的低压空气亚临界文丘里流量计；
(2)系统压力/温度测点布置：在高压流量计喷嘴上游稳定段选一气流均匀稳定截面按周向错开布置总压测点P01和总温测点T01，在高压流量计喷嘴下游选一气流均匀稳定截面布置静压测点P2；在低压流量计喷嘴上游稳定段选一气流均匀稳定截面按周向错开布置总压测点P03和总温测点T03，在低压流量计喷嘴喉道等直段选一气流均匀稳定截面布置静压测点P3；
(3)流量计实况校准的模拟：以低压流量计喷嘴实际使用工况各质量流量下雷诺数和马赫数为模拟相似参数，流量校准过程中，实时采集、处理并显示高压流量计喷嘴背压比、低压流量计喷嘴雷诺数及其马赫数；在每个流量下，首先通过上游高压数字阀的调节以实现低压流量计喷嘴雷诺数的模拟，监控高压流量计喷嘴背压比，确保高压流量计喷嘴处于临界或超临界工作状态，基于超音速气流下游扰动不能前传的原理，然后通过下游低压调节阀的调节以实现低压流量计喷嘴马赫数的模拟；
(4)喷嘴流出系数的获取：在每个流量下，待校准系统流场稳定后，对高/低压流量计的压力/温度进行测量并存储，通过数据处理，获得各个流量下低压流量计喷嘴流出系数随雷诺数和马赫数变化关系；
(5)基于校准获得的喷嘴流出系数随雷诺数变化关系，采用最小二乘方法拟合出两者多项式关系式，应用于试验中，对低压流量计流量进行修正。
2.根据权利要求1所述的一种进气道试验低压空气文丘里流量计实况校准方法，其特征在于，步骤(3)中，将P01和T01定义为高压流量计喷嘴喉道截面的气动参数；把P2定义为高压流量计喷嘴后选用截面的气动参数；按照等熵假设把P03、T03和P3定义为低压流量计喷嘴喉道等直段选用截面的气动参数，得到低压流量计喷嘴雷诺数及其马赫数，公式如下：
Figure FDA0003646982720000021
Figure FDA0003646982720000022
Figure FDA0003646982720000023
Figure FDA0003646982720000024
q(M3)＝1.728M3(1+0.2M3 2)-3 (5)
Figure FDA0003646982720000025
式中πab为高压流量计喷嘴背压比；Re3为以低压流量计喷嘴直径为参考的雷诺数；m3为低压流量计质量流量；d3为低压流量计喷嘴直径；μ3为气流动力粘性系数；C为常数0.04042；q(M3)为低压流量计喷嘴流量函数；M3为低压流量计喷嘴马赫数。
3.根据权利要求2所述的一种进气道试验低压空气文丘里流量计实况校准方法，其特征在于，步骤(4)再经过如下公式(7)-(8)获得各个流量下低压流量计喷嘴流出系数随雷诺数和马赫数变化关系，
Figure FDA0003646982720000026
Figure FDA0003646982720000027
式中m1为高压流量计质量流量；Cd高压流量计喷嘴流出系数；C*为高压流量计喷嘴临界流函数；d1为高压流量计喷嘴直径；R＝287.04，K为低压流量计喷嘴流出系数。
4.根据权利要求3所述的一种进气道试验低压空气文丘里流量计实况校准方法，其特征在于，步骤(5)，校准模拟了低压流量计喷嘴工作时实际工况雷诺数与马赫数关系，见公式(9)，采用校准获得的低压流量计喷嘴流出系数随雷诺数和马赫数变化关系，见公式(10)，将公式(9)代入公式(10),使流出系数转化为雷诺数的一元函数，采用最小二乘方法拟合出两者多项式关系式，见公式(11),直接应用于试验中对低压流量计流量进行修正，
M3＝f(Re3) (9)
K＝g(Re3,M3)＝g(Re3,f(Re3))＝h(Re3) (10)
Figure FDA0003646982720000031
式中f为低压流量计喷嘴实况马赫数随雷诺数变化关系函数；g为低压流量计喷嘴流出系数随雷诺数和马赫数变化关系函数；h为低压流量计喷嘴流出系数随雷诺数变化关系函数；hi为低压流量计喷嘴流出系数与雷诺数最小二乘拟合得到的多项式系数。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN116222681A (zh) * 2023-05-06 2023-06-06 中国航空工业集团公司沈阳空气动力研究所 一种针对孔状或缝状流路的原位流量测量装置及方法

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