CN115493794A - 基于水滴型线改进的探针杆体及探针 - Google Patents

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王宇
于雪
刘富多
张文渔
宋智宏
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Abstract

本发明涉及气动性能风洞试验技术领域，具体为一种基于水滴型线改进的探针杆体及探针，其包括固定部及与所述固定部连接的杆体，其中固定部用于与待安装位置连接；所述杆体具有相背设置、且光滑过渡的第一侧部及第二侧部，所述第一侧部的垂直于所述杆体的长度方向的截面为半圆形，所述第二侧部由所述第一侧部的最大宽度位置向背离所述第一侧部的方向收缩，所述第一侧部背离所述第二侧部的一侧设有一个以上的探针固定部。本发明对探杆的外形进行改进，通过抑制附面层的分离达到减少尾迹区的效果，进而达到降低探针对发动机内部气流的影响。

Description

基于水滴型线改进的探针杆体及探针
技术领域
本发明涉及气动性能风洞试验技术领域，具体为一种基于水滴型线改进的探针杆体及探针。
背景技术
随着气动性能风洞试验技术的不断发展，用于流场测控的工具也不断更新迭代，现行的测量流场的仪器主要有LDV、PIV、热线风速仪、气动探针等。其中，多孔气动探针是测量流场的较为常用的工具，其可以测量得到流场的压力、速度、气流角等流场参数的分布情况，除此之外，还具有低成本、方便使用、结构紧凑、测量角度精度高和测量原理简单等优点。多孔气动探针按功能可分为总、静压、温度探针以及方向探针，其中方向探针可分为三孔、五孔、七孔、十四孔等多孔探针，其中三孔探针只能用于测量一个平面的流场，五孔、七孔以及十四孔可以测量三维流场。
多孔气动探针应用广泛，通常布置在航空发动机内部，具体是将其加装在进气道、压气机过渡段以及压气机级间动叶与静叶中，这就会导致原本正常流动的气流会经过一个绕流才能到达探针后面的地方。整个过程类似在水流中放一颗石头，则水流会在石头两侧产生绕流，如果水流比较平稳可以看到石头后面交替出现的漩涡。在空气中也是如此，当气流在流动时需要绕流一个物体，或多或少都会在该物体的背后出现不稳定的流动区域，因此在流场中布设的多孔气动探针则会改变流场的压力分布。
针对多孔气动探针对流场的影响较大的问题，当其加装在发动机进气道时，可通过拉大多孔气动探针与风扇叶片之间距离的方式，以减小探针对流场的影响。但是当探针加装在压气机级之间时，通常没有足够的距离来消除探针对流场的影响。
发明内容
鉴于现有技术的缺陷，本发明提供了一种基于水滴型线改进的探针杆体及探针，其对探杆的外形进行改进，通过抑制附面层的分离达到减少尾迹区的效果，进而达到降低探针对发动机内部气流的影响。
为了达到上述目的，本发明提供的技术方案为一种基于水滴型线改进的探针杆体，其包括固定部及与所述固定部连接的杆体，其中固定部用于与待安装位置连接；所述杆体具有相背设置、且光滑过渡的第一侧部及第二侧部，所述第一侧部的垂直于所述杆体的长度方向的截面为半圆形，所述第二侧部由所述第一侧部的最大宽度位置向背离所述第一侧部的方向收缩，所述第一侧部背离所述第二侧部的一侧设有一个以上的探针固定部。
进一步的，所述第二侧部的垂直于所述杆体的长度方向的截面由所述最大宽度位置收缩至一点。
优选的，所述第二侧部的截面边界的流线方程为
y＝0.0151*x3-0.1145*x2-0.3739*x+0.0765。
进一步的，所述探针固定部设置三个以上，且等间距设置。
进一步的，所述固定部包括固定于所述杆体长度方向的一端的安装座。
进一步的，所述安装座垂直于所述杆体的长度方向设置。
另一方面，本发明提供的技术方案为一种基于水滴型线改进的探针，包括如上述任一项的探针杆体及一个以上的固定于所述探针固定部的多孔探针。
本发明的有益效果：本发明中的探针杆体通过设置具有第一侧部及第二侧部的杆体，以形成水滴型探杆，并通过将第二侧部设置为由第一侧部的最大宽度位置向背离第一侧部的方向收缩的形式，以减小杆体对流场的扰动，而且水滴型探杆有着较好的流线性，气流在其两边达到最大速度，由于气动性能的考虑气流还会沿着探杆的壁面继续流动，不会出现附面层分离，也就是不会出现大量的漩涡流动区域，对探杆后面的流场所扰动的区域大大减少，对气流总压的损耗只有气体的黏性作用所造成。除此之外，由于气流没有分离，在探杆的前后所存在的压差阻力会比圆形探杆的压差阻力小很多，因此水滴型探杆的气动性能与抗压性能都有所提高。
附图说明
图1为本发明一实施例中基于水滴型线改进的探针的结构示意图；
图2为本发明一实施例中基于水滴型线改进的探针杆体在流场中的压力分布示意图；
图3为本发明一实施例中基于水滴型线改进的探针杆体在流场中产生的尾迹示意图；
图4为图3中I部分的局部放大图；
图5为具有圆形探杆的探针的结构示意图；
图6为圆形探杆在流场中的压力分布示意图；
图7为圆形探杆在流场中产生的尾迹示意图；
图8为图7中II部分的局部放大图；
图9为两种探杆的尾迹(总压)示意图。
图中：
10、基于水滴型线改进的探针杆体，
100、固定部，110、安装座，
200、杆体，210、第一侧部，220、第二侧部，230、探针固定部，240、多孔探针，
20、圆形探杆，
a、驻点，b、负压区，c、分离点。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
参见图1，示出了一种基于水滴型线改进的探针杆体10的结构示意图，其包括固定部100及杆体200，固定部100与杆体200固定为一体。其中固定部100用于与待安装位置连接，例如将固定部100固定于发动机进气道的内壁，以保证探针杆体位于所需的测量场域。杆体200具有相背设置、且光滑过渡的第一侧部210及第二侧部220，第一侧部210及第二侧部220可采用注塑等方式一体成型。第一侧部210的垂直于杆体200长度方向的截面为半圆形，第二侧部220由第一侧部210的最大宽度位置向背离第一侧部210的方向收缩，第一侧部210背离第二侧部220的一侧设有一个以上的探针固定部230，探针固定部23用于固定多孔探针240。
参考图2-图4，上述基于水滴型线改进的探针杆体具有相背设置、且光滑过渡的第一侧部210及第二侧部220，并将第二侧部220设置为由第一侧部210的最大宽度位置向背离第一侧部210的方向收缩的形状，可以实现气流在杆体200的两边达到最大速度。由于气动性能的考虑，气流还会沿着探杆上第二侧部220的壁面继续流动，不会出现附面层分离，也就是不会出现大量的漩涡流动区域，对探杆后面的流场所扰动的区域大大减少，只有气体的黏性作用会对气流总压造成损耗。
继续参见图1及图4，在其中一个实施例中，第二侧部220的垂直于杆体200长度方向的截面由最大宽度位置收缩至一点。较佳地，在一实施例中，第二侧部220的截面边界的流线方程为
y＝0.0151*x3-0.1145*x2-0.3739*x+0.0765。
上述基于水滴型线改进的探针杆体10将第一侧部210的垂直于杆体200长度方向的截面设置为半圆形，并优化了第二侧部220的截面边界的流线方程，此种流线型源于水滴型线，并对水滴型进行了优化，使得基于水滴型线改进的探针杆体10具有较好的流线性，以更大程度上减小探针外形对流场的影响。
在一些实施例中，探针固定部230设置三个以上，且等间距设置，如此设置，便于后续测量。作为一种示例，图1示出了设有五个探针固定部230的探针杆体的结构示意图。
继续参见图1，在其中一个实施例中，固定部100包括固定于杆体长度方向的一端的安装座110。需要说明的是，安装座110除了安装于杆体长度方向的一端以外，还可以安装在杆体200的其他位置，只需要保证杆体200稳定地处于被测区域之中。但相较于其他安装方式，将安装座110固定于杆体长度方向一端的方式较少地占用杆体200的安装面积，减小了安装座110与探针固定部230及多孔探针240产生干涉的可能性，便于安装及拆卸。
在其中一个实施例中，安装座110垂直于杆体200的长度方向设置。
另一方面，本发明提供的技术方案为一种基于水滴型线改进的探针，包括如上述任一项的探针杆体及一个以上的固定于探针固定部230的多孔探针240。
参见图5及图9，需要说明的是，现有技术中未考虑到探杆的外形对流场影响，通常采用的是如图5所示的圆形探杆20，相较于传统的圆形探杆20，采用本发明提供的基于水滴型线改进的探针杆体10，由于气流没有分离在探杆的前后所存在的压差阻力会比圆形探杆20的压差阻力小很多，因此水滴型探杆的气动性能与抗压性能都有所提高。
参见图6-图8，为了更清楚地对本发明的效果进行进一步说明，在来流0.3Ma的流场分别进行试验，比较圆形探杆20与基于水滴型线改进的探针杆体10对流场总压的影响，即在相同的边界条件下计算出的探杆后两毫米处中心连线上的总压分布。图6示出了圆形探杆20在流场中的压力分布示意图。气体在对圆形探杆20绕流时，在其前方会形成一个驻点a，该点的压力值较高，在圆形探杆20的前半部分气流会进行一个加速的效果，所以在探杆的两侧压力值会达到一个相对小的数值。结合参见图7及图8，图7示出了圆形探杆20在流场中产生的尾迹示意图，在圆形探杆20后半部分由于附面层的分离导致，气流不能在沿着圆形探杆20的边壁流动，故会在圆形探杆20的后半部形成一个负压区b，同时会在附面层的分离点c附近出现一对有规律的交替脱落的漩涡，漩涡内部流动比较混乱，对圆形探杆20后面的流场影响较大，只有漩涡逐渐被消耗掉才能使圆形探杆20对流场的影响彻底消失，在漩涡中会造成大量的能量浪费，会使来流的总压下降，因此就算圆形探杆20对流场的总压也是有着不可忽视的损耗。由此可见，圆形探杆20对流场的影响区域较大，对气流的总压损耗较大。
参见图2-图4，图2示出了基于水滴型线改进的探针杆体10在流场中的压力分布示意图；图3示出了基于水滴型线改进的探针杆体10在流场中产生的尾迹示意图。对比图2及图6，其中曲线的下凹宽度可以反应出两种探杆的尾迹宽度，曲线下凹的最低点反应了不同探杆尾迹的漩涡强度，不难发现水滴型探杆的尾迹中漩涡强度更低。另外，对比图3及图7，为便于比较图3与图7中x轴及y轴采用相同的计量单位，同理，图4与图8亦相同。另外，图中箭头方向表示流体流动方向，水滴型探杆的分离点c明显比圆形探杆20的分离点c后移动，除此之外，水滴型探杆的尾迹只有一个漩涡，圆形探杆20的尾迹有两个漩涡，而且水滴型探杆对其后的流场影响区域更小。
为了更清楚地进行说明，此处对部分术语进行解释：
边界层：在靠近物体表面很小距离δ内，流体质点的速度从物体表面上速度为零以较大的速度迅速增长到与主流区具有相同大小的速度，紧靠物体表面存在较大速度梯度的薄层称为附面层，又称边界层。
边界层分离现象：流体绕流曲面物体时，在绕过前驻点后，物体迫使物体速度不断增加，根据伯努利方程压强不断减少，随过流断面的增加，流速不断减小，压强不断增加，会导致流体在一点堆积，导致边界层分离。
压差阻力：尾涡区有强烈的漩涡消耗能量，使物体后的压强不能恢复。造成物体前后明显的压差，从而增加了物体的扰流阻力，称为压差阻力。在工程上，为退后或壁面边界层的分离从而引起扰流压差阻力，常将物体作为具有圆头和细长尾部的流线型，以此来减少压差阻力。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

Claims (7)

1.基于水滴型线改进的探针杆体，其特征在于：包括
固定部，用于与待安装位置连接；以及
与所述固定部连接的杆体，所述杆体具有相背设置、且光滑过渡的第一侧部及第二侧部，所述第一侧部的垂直于所述杆体的长度方向的截面为半圆形，所述第二侧部由所述第一侧部的最大宽度位置向背离所述第一侧部的方向收缩，所述第一侧部背离所述第二侧部的一侧设有一个以上的探针固定部。
2.根据权利要求1所述的基于水滴型线改进的探针杆体，其特征在于：所述第二侧部的垂直于所述杆体的长度方向的截面由所述最大宽度位置收缩至一点。
3.根据权利要求1所述的基于水滴型线改进的探针杆体，其特征在于：所述第二侧部的截面边界的流线方程为
y＝0.0151*x3-0.1145*x2-0.3739*x+0.0765。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的基于水滴型线改进的探针杆体，其特征在于：所述探针固定部设置三个以上，且等间距设置。
5.根据权利要求1-3中任一项所述的基于水滴型线改进的探针杆体，其特征在于：所述固定部包括固定于所述杆体长度方向的一端的安装座。
6.根据权利要求5所述的基于水滴型线改进的探针杆体，其特征在于：所述安装座垂直于所述杆体的长度方向设置。
7.基于水滴型线改进的探针，其特征在于：包括如权利要求1-6中任一项所述的探针杆体及一个以上的固定于所述探针固定部的多孔探针。
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