CN116593118A - 一种适用于宽迎角范围的流动参数测量装置及测量方法 - Google Patents

一种适用于宽迎角范围的流动参数测量装置及测量方法 Download PDF

Info

Publication number
CN116593118A
CN116593118A CN202310457151.9A CN202310457151A CN116593118A CN 116593118 A CN116593118 A CN 116593118A CN 202310457151 A CN202310457151 A CN 202310457151A CN 116593118 A CN116593118 A CN 116593118A
Authority
CN
China
Prior art keywords
pressure
ball head
flow
angle
pressure sensor
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN202310457151.9A
Other languages
English (en)
Inventor
蒋崇文
刘哲
许晨豪
胡姝瑶
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Beihang University
Original Assignee
Beihang University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Beihang University filed Critical Beihang University
Priority to CN202310457151.9A priority Critical patent/CN116593118A/zh
Publication of CN116593118A publication Critical patent/CN116593118A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01M—TESTING STATIC OR DYNAMIC BALANCE OF MACHINES OR STRUCTURES; TESTING OF STRUCTURES OR APPARATUS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01M9/00—Aerodynamic testing; Arrangements in or on wind tunnels
    • G01M9/06—Measuring arrangements specially adapted for aerodynamic testing
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01M—TESTING STATIC OR DYNAMIC BALANCE OF MACHINES OR STRUCTURES; TESTING OF STRUCTURES OR APPARATUS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01M9/00—Aerodynamic testing; Arrangements in or on wind tunnels
    • G01M9/02—Wind tunnels
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E30/00—Energy generation of nuclear origin
    • Y02E30/30—Nuclear fission reactors

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Fluid Mechanics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Indicating Or Recording The Presence, Absence, Or Direction Of Movement (AREA)

Abstract

本发明公开了一种适用于宽迎角范围的流动参数测量装置及测量方法，该测量装置包括球头、连接杆、压力传感器和数据处理系统；可通过布置在球头的压力传感器测量球头表面压力分布；由压力数据处理系统确定迎风区域，并根据迎风区域中压力测量值最大的多个测点位置和压力测量值，确定驻点位置和流动动压，进而获得流动速度方向和大小。本发明的测量装置没有活动部件，结构简单、可靠性高，解决了运动装置在宽迎角范围运动时快速、准确获取流动参数的问题。

Description

一种适用于宽迎角范围的流动参数测量装置及测量方法
技术领域
本发明属于流动参数测量领域，涉及一种适用于宽迎角范围的流动参数测量装置及测量方法。
背景技术
流体运动广泛存在于日常生活，与航空、航天、环境、化学、生物、医学、机械、交通等诸多领域密切相关。为研究流体运动规律、并将该规律应用于生产生活实践，需要准确地测量流动的速度、方向和压力等参数。
如航空和风洞测试领域，现有技术通常采用空速管和多孔探针测量流动速度的大小和方向。空速管包括总压管、静压管、风标等部件，根据测量的总压和静压，由不可压缩流动的伯努利方程计算运动装置流动速度大小；再通过风标测量迎角和侧滑角，确定运动装置流动速度方向。多孔探针整体呈圆柱状，尖端呈圆锥形、刻面或半球面，并开有三个、五个或七个测压孔；根据各孔测量的压力测试值，代入特定的探针算法，即可解算出流动速度、方向等参数。
随着人类对流动的应用越来越深入，研究的流动问题越来越复杂，因此对流动参数的测量需求也日益迫切。在航空领域，飞机大迎角飞行的情况愈发普遍，国产歼-20战斗机作“眼镜蛇机动”时迎角可达110°以上；为研究大迎角状态下的飞机气动与操稳特性，需要快速、准确测量大迎角复杂流动的速度、压力等参数。在风洞测试领域，为精准复现真实环境中的复杂流动，也需要准确测量复杂流动参数。复杂流动来自各个方向，使得流动驻点不再正对空速管和多孔探针测压孔，影响了测量精度。
针对该问题，空速管通过对总压管增加倒角、引导套管等装置，希望提高总压管对气流方向的不敏感性，增加测量精度。然而，倒角显著削弱了结构强度，引导套管增加了结构复杂度，效果不佳。另外，空速管风标拥有叶片、转轴等运动部件，叶片的转动惯量和转轴的摩擦阻尼降低了测量精度和响应速度，难以满足复杂流动的精确测量要求。多孔探针通过增加测压孔数量来提高测量精度。然而，测压孔数量增加后，校准试验和数据处理的工作量显著增大，大大增加了校准成本；且多孔探针能够测量的迎角范围不超过90°，难以满足来自各个方向的气流的测量需求。
发明内容
针对现有流动参数测量装置对复杂流动测量精度不高的问题，本发明提供了一种用于宽迎角范围的流动参数测量装置及测量方法。该测量装置及测量方法适用于测量流体的速度、压力等参数，装置没有活动部件、结构简单、可靠性高，能够在宽迎角的范围内均保持较高的测量精度和测量速度。
为了解决上述问题，本发明的一方面，提供了一种适用于宽迎角范围的流动参数测量装置，包括球头、连接杆、压力传感器和数据处理系统；
球头通过连接杆与运动装置相连；压力传感器设置于球头上。
可选地，压力传感器设置多个。
可选地，相邻两个压力传感器与球头的球心位置连线的夹角不大于35°。
可选地，球头为中空球体，连接杆为中空管。
本发明的另一方面，提供了一种适用于宽迎角范围的流动参数测量方法，使用前述的流动参数测量装置，步骤具体如下：
获取球头的压力分布；
基于球头的压力分布获取驻点位置、驻点压力和流动动压；
基于驻点位置、驻点压力和流动动压获取绕球头的流动速度方向和流动速度大小。
可选地，基于获取的球头的压力分布进行分析，获得逆压梯度位置，根据逆压梯度位置确定球头的迎风区域；选中迎风区域中压力测试值至少前4大的压力传感器，根据其位置和压力测试值确定驻点位置和绕球头的流动动压。
可选地，选中压力传感器的位置为该选中压力传感器与球头球心位置O的连线和驻点位置与球心位置O的连线夹角ψi，表达式为：
其中，ψi为第i个选中压力传感器与球头球心位置O的连线和驻点位置与球心位置O的连线夹角，i＝1,2,…,N，N为选中压力传感器的总个数；为驻点位置坐标，θ0为驻点位置的俯仰角，/>为驻点位置的方位角；/>为第i个选中压力传感器的坐标；θi为第i个选中压力传感器的俯仰角，/>为第i个选中压力传感器的方位角；|r0|为驻点到原点的距离；|ri|为第i个选中压力传感器到原点的距离；
选中压力传感器的压力测试值的表达式为：
其中，pi为第i个选中压力传感器的压力测试值；p0为驻点压力；q为绕球头的流动动压；
将获取的多个选中压力传感器的位置和压力测试值代入式(1)和(2)，即可解算出驻点位置坐标r0和绕球头的流动动压q。
可选地，基于获得的驻点位置坐标r0获取绕球头的流动速度方向；
绕球头的流动速度方向包括迎角α和侧滑角β，表达式为：
其中，迎角α表示绕球头的流动速度在xz平面的投影与-x轴的夹角，侧滑角β表示绕球头的流动速度与其在xz平面投影的夹角。
可选地，基于获得的绕球头的流动动压q预估流动速度Vpre，表达式为：
其中，ρ为大气密度。
可选地，基于多个选中压力传感器的测量数据，确定逆压梯度位置和球头绕流发生分离的角度ψsep；根据逆压梯度位置和球头绕流发生分离的角度ψsep获得流动雷诺数Re；根据流动雷诺数Re确定流动速度的修正系数K；根据修正系数获得修正后的流动速度V，表达式为：
V＝K·Vpre。(5)
具体使用时，本发明流动参数测量装置通过压力传感器，获取球头压力分布数据；根据迎风区域中压力测量值最大的多个压力传感器的位置和压力数据，确定驻点压力p0、流动动压q和驻点位置进一步确定速度迎角α和侧滑角β；由压力数据处理系统对压力分布数据进行分析，确定逆压梯度出现的位置，得到球头绕流发生分离的角度ψsep，结合球头绕流的实验/数值模拟结果，估算流动雷诺数Re；根据流动动压q和雷诺数Re，获得流动速度V。
本发明至少具有如下有益效果：
(1)本发明流动参数测量装置和测量方法，仅设置球头、压力传感器、连接杆和压力数据处理系统就能够测量流动参数，没有活动部件，结构简单、可靠性高，且不易受环境影响。
(2)本发明流动参数测量装置和测量方法，球头直径较小，因而对流体的流动干扰较小，可提高测量精度。
(3)本发明流动参数测量装置和测量方法，在球头的各个方向均装有压力传感器，在宽迎角范围内均能保持较高测量精度和较快测量速度。
(4)本发明流动参数测量装置和测量方法，通过压力数据处理系统实时解算流动参数，响应时间短，能够快速测量压力、速度等流动参数。
本发明中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本实发明的目的和其他优点可通过说明书以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。
附图说明
附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。
图1为本发明的测量装置结构示意图。
图2为球头表面某一点的俯仰角θ和方位角的示意图。
图3为根据压力测量值最大的4个压力传感器位置和及其压力测量值p1-p4，确定驻点位置/>和驻点压力p0的示意图。
图4为根据驻点位置的俯仰角θ0,和方位角获得迎角α和侧滑角β的示意图。
附图标记：
1-球头；2-连接杆；3-压力传感器；4-数据处理系统。
具体实施方式
下面结合附图，来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本发明的一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。
本发明的一个具体实施例，如图1-4所示，公开了一种用于宽迎角范围的流动参数测量装置，用于测量运动装置在复杂流动中的流动参数，包括球头1、连接杆2、压力传感器3和数据处理系统4；其中，球头1通过连接杆2与运动装置相连；压力传感器3设置于球头1上。
可选地，为保证测量精度，球头1通过连接杆2设置于运动装置正前方；优选地，连接杆2的轴线与运动装置的对称轴或旋转轴方向平行并指向前。
可选地，球头1的直径小于30mm，使得球头1对流体的流动干扰较小，可减少测量响应时间、提高测量精度和降低制造成本。
可选地，压力传感器3设置多个，多个压力传感器3均布在球头1表面，能够感受球头1各个方向的实时压力。优选地，相邻两个压力传感器3与球头的球心位置连线的夹角不大于35°，以保证根据压力测量值计算流动速度的精度。
可选地，球头1为中空球体，连接杆2为中空管。每个压力传感器3通过穿过中空球头1和连接杆2的信号传输线与数据处理系统4连接，或通过无线传输与压力数据处理系统4连接。
可选地，所述运动装置为飞机；球头1通过连接杆2设置于飞机机头正前方或翼尖前方；进一步地，连接杆2的轴线与飞机器的机体轴线方向平行并指向前。
可选地，所述运动装置为风洞测试装置；球头1通过连接杆2设置于风洞测试装置的流动参数待测位置；进一步地，连接杆2的轴线与风洞测试装置的主体轴线方向平行并指向风洞上游。
如图2所示，在球头1的球坐标系中，球头1的球心位置O为原点，x轴与连接杆2的轴线平行、方向指向后，z轴垂直于x轴、方向指向上，y轴按右手定则确定。
本发明的另一个具体实施例，如图2-4所示，公开了一种用于宽迎角范围的流动参数测量方法，步骤具体如下：
步骤1：获取球头的压力分布；
获取球头1上多个压力传感器3的压力测试值，由压力测试值获得球头的压力分布。
步骤2：获取驻点压力、绕球头的流动动压和驻点位置；
具体方法如下：
步骤21：数据处理系统4基于步骤1获取的球头压力分布进行分析，获得逆压梯度位置，根据逆压梯度位置确定球头1的迎风区域；
步骤22：如图3所示，选中迎风区域中压力测试值至少前4大的压力传感器，获取各压力传感器的位置和压力测试值；
步骤23：根据选中压力传感器的位置和压力测试值，确定驻点位置、绕球头的流动动压和驻点压力；
选中压力传感器的位置为选中压力传感器与球头球心位置O的连线和驻点位置与球心位置O的连线夹角ψi，表达式为：
其中，为驻点位置坐标，θ0为驻点位置的俯仰角，/>为驻点位置的方位角；/>为第i个选中压力传感器的坐标，i＝1,2,…,N，N为选中压力传感器的总个数；θi为第i个选中压力传感器的俯仰角，/>为第i个选中压力传感器的方位角；|r0|为驻点到原点的距离；|ri|为第i个选中压力传感器到原点的距离；
可以理解的是，俯仰角表示球头表面某一点和球心位置的连线与x轴的夹角，角度范围为0～π；方位角表示该连线在yz平面的投影与y轴的夹角，角度范围为0～2π。
第i个选中压力传感器的压力测试值pi的表达式为：
其中，p0为驻点压力；q为绕球头的流动动压。
将获取的迎风区域中压力测试值至少前4大的选中压力传感器的位置和压力测试值代入式(1)和(2)，即可解算出驻点位置坐标r0、绕球头的流动动压q和驻点压力p0。
步骤3：如图4所示，基于步骤2获得的驻点位置坐标r0获取绕球头的流动速度方向；
绕球头的流动速度方向包括迎角α和侧滑角β，表达式为：
其中，迎角α表示绕球头的流动速度在xz平面的投影与-x轴的夹角，侧滑角β表示绕球头的流动速度与其在xz平面投影的夹角。
步骤4：基于步骤2获得的绕球头的流动动压q预估流动速度Vpre，表达式为：
其中，ρ为大气密度。
步骤5：修正流动速度；
根据迎风区域中压力测试值至少前4大的选中压力传感器的位置和压力测试值，确定逆压梯度位置和球头绕流发生分离的角度ψsep，基于圆球绕流实验或计算流体力学(CFD)法获得ψsep-Re曲线，根据逆压梯度位置和球头绕流发生分离的角度ψsep估算流动雷诺数Re。
根据流动雷诺数Re确定流动速度的修正系数K；球头1绕流的流动雷诺数Re约为104～105，对应的修正系数约为0.97～1.03，从而得到修正后的流动速度V，表达式为：
V＝K·Vpre。(5)
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种适用于宽迎角范围的流动参数测量装置，其特征在于，包括球头、连接杆、压力传感器和数据处理系统；
球头通过连接杆与运动装置相连；压力传感器设置于球头上。
2.根据权利要求1所述的流动参数测量装置，其特征在于，压力传感器设置多个。
3.根据权利要求2所述的流动参数测量装置，其特征在于，相邻两个压力传感器与球头的球心位置连线的夹角不大于35°。
4.根据权利要求1-3任一项所述的流动参数测量装置，其特征在于，球头为中空球体，连接杆为中空管。
5.一种适用于宽迎角范围的流动参数测量方法，使用权利要求1-4任一项所述的流动参数测量装置，其特征在于，包括如下具体步骤：
获取球头的压力分布；
基于球头的压力分布获取驻点位置、驻点压力和流动动压；
基于驻点位置、驻点压力和流动动压获取绕球头的流动速度方向和流动速度大小。
6.根据权利要求5所述的测量方法，其特征在于：基于获取的球头的压力分布进行分析，获得逆压梯度位置，根据逆压梯度位置确定球头的迎风区域；选中迎风区域中压力测试值至少前4大的压力传感器，根据其位置和压力测试值确定驻点位置和绕球头的流动动压。
7.根据权利要求6所述的测量方法，其特征在于：选中压力传感器的位置为该选中压力传感器与球头球心位置O的连线和驻点位置与球心位置O的连线夹角ψi，表达式为：
其中，ψi为第i个选中压力传感器与球头球心位置O的连线和驻点位置与球心位置O的连线夹角，i＝1,2,…,N，N为选中压力传感器的总个数；为驻点位置坐标，θ0为驻点位置的俯仰角，/>为驻点位置的方位角；/>为第i个选中压力传感器的坐标；θi为第i个选中压力传感器的俯仰角，/>为第i个选中压力传感器的方位角；r0为驻点到原点的距离；ri为第i个选中压力传感器到原点的距离；
选中压力传感器的压力测试值的表达式为：
其中，pi为第i个选中压力传感器的压力测试值；p0为驻点压力；q为绕球头的流动动压；
将获取的多个选中压力传感器的位置和压力测试值代入式(1)和(2)，获得驻点位置坐标r0和绕球头的流动动压q。
8.根据权利要求7所述的测量方法，其特征在于：基于获得的驻点位置坐标r0获取绕球头的流动速度方向；
绕球头的流动速度方向包括迎角α和侧滑角β，表达式为：
其中，迎角α表示绕球头的流动速度在xz平面的投影与-x轴的夹角，侧滑角β表示绕球头的流动速度与其在xz平面投影的夹角。
9.根据权利要求8所述的测量方法，其特征在于，基于获得的绕球头的流动动压q获取流动速度，表达式为：
其中，ρ为大气密度。
10.根据权利要求9所述的测量方法，其特征在于，基于多个选中压力传感器的测量数据，确定逆压梯度位置和球头绕流发生分离的角度ψsep；根据逆压梯度位置和球头绕流发生分离的角度ψsep获得流动雷诺数Re；根据流动雷诺数Re确定流动速度的修正系数K；根据修正系数获得修正后的流动速度V，表达式为：
V＝K·Vpre。(5)。
CN202310457151.9A 2023-04-24 2023-04-24 一种适用于宽迎角范围的流动参数测量装置及测量方法 Pending CN116593118A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202310457151.9A CN116593118A (zh) 2023-04-24 2023-04-24 一种适用于宽迎角范围的流动参数测量装置及测量方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202310457151.9A CN116593118A (zh) 2023-04-24 2023-04-24 一种适用于宽迎角范围的流动参数测量装置及测量方法

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN116593118A true CN116593118A (zh) 2023-08-15

Family

ID=87594658

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202310457151.9A Pending CN116593118A (zh) 2023-04-24 2023-04-24 一种适用于宽迎角范围的流动参数测量装置及测量方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN116593118A (zh)

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US7010970B2 (en) Embedded-sensor multi-hole probes
US4920808A (en) Device and method for measuring the flow velocity of a free flow in three dimensions
CN203053472U (zh) 测量旋流场的压力和速度的工具
CN105588703A (zh) 一种用于亚声速复杂三维流场测量的12孔全向探针
CN111551215A (zh) 一种复合型压力-温度探针及其气流速度计算方法
CN111257591A (zh) 一种七孔探针气流场风速风向测量方法及装置
Prudden et al. An anemometer for UAS-based atmospheric wind measurements
Pačes et al. A combined angle of attack and angle of sideslip smart probe with twin differential sensor modules and doubled output signal
JP5662026B2 (ja) ガス状流体の流れの速さおよび方向を測定する装置および方法
Nowack Improved calibration method for a five-hole spherical Pitot probe
CN116593118A (zh) 一种适用于宽迎角范围的流动参数测量装置及测量方法
Haneda et al. Neural network-based airflow vector sensor using multiple MEMS differential pressure sensors
Ruchała et al. Use and calibration of 5-hole pressure probes to measurement of airflow velocity
CN111498141A (zh) 一种基于微型探针实现气流角度实时监测的方法与装置
Rupesh et al. Aerodynamic Design and Flow Analysis of Two Taping Spherical Flow Analyser and Mirror Edge Flow Analyser for Subsonic Wind Tunnel Calibration
Hurtado et al. Design of an onboard directional anemometer for bicycles
CN111380476B (zh) 一种基于应变测量数据的梁式结构变形测量方法和装置
EP1020717B1 (en) Pitot-static probe
Winternitz Probe Measurements in Three‐Dimensional Flow: A Comparative Survey of Different Types of Instrument
Shevchenko et al. Multi-hole pressure probes to air data system for subsonic small-scale air vehicles
Kim et al. Calibration of a five-hole multi-function probe for helicopter air data sensors
KR101045006B1 (ko) 다공압력프로브의 교정시스템 및 교정방법
Rupesh et al. Aerodynamic design and computational analysis of yaw sphere for subsonic wind tunnel
Zhang et al. Concept Design and Data-Reduction Algorithms for a 20-hole Omnidirectional Probing Sphere
Yao et al. Theoretical Calibration and Experimental Test of Hemispherical 7-hole Probe Under Three-dimensional Flow Field in Wind Tunnel

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination