CN117147092B - 一种基于超声速静压探针的声爆近场空间压力测量装置 - Google Patents

一种基于超声速静压探针的声爆近场空间压力测量装置 Download PDF

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Abstract

一种基于超声速静压探针的声爆近场空间压力测量装置，属于风洞试验技术领域，本发明为了解决传统探针测压装置测量时间长、效率低的问题。包括试验模型、参考探针和若干测量探针；试验模型通过所述支撑装置设置在风洞试验段内，参考探针和若干测量探针均设置在风洞试验段的侧壁板上，若干测量探针均与电子压力扫描阀的测量端连通，参考探针、电子压力扫描阀的参考端和绝压传感器通过三通连通，试验时，若干测量探针均处于试验模型产生的压力信号范围内，且参考探针处于试验模型产生的压力信号范围外。本发明能够在一个试验车次中同时测量得到风洞的来流静压及多方向的近场空间压力信号，能够实现超声速飞行器声爆近场空间压力的高效率测量。

Description

一种基于超声速静压探针的声爆近场空间压力测量装置
技术领域
本发明属于风洞试验技术领域，尤其涉及一种基于超声速静压探针的声爆近场空间压力测量装置。
背景技术
声爆问题一直以来都是困扰超声速民机发展的关键技术障碍，按照与飞行器之间距离的远近，有近场范围和远场范围之分，风洞试验主要针对近场范围的声爆开展研究，测量声爆的本质是测量风洞试验的模型近场空间压力，通常测量以模型的1～5倍长度为半径的空间范围压力分布。模型周围的近场压力数据与风洞自由来流压力的差值，称为近场声爆过压，将近场声爆过压数据输入构建的数学模型中，可计算得到飞行器远场的声爆过压。
声爆的近场空间压力测量装置通常有测压板、测压轨和超声速静压探针等几种。测压板又称反射平板，试验装置结构简单，理想情况下对模型空间压力信号的反射系数为2.0，即测量结果为真实值的两倍，但是由于在流场中测压板表面存在严重的边界层累积，模型激波与测压板边界层相互作用影响了测压板的反射效果，一般情况下测量结果并不理想；测压轨是在测压板的技术基础上发展而来的，一定程度上降低了边界层的累积效应，但测压轨需要保持表面不同位置的反射系数恒定，因此设计难度较大；超声速静压探针对空间压力信号无反射，即反射系数为1.0，测量精度较高，在声爆风洞试验研究中被广泛使用。
采用超声速静压探针测量声爆近场空间压力，一般采用稳态阶梯测压方法，即模型先固定在第一个位置吹风，等待一段时间（根据测压管长度不同通常为1s～5s之间）使压力稳定后采集数据，然后使模型运动到下一个位置吹风，再次等待一段时间使压力稳定后采集数据，以此类推，直到完成整个模型所有位置的近场压力信号测量。该方法所需要的时间较长，试验效率低下。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于超声速静压探针的声爆近场空间压力测量装置，以解决传统探针测压装置测量时间长、试验效率低的问题。本发明所采用的技术方案如下：
一种基于超声速静压探针的声爆近场空间压力测量装置，包括试验模型、支撑装置、参考探针和若干测量探针；试验模型通过所述支撑装置设置在风洞试验段内，风洞试验段的左壁板或右壁板上设有可更换钢窗，参考探针和若干测量探针通过探针支架固定在可更换钢窗上，参考探针和若干测量探针均迎气流设置在风洞试验段内，参考探针和测量探针上均开设有气路盲孔，所述气路盲孔的内端侧壁上开设有若干通透的测压孔，测压孔与风洞试验段连通，测量探针的气路盲孔外端与电子压力扫描阀的测量端连通，参考探针的气路盲孔外端、电子压力扫描阀的参考端和绝压传感器通过三通连通，试验时，测量探针的测压孔均处于试验模型产生的压力信号范围内，且参考探针的测压孔处于试验模型产生的压力信号范围外。
进一步的，测量探针共有三个，三个测量探针并排垂直于可更换钢窗设置，其中处于中间位置的测量探针与试验模型对齐设置，处于下侧的测量探针和处于中间位置的测量探针分别与试验模型连线的夹角呈15°，处于上侧的测量探针和处于中间位置的测量探针分别与试验模型连线的夹角呈30°。
进一步的，参考探针布置在若干测量探针的上游。
进一步的，探针支架上开设有气路孔道，参考探针和若干测量探针均与对应的探针支架螺纹配合，且气路盲孔的外端与对应探针支架的气路孔道一端相连，气路孔道的另一端通过气管路与电子压力扫描阀的测量端连通。
进一步的，参考探针和测量探针结构相同，参考探针和测量探针均呈圆锥针形、长度为68mm～72mm、锥底直径为4mm～6mm、圆锥半角为2°。
进一步的，所述支撑装置包括沿气流流向依次相连的适配器、转接支杆和轴向移动机构，风洞支架的两端分别与风洞试验段的上壁板和下壁板相连，轴向移动机构固定在风洞支架上。
进一步的，风洞支架沿气流流向的两端均呈尖劈结构。
进一步的，风洞支架竖直设置，轴向移动机构固定在风洞支架的中央，风洞支架设置在风洞试验段截面的水平向中央。
进一步的，轴向移动机构包括传动螺母、主动齿轮、电机、从动齿轮和支座，主动齿轮套接在电机的输出轴上，传动螺母转动设置在支座上，从动齿轮与传动螺母套接配合，主动齿轮与从动齿轮相啮合，转接支杆与传动螺母螺纹配合，转接支杆与传动螺母相连的一端开设有滑槽，滑块与支座相连，所述滑槽与滑块滑动配合，支座固定在所述风洞支架上。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
电子压力扫描阀可直接测量得到测量探针与参考探针之间的压力差，即为模型的近场声爆过压，而绝压传感器测量得到的压力即为风洞自由来流的静压。电子压力扫描阀、绝压传感器、气管路、三通、参考探针和三个测量探针构成测量系统，通过合理的空间布置，能够在一个试验车次中同时测量得到风洞的来流静压、试验模型正下方以及侧向15°方向和30°方向的近场空间压力信号。测量系统采用参考探针、测量探针、电子压力扫描阀与绝压传感器的组合方式，通过扫描阀的连续采集功能，配合轴向移动机构的连续运动功能，能够实现超声速飞行器声爆近场空间压力的高效率测量。
附图说明
图1是本发明的主视图；
图2是本发明的俯视图；
图3是本发明的左视图；
图4是参考探针、测量探针和绝压传感器之间的气路连接图；
图5是测量探针与探针支架的连接示意图；
图6是图5的A处放大图；
图7是转接支杆与轴向移动机构的配合示意图。
图中，1．试验模型、2．适配器、3．转接支杆、4．轴向移动机构、41．电机、42．主动齿轮、43．从动齿轮、44．传动螺母、45．滑块、46．支座、5．风洞支架、6．参考探针、7．测量探针、71．气路盲孔、8．探针支架、81．气路孔道、9．可更换钢窗、10．风洞试验段、11．电子压力扫描阀、12．绝压传感器、13．气管路、14．三通、15．测压孔、16．空间压力信号。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面通过附图中示出的具体实施例来描述本发明。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
本发明所提到的连接分为固定连接和可拆卸连接，所述固定连接即为不可拆卸连接包括但不限于折边连接、铆钉连接、粘结连接和焊接连接等常规固定连接方式，所述可拆卸连接包括但不限于螺栓连接、卡扣连接、销钉连接和铰链连接等常规拆卸方式，未明确限定具体连接方式时，默认可在现有连接方式中找到至少一种连接方式实现该功能，本领域技术人员可根据需要自行选择。例如：固定连接选择焊接连接，可拆卸连接选择螺栓连接。
以下将结合附图，对本发明作进一步详细说明，以下实施例是对本发明的解释，而本发明并不局限于以下实施例。
实施例：如图1-7所示，一种基于超声速静压探针的声爆近场空间压力测量装置，包括试验模型1、支撑装置、参考探针6和若干测量探针7；试验模型1通过所述支撑装置设置在风洞试验段10内，风洞试验段10的左壁板或右壁板上设有可更换钢窗9，参考探针6和若干测量探针7通过探针支架8固定在可更换钢窗9上，参考探针6和若干测量探针7均迎气流设置在风洞试验段10内，参考探针6和测量探针7上均开设有气路盲孔71，所述气路盲孔71的内端侧壁上开设有若干通透的测压孔15，测压孔15与风洞试验段10连通，测量探针7的气路盲孔71外端与电子压力扫描阀11的测量端连通，参考探针6的气路盲孔71外端、电子压力扫描阀11的参考端和绝压传感器12通过三通14连通，试验时，测量探针7的测压孔15均处于试验模型1产生的压力信号范围内，且参考探针6的测压孔15处于试验模型1产生的压力信号范围外。
测量探针7共有三个，三个测量探针7并排垂直于可更换钢窗9设置，其中处于中间位置的测量探针7与试验模型1对齐设置，处于下侧的测量探针7和处于中间位置的测量探针7分别与试验模型1连线的夹角呈15°，处于上侧的测量探针7和处于中间位置的测量探针7分别与试验模型1连线的夹角呈30°。
参考探针6布置在若干测量探针7的上游。
探针支架8上开设有气路孔道81，参考探针6和若干测量探针7均与对应的探针支架8螺纹配合，且气路盲孔71的外端与对应探针支架8的气路孔道81一端相连，气路孔道81的另一端通过气管路13与电子压力扫描阀11的测量端连通。
参考探针6和测量探针7结构相同，参考探针6和测量探针7均呈圆锥针形、长度为68mm～72mm、锥底直径为4mm～6mm、圆锥半角为2°。超声速静压探针几何外形尺寸较小，对流场带来的干扰可忽略不计。
所述支撑装置包括沿气流流向依次相连的适配器2、转接支杆3和轴向移动机构4，风洞支架5的两端分别与风洞试验段10的上壁板和下壁板相连，轴向移动机构4固定在风洞支架5上。
风洞支架5沿气流流向的两端均呈尖劈结构。
风洞支架5竖直设置，轴向移动机构4固定在风洞支架5的中央，风洞支架5设置在风洞试验段10截面的水平向中央。
轴向移动机构4包括传动螺母44、主动齿轮42、电机41、从动齿轮43和支座46，主动齿轮42套接在电机41的输出轴上，传动螺母44转动设置在支座46上，从动齿轮43与传动螺母44套接配合，主动齿轮42与从动齿轮43相啮合，转接支杆3与传动螺母44螺纹配合，转接支杆3与传动螺母44相连的一端开设有滑槽，滑块45与支座46相连，所述滑槽与滑块45滑动配合，支座46固定在所述风洞支架5上。
转接支杆3呈折线形，转接支杆3的两端同轴向平行，通过改变转接支杆3的安装角度能够调节试验模型1与测量探针7之间的距离，通过轴向移动机构4的伸缩功能能够实现模型沿风洞试验段10的轴向位置调节。电子压力扫描阀11具有连续采集功能，采样率最高达330Hz，轴向移动机构4具有连续运动功能，运动速度最高达40mm/s。
参考探针6布置在测量探针7的上游位置，并保持适当的横向距离，如此布置是为了确保试验模型1在轴向运动过程中，试验模型1的压力信号始终辐射到参考探针6的下游，不会干扰到参考探针6对于风洞自由来流静压的测量。通过这样的空间布置，能够在一个试验车次中同时测量得到风洞来流静压、试验模型11正下方以及侧向15°方向和30°方向的空间压力信号16。
近场声爆过压通过下式确定：
；
式中：
为测量探针7的测量压力，单位为Pa；
为超声速风洞自由来流环境压力，单位为Pa；
测量探针7的测量压力通过下式确定：
；
式中：
为电子压力扫描阀11测量端和参考端之间的压差，单位为Pa，通过电子压力扫描阀11的传感器可直接测量得到；
为电子压力扫描阀11的参考端压力，单位为Pa，通过绝压传感器12测量可得到。
由于电子压力扫描阀11的参考端通过三通14与参考探针6相连，也是参考探针6的测量压力，可通过绝压传感器12测量得到。
由于参考探针6和测量探针7对流场的干扰可忽略不计，因此，参考探针6的测量压力与风洞自由来流压力相等，即：
；
由以上各式联立可得：
；
因此，电子压力扫描阀11可直接测量得到测量探针7与参考探针6之间的压力差，即模型的近场声爆过压，而绝压传感器12测量得到的压力即为风洞自由来流的静压。
电子压力扫描阀11、绝压传感器12、气管路13、三通14、参考探针6和三个测量探针7构成测量系统，通过合理的空间布置，能够在一个试验车次中同时测量得到风洞的来流静压、试验模型1正下方以及侧向15°方向和30°方向的近场空间压力信号16。测量系统采用参考探针6、测量探针7、电子压力扫描阀11与绝压传感器12的组合方式，通过扫描阀的连续采集功能，配合轴向移动机构4的连续运动功能，能够实现超声速飞行器声爆近场空间压力的高效率测量。
本发明是在超声速静压探针的技术基础上开发的一种声爆近场空间压力测量装置，解决了传统风洞试验装置只能采用稳态阶梯测压方法导致测量效率低下的问题，能够实现超声速飞行器声爆近场空间压力的动态连续测量，从而大幅提高了试验效率。
以上实施例只是对本发明的示例性说明，并不限定它的保护范围，本领域技术人员还可以对其局部进行改变，只要没有超出本发明的精神实质，都在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种基于超声速静压探针的声爆近场空间压力测量装置，其特征在于：包括试验模型(1)、支撑装置、参考探针(6)和若干测量探针(7)；试验模型(1)通过所述支撑装置设置在风洞试验段(10)内，风洞试验段(10)的左壁板或右壁板上设有可更换钢窗(9)，参考探针(6)和若干测量探针(7)通过探针支架(8)固定在可更换钢窗(9)上，参考探针(6)和若干测量探针(7)均迎气流设置在风洞试验段(10)内，参考探针(6)和测量探针(7)上均开设有气路盲孔(71)，所述气路盲孔(71)的内端侧壁上开设有若干通透的测压孔(15)，测压孔(15)与风洞试验段(10)连通，测量探针(7)的气路盲孔(71)外端与电子压力扫描阀(11)的测量端连通，参考探针(6)的气路盲孔(71)外端、电子压力扫描阀(11)的参考端和绝压传感器(12)通过三通(14)连通，试验时，测量探针(7)的测压孔(15)均处于试验模型(1)产生的压力信号范围内，且参考探针(6)的测压孔(15)处于试验模型(1)产生的压力信号范围外；
近场声爆过压ΔP通过下式确定：
ΔP＝Pmea-P∞
式中：
Pmea为测量探针(7)的测量压力，单位为Pa；
P∞为超声速风洞自由来流环境压力，单位为Pa；
测量探针(7)的测量压力Pmea通过下式确定：
Pmea＝δP+Pref
式中：
δP为电子压力扫描阀(11)测量端和参考端之间的压差，单位为Pa；
Pref为电子压力扫描阀(11)的参考端压力，单位为Pa；
由于参考探针(6)和测量探针(7)对流场的干扰可忽略不计，因此，参考探针(6)的测量压力与风洞自由来流压力相等，即：
P∞＝Pref
由以上各式联立可得：
ΔP＝δP。
2.根据权利要求1所述的一种基于超声速静压探针的声爆近场空间压力测量装置，其特征在于：测量探针(7)共有三个，三个测量探针(7)并排垂直于可更换钢窗(9)设置，其中处于中间位置的测量探针(7)与试验模型(1)对齐设置，处于下侧的测量探针(7)和处于中间位置的测量探针(7)分别与试验模型(1)连线的夹角呈15°，处于上侧的测量探针(7)和处于中间位置的测量探针(7)分别与试验模型(1)连线的夹角呈30°。
3.根据权利要求1所述的一种基于超声速静压探针的声爆近场空间压力测量装置，其特征在于：参考探针(6)布置在若干测量探针(7)的上游。
4.根据权利要求1所述的一种基于超声速静压探针的声爆近场空间压力测量装置，其特征在于：探针支架(8)上开设有气路孔道(81)，参考探针(6)和若干测量探针(7)均与对应的探针支架(8)螺纹配合，且气路盲孔(71)的外端与对应探针支架(8)的气路孔道(81)一端相连，气路孔道(81)的另一端通过气管路(13)与电子压力扫描阀(11)的测量端连通。
5.根据权利要求1所述的一种基于超声速静压探针的声爆近场空间压力测量装置，其特征在于：参考探针(6)和测量探针(7)结构相同，参考探针(6)和测量探针(7)均呈圆锥针形、长度为68mm～72mm、锥底直径为4mm～6mm、圆锥半角为2°。
6.根据权利要求1-5任一项所述的一种基于超声速静压探针的声爆近场空间压力测量装置，其特征在于：所述支撑装置包括沿气流流向依次相连的适配器(2)、转接支杆(3)和轴向移动机构(4)，风洞支架(5)的两端分别与风洞试验段(10)的上壁板和下壁板相连，轴向移动机构(4)固定在风洞支架(5)上。
7.根据权利要求6所述的一种基于超声速静压探针的声爆近场空间压力测量装置，其特征在于：风洞支架(5)沿气流流向的两端均呈尖劈结构。
8.根据权利要求6所述的一种基于超声速静压探针的声爆近场空间压力测量装置，其特征在于：风洞支架(5)竖直设置，轴向移动机构(4)固定在风洞支架(5)的中央，风洞支架(5)设置在风洞试验段(10)截面的水平向中央。
9.根据权利要求6所述的一种基于超声速静压探针的声爆近场空间压力测量装置，其特征在于：轴向移动机构(4)包括传动螺母(44)、主动齿轮(42)、电机(41)、从动齿轮(43)和支座(46)，主动齿轮(42)套接在电机(41)的输出轴上，传动螺母(44)转动设置在支座(46)上，从动齿轮(43)与传动螺母(44)套接配合，主动齿轮(42)与从动齿轮(43)相啮合，转接支杆(3)与传动螺母(44)螺纹配合，转接支杆(3)与传动螺母(44)相连的一端开设有滑槽，滑块(45)与支座(46)相连，所述滑槽与滑块(45)滑动配合，支座(46)固定在所述风洞支架(5)上。
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