CN201662459U - 流场压力和速度的组合测量工具 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及流体的压力和流速测量领域。具体是在流场中利用多孔压力探头和一维热线风速仪来测量流场的压力和三维流速的装置。该装置包括一个具有由三个平动自由度、两个转动自由度功能的五自由度支架，和安装在五自由度支架的转动自由度上的一个多孔压力探头和一个一维热线探头。多孔压力探头是三孔、五孔，或者是七孔的，探头的端部呈三十度的锥形，包括与孔数相等的压力传感器。热线探头是一维热线风速仪，包括与之相匹配的模数转换器、信号放大器、数据采集系统。

Description

流场压力和速度的组合测量工具 

1.技术领域

本发明涉及流体的压力和流速测量领域。具体是在流场中利用多孔压力探头和一维热线探头来测量流场的压力和三维流速的装置和方法，包括压力探头和热线风速仪的设计、安装、标定和操作程序。 

2.背景技术

随着电子、光学技术日益进步，热线风速仪，激光多普勒测速仪，粒子示踪技术等流体测量方法已经有了广泛的应用。然而用上述流体测量仪器往往需要较大的成本，多普勒测速和示踪粒子测速都需要示踪粒子，而且是应用在小型的测量区域内。三维热线的制造和使用成本较高。很多场合，特别是对于流体平均流动速度的测量，多孔压力探头，由于具有低成本，加工制造简单的特点，仍然有广泛的应用。 

多孔压力探头(包括三孔、五孔、七孔)用于三维速度矢量的测量的基本原理在于从不同孔中测量得的压力差可以判定流体速度大小和方向。通常情况下，当压力探头和流动方向之间的角度过大，流体在探头上产生流动分离现象，致使测量失败。三孔和五孔探头经常发生这样的情况。相比之下，七孔压力探头有较高的应用价值。六个动压孔可以均匀地分布在中心的静压孔周围，并采取分区策略，即可防止流动分离，使测量较大的流动角度更加可靠。 

热线风速仪是流体速度测量的另外一种常用工具。其原理是利用流体流经热线时，使热线产生热量损失，从而导致电阻变化的原理。特别是具有响应快、准确性高的特点，因而常被用于瞬态测量。通常三维流场的测量需要使用三维热线风速仪，而三维热线制作成本昂贵，实际应用中也容易出现热线损毁。特别是三维热线的标定十分复杂、费时。如果应用于大的流动角度测量，必然要标定更多的测量点和工况，造成标定时间过长，引起电子仪器的漂移现象。尽管如此，热线风速仪仍是最有效的流速测量工具，特别是一维热线，由于结构简单、制作成本低而得到广泛应用。 

3.发明内容

本发明利用多孔压力探头和热线风速仪的各自的优势，设计一套用于流体流动测量的组合工具和方法，既是将七孔压力探头和一维热线结合起来，测量流体流动(包括大流动角度)时的压力、速度(包括平均速度、瞬时速度)所涉及的装置、标定过程、操作过程、以及数据处理方法。 

为完成测量，首先需要一个由步进电机驱动的五自由度支架。除了按照笛卡尔坐标方向移动，在安装测量探头的测量端还应该有两个转动方向，能够产生转动自由度α°和β°。由五自由度支架上的转动部件完成。为完成测量，需要多孔压力探头一个和一维热线风速仪一个，在测量的不同阶段分别安装在转动自由度上。 

本发明的核心技术在于用压力探头获得测量点的流动方向，然后用一维热线探头在同一 个测量点沿流动方向测量瞬态速度。测量过程具体分为四步。 

测量第一步首先开始于压力探头的标定。步骤是： 

1.给定已知角度，定位探头； 

2.测量多个压力，获取压力系数； 

3.流动分离检测。 

测量第二步是一维热线风速仪的标定。 

测量第三步是用压力探头获得测量点的流动角度。步骤是： 

1.压力探头分区选择； 

2.流动角度从标定值中插值获得； 

3.记录测量点的空间坐标和流动角度。 

测量第四步是用热线探头替换压力探头，进行瞬态速度测量。步骤是： 

1.驱动五自由度支架按照测量点的空间坐标和流动角度定位热线探头； 

2.当地一维测量； 

4.附图说明

图1测量装置 

其中图中编号表示：1.来流方向；2.多孔压力探头或热线探头；3.转动自由度α°；4.转动自由度β°；5.五自由度支架 

图2七孔压力探头的测量端的示意图 

图3测量方案图 

4.具体实施方式

以下结合说明书附图和实施例子对本发明做进一步说明。该实施例子是用本发明提出的压力和速度的组合测量工具和方法在亚音速风洞中测量物体尾流的三维流场。图1是该例子使用的测量工具实施的布局。图3给出测量方案图。 

如图1中所示，整体装置放在流动的下游。五自由度支架有三个平动自由度和两个转动自由度。自由度的运动均是由计算机控制的、安装在五自由度支架上的步进电机完成的。使用的压力探头是七孔压力探头。探头端部呈三十度的锥形，从七孔压力探头的测量端的示意图图2中可以说明分区策略。中间的孔上的标号为7，周围的孔从1到6。将七个孔分成六个区，每个区有四个孔，如，7-4-3-5；7-3-2-4；7-2-1-3；7-1-2-6；7-6-1-5；7-5-4-6。只要在某个区内有流体的附着，测量即为有效。比较三孔和五孔探头，每个孔必须都在有效区，有流体的附着。因而，七孔压力探头进一步增大了测量角度的范围。有七根细管与七孔压力探头的尾部相连，从风洞壁面伸出与孔数相等的压力传感器、信号放大器、数据采集系统相连。热线探头是一维热线风速仪，通过电线连接到模数转换器、信号放大器和数据采集系统。图3表明多孔压力探头和一维热线风速仪分别连接压力传感器和电桥，再通过数据采集系统，即数据采集板，将信号输入微处理器中的数据分析和处理单元，然后微处理器驱动五自由度 支架上的步进电机，定位探头位置和角度，完成组合测量。测量时风洞的静压psta可从壁面上的静压孔获得，总压ptot由风洞入口状态决定。 

测量过程第一步是七孔压力探头的标定。流动角度可以从-50°到50°。间隔为5°。在每个设定的角度，七个压力值在六个区可以获得二十八个系数 

径向和切向压力系数 

${\mathrm{Cp}}_{r1}=\frac{p1-p7}{p1-\frac{p2+p6}{2}};$ ${\mathrm{Cp}}_{t1}=\frac{p1-p7}{p1-\frac{p2+p9}{2}}$

${\mathrm{Cp}}_{r2}=\frac{p2-p7}{p2-\frac{p1+p3}{2}};$ ${\mathrm{Cp}}_{t2}=\frac{p1-p3}{p2-\frac{p1+p3}{2}}$

${\mathrm{Cp}}_{r3}=\frac{p3-p7}{p3-\frac{p2+p4}{2}};$ ${\mathrm{Cp}}_{t3}=\frac{p2-p4}{p3-\frac{p2+p4}{2}}$

${\mathrm{Cp}}_{r4}=\frac{p4-p7}{p4-\frac{p3+p5}{2}};$ ${\mathrm{Cp}}_{t4}=\frac{p3-p5}{p4-\frac{p3+p5}{2}}$

${\mathrm{Cp}}_{r5}=\frac{p5-p7}{p5-\frac{p4+p6}{2}};$ ${\mathrm{Cp}}_{t5}=\frac{p4-p6}{p5-\frac{p4+p6}{2}}$

${\mathrm{Cp}}_{r6}=\frac{p6=p9}{p6-\frac{p5+p1}{2}};$ ${\mathrm{Cp}}_{t6}=\frac{p5=p1}{p6-\frac{p5+p1}{2}}$

总压和静压系数 

${\mathrm{Cp}}_{\mathrm{tot}1}=\frac{p1-\mathrm{ptot}}{p1-\frac{p2+p6}{2}};$ ${\mathrm{Cp}}_{\mathrm{sta}1}=\frac{\frac{p2+p6}{2}-\mathrm{psta}}{p1-\frac{p2+p6}{2}}$

${\mathrm{Cp}}_{\mathrm{tot}2}=\frac{p2-\mathrm{ptpt}}{p2-\frac{p1+p3}{2}};$ ${\mathrm{Cp}}_{\mathrm{sta}2}=\frac{\frac{p1+p3}{2}-\mathrm{psta}}{p2-\frac{p1+p3}{2}}$

${\mathrm{Cp}}_{\mathrm{tot}3}=\frac{p3-\mathrm{ptot}}{p3-\frac{p2+p4}{2}};$ ${\mathrm{Cp}}_{\mathrm{sta}3}=\frac{\frac{p2+p4}{2}-\mathrm{psta}}{p3-\frac{p2+p4}{2}}$

${\mathrm{Cp}}_{\mathrm{tot}4}=\frac{p4-\mathrm{ptot}}{p4-\frac{p3+p5}{2}};$ ${\mathrm{Cp}}_{\mathrm{sta}4}=\frac{\frac{p3+p5}{2}-\mathrm{psta}}{p4-\frac{p3+p5}{2}}$

${\mathrm{Cp}}_{\mathrm{tot}5}=\frac{p5-\mathrm{ptot}}{p5-\frac{p4+p6}{2}};$ ${\mathrm{Cp}}_{\mathrm{sta}5}=\frac{\frac{p4+p6}{2}-\mathrm{psta}}{p5-\frac{p4+p6}{2}}$

${\mathrm{Cp}}_{\mathrm{tot}6}=\frac{p6-\mathrm{ptot}}{p6-\frac{p5+p1}{2}};$ ${\mathrm{Cp}}_{\mathrm{sta}6}=\frac{\frac{p5+p1}{2}-\mathrm{psta}}{p6-\frac{p5+p1}{2}}.$

对于小角度的流动方向，流体完全附着在探头上，压力系数可用下式求得， 

${\mathrm{Cp}}_{r7}={\mathrm{Cp}}_{\mathrm{ta}}+\frac{{\mathrm{Cp}}_{\mathrm{tb}}-{\mathrm{Cp}}_{\mathrm{tc}}}{2};$ ${\mathrm{Cp}}_{t7}=\frac{1}{\sqrt{3}}({\mathrm{Cp}}_{\mathrm{tb}}+{\mathrm{Cp}}_{\mathrm{tc}})$

${\mathrm{Cp}}_{\mathrm{tot}7}=\frac{p7-\mathrm{ptot}}{p7-\stackrel{\‾}{p}};$ ${\mathrm{Cp}}_{\mathrm{sta}7}=\frac{\stackrel{\‾}{p}-\mathrm{psta}}{p7-\stackrel{\‾}{p}}$

其中 

${\mathrm{Cp}}_{\mathrm{ta}}=\frac{p4-p1}{p7-\stackrel{\‾}{p}};$ ${\mathrm{Cp}}_{\mathrm{tb}}=\frac{p3-p6}{p7-\stackrel{\‾}{p}};$ ${\mathrm{Cp}}_{\mathrm{tc}}=\frac{p2-p5}{p7-\stackrel{\‾}{p}};$ $\stackrel{\‾}{p}=\frac{1}{6}(p1+p2+p3+p4+p5+p6).$

测量的第二步是在风洞中进行一维热线探头的标定。这个过程快捷、简单。 

测量的第三步是测量点平均速度、流动方向的获得。将七孔压力探头沿风洞流动方向一致。在每个测量点获得七个压力值。将七个压力比较，最高压力的孔决定分区选择。在每区有四个压力系数。将P7与另外三个压力比较，如果差值小于设定的门限值，意味流动分离，测量角度超出标定范围。 

正常的情况下，在测量点利用标定数据进行角度插值获得α，β和压力系数的插值。将测量点的角度和压力系数记录成文件。然后按下式求得测量点速度的大小 

$\left|V\right|=\sqrt{\frac{2}{\mathrm{\ρ}}(p_n-\stackrel{\‾}{p})(1+\mathrm{Cpsta}-\mathrm{Cptot})},$

p_n是选中的某个分区中的压力， 

为该分区的压力均值，例如区7-2-3-4中，p_n＝p3， 

下面很容易求得速度分量 

u＝|V|cosαcosβ；v＝|V|sinα；w＝-|V|cosαsinβ。 

测量第四步是用一维热线探头测量瞬态速度。五自由度支架重新定位热线探头与各个测量点。在测量点由五自由度支架在步进电机的驱动下，调整热线探头角度，直至沿着流体流动的方向，处理成当地一维流动，再进行测量。 

通过这样的测量过程，三维流场的瞬态流速场、压力场得以获得。测量结果是用多孔压力探头和一维热线探头组合使用而获得的，省去了三维热线的使用，使测量过程，特别是针对大流动角度，简单、快捷、低成本。 

Claims (3)

1.一种流场压力和速度的组合测量工具，其特征是一个具有由三个平动自由度、两个转动自由度功能的五自由度支架，和安装在五自由度支架的转动自由度上的一个多孔压力探头和一个一维热线探头构成的。

2.根据权利要求1所述的一种流场压力和速度的组合测量工具，多孔压力探头是三孔、五孔，或者是七孔，探头的端部呈三十度的锥形，包括与孔数相等的压力传感器、信号放大器、数据采集系统。

3.根据权利要求1所述的一种流场压力和速度的组合测量工具，热线探头是一维热线风速仪，包括与之相匹配的模数转换器、信号放大器、数据采集系统。 

Images