七孔探針風電資源調查和風場特性研究的一種新技術

七孔探針是一種高性能的流場測量儀器，它能測量出三維流場中氣流方向、氣流速度、總壓和靜壓。與激光多普勒測速儀（LDV）、粒子成像測速儀（PIV）以及熱線風速儀相比，七孔探針有它自身的優(yōu)越性，價格便宜，設備簡單，測量方法簡單，對環(huán)境要求低，精度很高，流場測量參數全面，而且測量過程中來流相對于探針軸線的角度可以達到70°－80°。因此從上世紀80年代以來七孔探針一直被廣泛用于大角度復雜流動的測量。由于上述優(yōu)點，七孔探針可以用來測量野外自然風的速度大小和方向，為我國開展風力資源調查和風場特性研究提供了一種新技術。

一、七孔探針的基本工作原理

七孔探針的外形及坐標系如圖1所示。它依靠其頭部七個孔所感受的氣流壓力的相對大小判斷氣流速度的大小與方向，并根據參考壓力和速度的值得到頭部附近氣流的平均壓力大小。

首先，通過給定來流條件，確定參考壓強和參考速度的大小，并通過比較各孔壓力的相對大小按最高壓力孔的位置判斷來流速度所屬的分區(qū)（見圖2）。因此七孔探針可測量的角度空間分為七個區(qū)域。其中內區(qū)為以7號孔中心的7區(qū)，對應小流動角范圍；外區(qū)為以其它各孔為中心的1-6區(qū)，對應大流動角范圍。然后將各孔壓力轉換為無量綱系數cα、cβ、co、cq（內區(qū)）和cθ、cφ、co、cq（外區(qū)）的不同形式。

在內區(qū)的小角度下，需要根據七個測壓孔的壓力Pi(i=1， …，7)，按照下式算出各個壓力系數c、c、co、cq，用于確定氣流的迎角α和側滑角β(如圖1所示)。式中為周圍６個孔壓力的算術平均值，PoL、P∞L分別代表當地的實際總壓和靜壓。

在外區(qū)大流動角下，由于探針有三個測壓孔處于分離區(qū)內，因此僅能根據迎風的四孔壓力值確定氣流的俯仰角θ和滾轉角φ，由下式算出各區(qū)的c、c、co和cq，其中下標n代表來流對應的區(qū)號，n=1-6，n+1和n-1分別為其左右兩相鄰孔的孔號。

氣流的迎角和側滑角（或外區(qū)的俯仰角和滾轉角）總壓系數co和動壓系數cq均可用下式表達為c、c（內區(qū)）或c、c（外區(qū)）的多項式的形式。下標i表示狀態(tài)數。

構造同一分區(qū)的m個不同狀態(tài)的校準方程組

求解得到校準系數K。有了校準系數K，根據測量中得到的各種壓力系數C，就可以得到A的值。對小流動角（內區(qū)）：A表示α、β、Co和Cq；對大流動角（外區(qū)）：A表示θ、φ、Co和Cq

二、七孔探針的校準

七孔探針的加工精度要求十分嚴格，制造完成后須在顯微鏡下進行批量篩選，來保證探頭校準精度和成功率，校準較為復雜和耗時。

根據七孔探針測定的各個流動角下的七孔壓力，將測量結果整理成無因次壓力系數。要確定的流動角、總壓、靜壓可用上述壓力系數的四次多項式表示。每個區(qū)只需用其兩個對應的壓力系數作為變量，內區(qū)用Cα和Cβ表示。校準方法采用最小二乘法進行曲線擬合，采用四次多項式來確定各區(qū)參數。

KA是校準系數，在每個區(qū)中對應不同的A分別有15個校正系數，因而每個區(qū)有60個校準系數。一根探針共有420個系數，這些系數通過校準得到。

進行校準實驗時，若在每個區(qū)各測量n個點的數據，根據最小二乘法擬合實驗數據原理，現在校準系數是未知數，對于一個流動參數有15個，測點n必須大于15。用最小二乘法進行擬合時，為提高精度要求（n-15）>20。

每個點數據含七個壓力值，即探針七個孔分別所測得的壓力，整理得到Cα，Cβ，Co，Cq（內區(qū)）和Cθ，Cφ，Co，Cq（外區(qū)），可用矩陣形式表示：

三、七孔探針的測量實例

本次使用的七孔探針用不銹鋼做成，探針外徑4mm，七個孔的內徑相同，都為0.6mm。每個測壓孔的壓力通過尼龍軟管連接到壓力傳感器。壓力傳感器的信號經過放大后，由數據采集卡采集，再經過計算機處理，得到結果。校測的誤差來源主要有壓力傳感器和放大器的精度、非線性度、重復率、溫漂以及數據采集卡(A/D)的分辨力(位數)。為此，在校準探針時，應采用多通道高精度壓力傳感器及16位數據采集系統采集數據。通過優(yōu)化實驗過程，編制相應的探針校準和測量程序，提高了探針校準擬合精度和測量精度。校準結果表明，所用的七孔探針的角度誤差小于0.3度，而速度的誤差小于1%。

本次測量是對風力機葉片的葉尖下游流場進行了測量，結果如圖4所示。清楚地表明了葉尖渦的存在和特點。圖中左邊為葉尖渦橫截面速度矢，右邊為總壓分布。

由于七孔探針的優(yōu)點，使它特別適合測量復雜的空氣流動。因此，可以得出結論，七孔探針可以用來測量野外自然風的速度大小和方向，為我國開展風力資源調查和風場特性研究提供了一種新技術。

（作者單位：南京信息職業(yè)技術學院機電工程系）