錐形三孔探針用于大氣流角流場的技術(shù)研究

尹鵬 劉龍初

摘 要：三孔探針作為一種測量氣流方向和速度的接觸式氣動(dòng)設(shè)備，角度一般不超過±30°，當(dāng)流場內(nèi)部復(fù)雜、被測角度超過校準(zhǔn)角度時(shí)，三孔探針無法獲得準(zhǔn)確的流場數(shù)據(jù)。本文設(shè)計(jì)了一種三孔探針，將校準(zhǔn)角度擴(kuò)大到±60°，獲得了探針的氣動(dòng)特性曲線，提出了“分割角度”的概念，給出了分段迭代線性插值的數(shù)據(jù)處理方法，編制了專用計(jì)算程序，并對程序進(jìn)行了驗(yàn)證試驗(yàn)，分析表明，三孔探針在校準(zhǔn)角度±60°范圍內(nèi)，在分割角度外的驗(yàn)證點(diǎn)的角度誤差不超過0.5°，馬赫數(shù)誤差不超過0.02，總壓誤差不超過0.2%，可以用于大氣流角流場測試.

關(guān)鍵詞：流場測試;三孔探針;校準(zhǔn)技術(shù);線性插值

在航空發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)過程中，常需要進(jìn)行流場測量，三孔探針測量流場是基于氣體繞流球體的原理[1]，氣流在規(guī)則球體表面兩個(gè)對稱的小孔產(chǎn)生壓力，根據(jù)小孔壓力的變化，得到氣流參數(shù)。

三孔探針在使用前必須進(jìn)行校準(zhǔn)，一方面是消除探針自身結(jié)構(gòu)對感壓局部流場的影響和由加工造成的角度不對稱、孔口毛刺等機(jī)械誤差，另一方面也是為獲得不同角度、馬赫數(shù)與各孔壓力值的關(guān)系。

獲得三孔探針校準(zhǔn)數(shù)據(jù)后，需要對其進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，關(guān)于方向探針的處理方法，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量的研究[2-5]，為了了解三孔探針在大氣流角流場的應(yīng)用情況，本文設(shè)計(jì)了一種三管式三點(diǎn)三孔探針，在馬赫數(shù)0.2～0.5下進(jìn)行了角度為±60°的校準(zhǔn)，分析了該結(jié)構(gòu)三孔探針的氣動(dòng)特性，獲得了探針的分割角度，提出了分段迭代線性插值的數(shù)據(jù)處理方法，為三孔探針在大氣流角流場的應(yīng)用提供幫助。

1 錐形三孔探針結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

錐形三孔探針頭部為60°，氣壓孔編號為正對探針從左至右依次排列，壓力孔編號為P1、P2、P3，支桿上設(shè)計(jì)了3個(gè)測點(diǎn)，從下往上依次為測點(diǎn)1、測點(diǎn)2、測點(diǎn)3，模型見圖1。

2 三孔探針校準(zhǔn)

2.1 校準(zhǔn)方法

校準(zhǔn)馬赫數(shù)：0.2～0.5，校準(zhǔn)角度α：-60°～+60°，間隔為3°。

2.2 校準(zhǔn)方法校準(zhǔn)系數(shù)

圖2為三孔探針測點(diǎn)1的Cα校準(zhǔn)系數(shù)曲線圖，橫坐標(biāo)為角度α，縱坐標(biāo)為Cα，Cα在角度α為-45°和48°時(shí)產(chǎn)生突變，兩個(gè)突變內(nèi)Cα從大到小呈現(xiàn)規(guī)律變化。

圖3為三孔探針測點(diǎn)1的Cm校準(zhǔn)系數(shù)曲線圖，橫坐標(biāo)為角度α，縱坐標(biāo)為Cm，從圖中可看出， Cm在角度α為-45°和48°時(shí)正負(fù)值發(fā)生變化，-45°～48°范圍時(shí)，Cm為正值，范圍外Cm為負(fù)值，并呈現(xiàn)規(guī)律變化。可看出三孔探針存在這樣的角度，在該角度時(shí)，Cα?xí)a(chǎn)生突變，Cm會(huì)正負(fù)值轉(zhuǎn)變，本文將該角度稱為分割角度。

2.3 數(shù)據(jù)處理方法

按照三孔探針的分割角度，將校準(zhǔn)數(shù)據(jù)分成三段，在-45°～48°范圍內(nèi)，Cα曲線是逐漸變小的，因此選取Cα曲線進(jìn)行迭代線性插值，在-60°～-45°范圍內(nèi)，Cm曲線是逐漸變大的，在45°～60°范圍內(nèi)，Cm曲線是逐漸變小的，因此選取Cm曲線進(jìn)行迭代線性插值。基于上述分析，本文提出分段進(jìn)行迭代線性插值的處理方法，并編制迭代線性插值程序。

分段迭代線性插值的數(shù)據(jù)處理思路見圖4：

2.4 驗(yàn)證分析

為評估分段迭代線性插值程序的可行性，對其進(jìn)行了驗(yàn)證試驗(yàn)和誤差分析。

選擇驗(yàn)證點(diǎn)：馬赫數(shù)為0.373，角度為-58°、-55°、-52°…、53°、56°、59°，間隔3°，計(jì)算出的數(shù)據(jù)誤差如圖5所示。

圖5中，橫坐標(biāo)為角度α，縱坐標(biāo)為角度誤差Δα，從圖中可看出，角度α為-46°、-43°、47°時(shí)，驗(yàn)證點(diǎn)的角度誤差超過1°，最大值為2°，其他驗(yàn)證點(diǎn)的角度誤差Δα基本不超過0.5°，兩個(gè)分割角度之內(nèi)的角度誤差Δα不超過0.3°。

圖6中，橫坐標(biāo)為角度α，縱坐標(biāo)為馬赫數(shù)誤差ΔMa，從圖中可看出，角度α為-46°、-43°、47°時(shí)，驗(yàn)證點(diǎn)的馬赫數(shù)誤差ΔMa超過0.02，最大值為-0.1，其他驗(yàn)證點(diǎn)的馬赫數(shù)誤差ΔMa基本不超過0.02。

圖7中，橫坐標(biāo)為角度α，縱坐標(biāo)為總壓誤差ΔPt，從圖中可看出，角度α為-46°、-43°、47°時(shí)，驗(yàn)證點(diǎn)的總壓誤差ΔPt超過0.2%，最大值3.45%，其他驗(yàn)證點(diǎn)的總壓誤差ΔPt基本不超過0.2%。從圖5～圖7可看出三孔探針在分割角度附近的驗(yàn)證數(shù)據(jù)誤差會(huì)大一些，分割角度之外的驗(yàn)證數(shù)據(jù)誤差完全滿足測試要求。

3 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種三管式三點(diǎn)三孔方向探針，通過校準(zhǔn)獲得了探針的校準(zhǔn)系數(shù)曲線，設(shè)計(jì)了分段迭代線性插值程序，并對程序進(jìn)行了驗(yàn)證，通過分析可以得到如下結(jié)論：

（1）三孔探針存在兩個(gè)分割角度，兩個(gè)分割角度內(nèi)的角度系數(shù)曲線呈規(guī)律分布，壓縮系數(shù)曲線為正值，分割角度外的壓縮系數(shù)曲線為負(fù)值，不同測點(diǎn)三孔探針的分割角度略有不同，但校準(zhǔn)曲線的變化規(guī)律是一致的;

（2）以三孔探針的兩個(gè)分割角度，將校準(zhǔn)角度為±60°以內(nèi)的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)分成三段，分段采用不同的迭代線性插值方法是可行的，可以求得插值計(jì)算的唯一解;

（3）除了分割角度處的驗(yàn)證點(diǎn)誤差比較大，之外的驗(yàn)證點(diǎn)誤差完全滿足測試需求，證明了三孔探針可以適用于大氣流角范圍的流場測試。

參考文獻(xiàn)：

[1] 黃衛(wèi)星，陳文梅.工程流體力學(xué)[M].北京： 化學(xué)工業(yè)出版社.2001.

[2] 金捷，徐鎮(zhèn)勇，王月貴.低速流場全方位校準(zhǔn)五孔探針測量數(shù)據(jù)處理方法[J]. 燃?xì)鉁u輪試驗(yàn)與研究，1995，8（1）：50—54.

[3] 廖安文，孔祥林. 基于改進(jìn)最小二乘法的五孔探針數(shù)據(jù)處理方法[J].東方汽輪機(jī)，2015，（1）：11—15.

[4] 王蕾.七孔探針風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)技術(shù)研究[D].南京理工大學(xué)，20091216.

[5] 岳國強(qiáng)，韓萬金. 五孔探針實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理的線性插值法[J].哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2004.

（中國航發(fā)湖南動(dòng)力機(jī)械研究所，湖南 株洲 412002）