专利名称：测量旋流场的压力和速度的工具的制作方法
技术领域：
本发明涉及流体的测量领域。具体是在旋流场中利用七孔压力探头和一维热线探头来测量旋流场的压力和三维流速的装置。
背景技术：
旋流场是工程中常见的现象，以流场中分布大尺度旋涡为主要特征。例如，建筑物下风位置的流场、机翼的翼尖涡流场、涡轮发动机转子周围的流场等等，而且通常都是湍流场。针对这类物理现象的研究必须精确测量流体流动的压力和三维瞬态速度。从测量的角度讲，旋流场的测量过程中，两个邻近的测量点的速度方向变化率较大，是大流动角度的测量。随着电子、光学技术日益进步，激光多普勒测速仪(LDA)，粒子成像测速技术(PIV)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制造和使用成本，而且都是应用在较小的测量区域内，测量结果必须通过对信号的后处理技术才能获得。多普勒测速和示踪粒子成像测速都需要示踪粒子，示踪粒子相对流体流动的跟随性问题，即示踪粒子是否能够真实地反应流体的流动状态。由于示踪粒子的密度和流体密度的差异，导致两者的转动惯量不同。在旋流场中，示踪粒子不能真实反映当地流体的运动轨迹。这类测量技术的可靠性在旋流场的测量中得不到保障。热线风速仪(Hot-wire anemometer)是另一类常用的流场速度测量工具,其原理是利用流体流经热线时，使热线产生热量损失，从而导致电阻的变化。特别是具有响应快、准确性高的特点，因而常被用于流场的瞬态测量，非常适合对流场的湍流特性分析。三维流动速度的测量需要三维热线，即三根热丝制成的探头，为了减小呈细杆状的热线探头对流场的扰动，需要尽量减小其空间尺度，不仅制造成本高、难度大，而且在实际应用过程中，热丝极易折断，致使测量失败。三维热线风速仪测量大流动角度时，需要对所有的测量角度下的热线的状态进行标定。例如，对于流场流动角度在-50°到+50°，、间隔为5°的三维热线标定的时间约需要8个小时。这会引起电子仪器发生飘移，使得标定结果失真。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。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、四、五、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。旋流场中，相对于放置方向固定的压力探头，流体流动方向是大流动角度。此时，流体在探头上会产生流动分离现象，致使流体不能完全地附着在探头表面，压力孔则不能准确获得当地的压力值，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，在测量较大的流动角度时，更加可靠。总之，对于旋流场的压力和速度的测量需要开发一种精确、可靠、低成本的测量工具。[0007]发明内容本发明利用七孔压力探头和一维热线风速仪的各自的优势，设计一套用于旋流场流体流动的测量工具，既是将七孔压力探头和一维热线结合起来测量旋流场流体的三维瞬态流动，即在大流动角度时的压力、速度(包括平均速度、瞬时速度)所涉及的装置和操作过程。本发明提出的测量旋流场的压力和速度的工具包括一个七孔压力探头(I)、一个一维热线风速仪探头(2)、一个有两个转动自由度的支架系统(3)、一个三自由度平动机构
(4)、七个压力传感器(5)、压力管(6)、常温电桥(7)、导线(8)、数据采集管理系统(9)及控制计算机(10)等部件。图1是测量旋流场的压力和速度的工具的布局图，表明了上述部件的连接关系。图中标明:七孔压力探头⑴和热线风速仪探头(2)定位在有两个转动自由度的支架系统
(3)上；有两个转动自由度的支架系统(3)固定在一个三自由度平动机构⑷上；七孔压力探头(I)通过压力管(6)连接到七个压力传感器(5)，再连接到数据采集系统(9)、控制计算机(10)；一维热线风速仪探头(2)通过导线(8)连接到常温电桥(7)，再连接到数据采集系统(9)、控制计算机(10)。七孔压力探头(I)的外形呈长圆柱体形状，在其测量端端部呈圆锥台形状。图2(a)和图2(b)分别是七孔压力探头的测量端的外观图和顶视图。顶视图是沿着七孔压力探头的圆柱形的轴线观看测量端的视图。七孔压力探头有一个中心孔(11)，沿着其圆周方向均匀地分布着另外六个间隔120°的周边孔(12)。中心孔也称作动压孔；六个周边孔也称作静压孔，中心孔(动压孔)和周边孔(静压孔)都是压力孔。利用图2(b)可以说明七孔压力探头的七个孔特有的分区策略，如图3所示。中心孔上的标号为7，周边孔的标号从I到6。将七个孔分成六个区，每个区有四个孔:孔7-4-3-5 ;孔 7-3-2-4 ;孔7-2-1_3 ;孔7-1-2_6 ;孔7-6-1_5 ;孔7-5-4_6。以上六个区使用 I至6表示为区号。只要在任一个区内有流体的附着，测量即为有效。针对旋流场的流动特点，流动方向和固定放置的七孔压力探头(I)的方向之间的角度较大，即使流体有可能在
(I)的端部发生流动分离现象，流体没有完全附着在其端部表面，但是必然有流体附着在六个区内的任一区内，该区的四个压力孔的压力值即可获得当地流体的三维速度和压力。因而，七孔压力探头(I)可以测量大角度的流动。七孔压力探头(I)在测量使用之前需要标定。一维热线风速仪探头(2)外形是呈细长圆柱体的形状。图4是一维热线风速仪探头的测量端的外观图。一根热丝(13)焊接在热丝支架(14)顶部，热丝支架为导电体，根部连接导线(8)。导线(8)置于外形是呈细长圆柱体的导线套筒(15)内。导线另一端连接常温电桥(7)。流体流过热丝(13)，造成其产生一定的热耗散，导致其电阻的变化，常温电桥
(7)输出电压值产生变化。流体的速度和常温电桥(7)的输出之间的关系需要标定。图5是有两个转动自由度的支架系统(3)产生的两个转动自由度的定义，即是指在笛卡尔坐标系下产生摆动角度α ° (16)和仰俯角度β ° (17)的转动。两个转动自由度转动的角度应该覆盖流场中的流动角度。图中X，1，ζ是笛卡尔坐标系的三维方向。[0018]图6是有两个旋转自由度的支架系统的结构示意图。图中表示了摆动角度α ° (16)和仰俯角度β ° (17)两个自由度产生的原理。该系统包括探头定位夹子(18)、蜗轮(19)、蜗杆(20)、步进电机I号(21)、支架(22)、传动轴(23)、止推轴承(24)、步进电机2号(25)等部件。各个部件的连接关系如图中所示。图6也表示了有两个转动自由度的支架系统(3)固定在一个三自由度平动机构
(4)上。三自由度平动机构是指笛卡尔坐标系下的三维平面方向上的运动，分别由三台步进电机控制。上述两个转动自由度和三个平动自由度共构成五个空间自由度。图7表示了五个空间自由度之间的关系的形成。图中表示:沿着X-方向的平动(26)、y-方向的平动(27)、ζ-方向的平动(28)，可以将有两个转动自由度的支架系统(3)移动到x-y、y_z、χ-ζ平面上的任意空间点，在当地可以由有两个转动自由度的支架系统(3)产生如图5所示的摆动角度α ° (16)和仰俯角度β ° (17)的转动。本发明提出的测量旋流场的压力和速度的工具的使用流程在于:用七孔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。图8是该工具的使用过程的流程图。图中表示，该工具使用过程具体分为四步。具体是:第一步是七孔压力探头的标定；第二步是一维热线风速仪的标定；第三步是用七孔压力探头获得测量点的流动角度；第四步是用一维热线探头替换七孔压力探头，沿着已知的流动角度进行瞬态速度测量。

图1是测量旋流场的压力和速度的工具的布局图。图中，I七孔压力探头、2—维热线风速仪探头、3有两个转动自由度的支架系统、4三自由度平动机构、5七个压力传感器、6压力管、7常温电桥、8导线、9数据采集管理系统、10控制计算机。图2(a)和图2(b)分别是七孔压力探头的测量端的外观图和顶视图。图中，11中心孔、12周边孔。图3是七孔压力探头七个孔的分区策略。图4是一维热线风速仪探头的测量端的外观图。图中，13热丝、14热丝支架、15导
线套筒。图5是两个转动自由度的定义。图中，16摆动角度α°、17仰俯角度β°、1七孔压力探头、2 —维热线风速仪探头。图6是有两个旋转自由度的支架系统的结构示意图。图中，16摆动角度α°、21步进电机I号、24止推轴承、22支架、17仰俯角度β°、I七孔压力探头、2 —维热线风速仪探头、19蜗轮、18定位夹子、20蜗杆、23传动轴、25步进电机2号、4三自由度平动机构。图7是五个空间自由度之间的关系的形成。图中，I七孔压力探头、2 —维热线风速仪探头、17仰俯角度β °、16摆动角度a°、27y_方向的平动、28ζ-方向的平动26χ-方向的平动、4三自由度平动机构、3有两个转动自由度的支架系统。图8是测量旋流场的压力和速度的工具的使用过程的流程图。图9 (a)、图9 (b)是三维机翼尾流的流场的测量方案图。图中，30风洞气流流动方向、31三维机翼、29风洞、I七孔压力探头、2 —维热线风速仪探头、3有两个转动自由度的支架系统、4三自由度平动机构、6压力管、8导线、32风洞壁面上的小孔、5七个压力传感器、7常温电桥、33信号放大器、9数据采集管理系统、10控制计算机、34控制线。
具体实施方式
以下结合具体实施例子对本发明的结构和原理做进一步说明。该实施例子是用本发明提出的测量旋流场的压力和速度的工具在亚音速风洞中测量三维机翼尾流的三维瞬态流场。众所周知，三维机翼尾流的流场是以翼尖涡结构为主要特征。翼尖涡结构表现为流动的螺旋形状并向下游传播，是高度旋转的流场。图9 (a)、(b)是三维机翼尾流的流场的测量方案图，分别表示了七孔压力探头(I)和一维热线探头(2)，与其他部件的连接关系。该具体实施例子使用的测量旋流场的压力和速度的工具的部件组成、布局和连接关系与图1所示相同，这里不再叙述。如图9(a)、(b)中所示，本发明提出的测量装置整体放在风洞(29)中，沿着风洞内产生的气流流动方向( 30)安置在三维机翼(31)的下游。风洞的静压Psta可从壁面上的静压孔获得，总压Pttrt由风洞入口状态决定。风洞产生水平一维来流，流速可以从亚音速到超音速进行调节，不同的风速下，风洞的静压Psta改变，风洞的总压Pttrt不变。呈细长圆柱体杆状的七孔压力探头端部外形图与图2(a)、图2(b)相同。圆锥呈三十度的锥形，锥形体积小于直径为3.5mm的球体。每个压力孔的直径1.3mm 细长圆柱体外径为5_。材料为不锈钢制成。七孔压力探头(I)的七个孔的分区策略如图3所示。图9 (a)表示七孔压力探头⑴的尾部连接有压力管(6)，此处为七根柔性细管，从风洞壁面的小孔(32)伸出与七个压力传感器(5)相连，再连接信号放大器(33)和数据采集系统(9)。图9(b)表示一维热线探头外形与图4相同。热丝(13)材料为镍铬合金(Nickelchromium),直径为5 μ m。热丝支架(14)伸出长圆柱体3mm。导线⑶从风洞壁面的小孔
(32)伸出连接到常温电桥(7)、信号放大器(33)和数据采集系统(9)。数据采集系统(9)连接控制计算机(10)，并通过控制线(34)调整有两个转动自由度的支架系统(3)和三自由度平动机构(4)。按照图8给出的该工具的使用过程的流程图，第一步是七孔压力探头的标定。在风洞中调整三个自由度的平动机构和有两个转动自由度的支架系统，定位七孔压力探头在风洞中心，并使七孔压力探头的圆柱形外形的轴线方向与来流方向一致，即摆动角度α °和仰俯角度β°等于零。标定的流动角度从-50°到50°，间隔为5°，共约400个需要标定的角度。对于每个用不同的)表示的、需要标定的角度，需要从连接七孔压力探头的七个压力传感器获取的七个压力值经过计算获得十四个压力系数。它们是，径向压力系数Cpri和切向压力系数Cpti分别表示为
Cpri=- H— ;(I)Pji + Pji Pi — —
Cpti = — U色一，(2)Pji + Pj2
P1 ------—
1 I式中变量的下标i表示孔的标号，也是图3中表示的分区策略的区号，i = I,2,…6。如果i = I,则jl = 6 ； j2 = 2,如果i = 6,则jl = 5 ; j2 = I,当i等于其他，则 jl = i+1 ;j2 = 1-lo针对小角度的流动方向(流动角小于30° )的情况，流体完全附着在探头上，中心孔(孔7)的径向压力系数和切向压力系数可用下式求得，
权利要求1.一种测量旋流场的压力和速度的工具，其特征在于，包括一个七孔压力探头(I)、一个一维热线风速仪探头(2)、一个有两个转动自由度的支架系统(3)、一个三自由度平动机构(4)、七个压力传感器(5)、压力管(6)、常温电桥(7)、导线(8)、数据采集管理系统(9)及控制计算机(10)，上述部件的连接关系: 七孔压力探头(I)和热线风速仪探头(2)定位在有两个转动自由度的支架系统(3)上； 有两个转动自由度的支架系统(3)固定在一个三自由度平动机构(4)上； 七孔压力探头(I)通过压力管(6)连接到七个压力传感器(5)，再连接到数据采集系统(9)、控制计算机(10)； 一维热线风速仪探头(2)通过导线(8)连接到常温电桥(7)，再连接到数据采集系统(9)、控制计算机(10) ο
2.根据权利要求1所述的一种测量旋流场的压力和速度的工具，其特征在于，所述的七孔压力探头(I)的外形呈长圆柱体的形状，在其测量端端部呈圆锥台形状。
3.根据权利要求1所述的一种测量旋流场的压力和速度的工具，其特征在于，所述的一维热线风速仪探头(2)外形是呈细长圆柱体的形状。
专利摘要一种测量旋流场的压力和速度的工具，其特征在于，包括一个七孔压力探头、一个一维热线风速仪探头、一个有两个转动自由度的支架系统、一个三自由度平动机构、七个压力传感器、压力管、常温电桥、导线、数据采集管理系统及控制计算机。其中七孔压力探头和热线风速仪探头定位在有两个转动自由度的支架系统上；有两个转动自由度的支架系统固定在一个三自由度平动机构上；七孔压力探头通过压力管连接到七个压力传感器，再连接到数据采集系统、控制计算机；一维热线风速仪探头通过导线连接到常温电桥，再连接到数据采集系统、控制计算机。
文档编号G01D21/02GK203053472SQ201220480409
公开日2013年7月10日 申请日期2012年9月18日 优先权日2012年9月18日
发明者路明 申请人:天津空中代码工程应用软件开发有限公司