一种可旋转一字型流量测量装置及测量方法与流程

本发明涉及实验空气动力学技术领域，尤其涉及一种可旋转一字型流量测量装置及测量方法。

背景技术：

吸气式高超声速飞行器以超燃冲压发动机为动力，而进气道作为超燃冲压发动机不可或缺的气动部件，其设计性能的好坏直接决定超燃冲压发动机性能的发挥和影响高超声速飞行器性能的优劣。进气道流量系数是描述进气道性能的一个主要性能参数，开展进气道流量测量对于核算进气道流量系数、预估推进系统推力性能及总压恢复性能、校核进气道数值计算结果具有重要意义，是进气道风洞试验的重要内容之一。

开展进气道流量测量的方法通常是总静压法，即在进气道隔离段某一截面(如出口截面)上布置总压测量耙及静压测点，获得进气道的流量和平均总压。

国内外在风洞试验中开展进气道出口流量测量的方式主要由以下三种：一是复合型总压耙测量，采用“十”字形、“*”型或“米”字型总压耙布局，测量截面为圆形，总压耙上总压测点布置按照面积平均法设置；二是直线扫描式总压耙测量，测量截面为矩形，总压耙上设置多个总压测点，为了扫描测量截面的整个流场，总压耙安装在一套位移机构上，试验过程中采用同步控制器控制位移机构带动总压耙在竖直平面内直线运动对矩形进气道出口的测量截面进行扫描；三是圆周扫描式总压耙测量，测量截面为圆形，总压耙上设置多个总压测点，为了扫描测量截面的整个流场，总压耙安装在转动机构上，试验过程中采用同步控制器控制转动结构带动总压耙在竖直平面内绕测量截面中心旋转对测量截面整个圆周进行扫描。

复合型总压耙测量方法在内流道中采用固定排架方式，一方面可以获得测量排架所在列的压力数据，这种测量方式由于测点布置密集，为了防止压力测点在几何上的相互干涉，压力传感器通常安装在从压力排架引出的管道末端；另一方面，对于脉冲风洞中的总压测量试验，必须采用脉动压力传感器以使总压测点的响应时间与脉冲风洞的毫秒级有效试验时间相匹配，才能获得可靠的测量数据，复合型总压测量耙的这种管道效应势必影响总压测点的响应速度，从而对测量结果带来较大的测量误差。直线扫描式总压耙以及圆周扫描式总压耙测量方法，虽然可以实现整个截面的扫描测量，但是无论是直线扫描还是圆周扫描，一是其移动机构或转动机构结构复杂，二是完成一次扫描及测量需要几秒或更长的时间，不适宜在激波风洞、脉冲风洞等瞬时风洞试验中采用，三是需要增设控制系统。

技术实现要素：

本发明意在提供一种可旋转一字型流量测量装置及测量方法，以解决现有技术的排架运动机构复杂、运行时间长，以及排架上的总压测点在几何上相互干涉及管道延时的问题。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种可旋转一字型流量测量装置，包括一字型压力排架、支架和调节架，所述支架固定在模型尾支撑上，所述调节架可拆卸连接在支架的上部，所述调节架的两端设有导向槽，所述一字型压力排架位于矩形进气道出口，所述一字型压力排架包括对称尖劈，所述对称尖劈远离矩形进气道出口的一端设有两连接杆，所述连接杆的自由端设有滑动头，所述滑动头与导向槽滑动连接并通过螺钉固定，所述对称尖劈靠近矩形进气道出口的一端等间隔设有三个小圆孔，所述小圆孔连通有传感器安装孔，所述小圆孔安装有压力探针，所述传感器安装孔安装有脉动压力传感器，所述连接杆的上下两侧分别固定有上盖板和下盖板。

进一步，所述支架包括支架主体，所述支架主体的下端一体成型有两夹持臂，所述模型尾支撑设有一固定部，所述固定部的对称两侧为平面，两夹持臂分别与该对称两侧夹紧并通过螺钉固定，所述夹持臂和固定部之间插有定位销。

进一步，所述调节架的两导向槽之间形成有卡槽，所述卡槽宽度大于所述支架主体宽度，所述卡槽的底部开设有通孔，所述通孔的两侧等间隔开设有两个圆弧形长槽孔，所述支架主体远离矩形进气道出口一侧固接有带锁紧螺母的螺柱，所述卡槽与支架主体通过所述螺柱可拆卸连接，所述卡槽的底部和支架主体之间还连接有贯穿圆弧形长槽孔的导向锁紧螺钉。

进一步，所述对称尖劈靠近矩形进气道出口的一端是角度为30°的尖楔，所述压力探针是外径为1.2mm、壁厚0.2mm的小钢管，且压力探针靠近矩形进气道出口的端部与尖楔距离为5mm。

进一步，所述压力探针与小圆孔密封连接。

本发明还提供一种可旋转一字型流量测量装置的调节方法，应用于权利要求1-5任一项所述的可旋转一字型流量测量装置，包括：

t1、拧松所述锁紧螺母和所述导向锁紧螺钉；

t2、以所述螺柱中心线为转轴转动调节架直至一字型压力排架转动到矩形进气道出口试验需要位置，然后保持调节架与支架主体的相对位置不动；

t3、拧紧锁紧螺母和导向锁紧螺钉。

本发明的另一目的在于，提供一种可旋转一字型流量测量装置的测量方法，采用如上所述的可旋转一字型流量测量装置，包括：

s1、将矩形进气道出口测量截面等分成3×3个面元，获取矩形进气道出口测量截面的静压和各面元中心点对应的波前压力；

s2、根据所述步骤s1中的静压和波前压力，得到各面元对应的空气动力学流量函数；

s3、根据流量计算公式(1)，得到各面元的空气流量，根据流量计算公式(2)，得到矩形进气道出口测量截面的空气流量，其中所述流量计算公式(1)为：

式中，k是与气体比热比相关的常系数，p^*i,1为第i个面元中心点对应的波前压力，t^*为矩形进气道出口流场总温，ai第i个面元的面积，qi为第i个面元对应的空气动力学流量函数；

所述流量计算公式(2)为：

s4、根据总压计算公式(3)，得到矩形进气道出口测量截面的平均总压，其中所述总压计算公式为：

进一步，所述步骤s1中，获取矩形进气道出口测量截面的静压，包括：

在矩形进气道出口测量截面各壁面均布静压探针，结合公式(4)，得到矩形进气道出口测量截面的静压，其中所述公式(4)为：

进一步，所述步骤s1中，获取各面元中心点对应的波前压力，包括：

s11、将所述测量装置的压力探针对齐矩形进气道出口测量截面的中部三面元，获取中部三面元中心点对应的皮托压；

s12、根据所述步骤s11获取的皮托压和所述步骤s1获取的静压，得到中部三面元中心所在水平直线上的波前压力曲线，作为流场标定曲线；

s13、将所述测量装置的一字型压力排架绕所述螺柱中心线转动，获取任一对角面元的皮托压；

s14、根据所述步骤s13获取的皮托压和所述步骤s1获取的静压，得到该对角面元中心点对应的波前压力；

s15、根据该对角面元的波前压力和所述流场标定曲线，获取所述对角面元所在水平直线上其它面元的中心虚拟测点对应的波前压力。

进一步，所述步骤s15中，获取所述对角面元所在水平直线上其它面元的中心虚拟测点对应的波前压力，具体为：将所述流场标定曲线平移至所述对角面元的中心点得到对角面元中心点所在水平直线上各点的波前压力曲线，根据矩形进气道出口测量截面的其它面元的位置，从所述波前压力曲线上得到其它面元的中心虚拟测点对应的波前压力。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

本测量装置固定在矩形进气道出口位置，一字型压力排架上布置三个总压测点，压力排架可绕螺柱中心线在出口平面内旋转调节。通过两次风洞开车试验，实现对矩形进气道出口平面上各测点的皮托压测量，根据测量截面上的皮托压测量结果和测量平面位置的静压测量结果计算出矩形进气道出口测量截面的流量和平均总压，从而实现在瞬时风洞中进行矩形进气道出口截面流量及总压测量的功能，形成一种结构简单、操作便捷、易于实现的用于脉冲风洞矩形进气道出口的流量和总压测量技术手段。该装置既可以避免复合型总压排架测点在几何上相互干涉及管道延时的问题，也能避免扫描式总压排架运动机构复杂、运行时间超长及机构控制的繁琐问题。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种可旋转一字型流量测量装置的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种可旋转一字型流量测量装置的爆炸图；

图3为本发明实施例提供的一种可旋转一字型流量测量装置调节后的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的一种可旋转一字型流量测量装置的测量方法的流程图；

图5为本发明实施例提供的矩形进气道出口测量截面上的各面元分布图。

具体实施方式

下面结合附图和实施方式对本发明作进一步的详细说明：

说明书附图中的附图标记包括：矩形进气道出口1、压力探针2、上盖板3、一字型压力排架4、螺钉一5、支架6、调节架7、螺钉二8、锁紧螺母9、导向锁紧螺钉10、螺钉三11、定位销12、模型尾支撑13、螺钉四14、下盖板15。

本实施例的测量装置结构基本如图1、图2和图3所示，一种可旋转一字型流量测量装置，包括一字型压力排架、支架6和调节架7，矩形进气道出口1截面的各壁面安装静压探针。

模型尾支撑13固定连接有支架6，支架6包括支架6主体，支架6主体的下端一体成型有两夹持臂，模型尾支撑13设有一固定部，固定部的前后对称两侧为平面，两夹持臂分别与该对称两侧夹紧并通过螺钉三11固定，夹持臂和固定部之间插有定位销12。

调节架7可拆卸连接在支架6的上部，调节架7的左侧前后两端设有导向槽，两导向槽之间形成有卡槽，卡槽的宽度大于支架6主体宽度，卡槽的底部开设有通孔，通孔的两侧等间隔设有一个圆弧形长槽孔，所述支架6主体远的右侧固接有带锁紧螺母9的螺柱，卡槽与支架6主体通过螺柱可拆卸连接，卡槽的底部和支架6主体之间还连接有贯穿圆弧形长槽孔的导向锁紧螺钉10。

一字型压力排架包括对称尖劈，对称尖劈的左端是角度为30°的尖楔，尖楔上均匀布有3个直径为1.2mm的小圆孔，圆孔通过焊接或粘接的方式安装有压力探针2，保证其与一字型压力排架连接可靠，两者连接处密封良好无漏气，压力探针2是外径为1.2mm、壁厚0.2mm的小钢管，压力探针2的左端不倒角，压力探针2的左端与矩形进气道出口1的距离小于1mm，但压力探针2的左端不能伸入矩形进气道出口1；压力探针2的左端距离尖楔为5mm。

对称尖劈的右端为平面，且在该平面的前后两端各设有一连接杆，连接杆的自由端设有滑动头，滑动头与导向槽滑动连接并通过螺钉二8固定，两连接杆之间的对称尖劈的右端开设有三个传感器安装孔，传感器安装孔分别与对应的小圆孔同轴且贯通，传感器安装孔安装有脉动压力传感器，确保从压力探针2的内孔到一字型压力排架的传感器安装孔出口端面之间的气流通道畅通无堵塞。连接杆的上下两侧分别通过螺钉一5和螺钉四14固定有上盖板3和下盖板15，上盖板3和下盖板15之间有脉动压力传感器和连接杆。

一种可旋转一字型流量测量装置的调节方法，包括：

t1、拧松锁紧螺母9和导向锁紧螺钉10；

t2、以螺柱中心线为转轴转动调节架直至一字型压力排架转动到矩形进气道出口试验需要位置，然后保持调节架与支架主体的相对位置不动；

t3、拧紧锁紧螺母和导向锁紧螺钉。

参考图4，一种可旋转一字型流量测量装置的测量方法，采用如上的可旋转一字型流量测量装置，包括：

s1、将矩形进气道出口测量截面等分成3×3个面元，获取矩形进气道出口1测量截面的静压和各面元中心点对应的波前压力；

进一步，步骤s1中，获取矩形进气道出口1测量截面的静压，包括：

在矩形进气道出口测量截面各壁面均布静压探针，结合公式(4)，得到矩形进气道出口测量截面的静压，其中公式(4)为：

进一步，步骤s1中，获取各面元中心点对应的波前压力，包括：

s11、将测量装置的压力探针对齐矩形进气道出口测量截面的中部三面元，获取中部三面元中心点对应的皮托压；

s12、根据步骤s11获取的皮托压和步骤s1获取的静压，得到中部三面元中心所在水平直线上的波前压力曲线，作为流场标定曲线；

s13、将测量装置的一字型压力排架绕螺柱中心线转动，获取任一对角面元的皮托压；

s14、根据步骤s13获取的皮托压和步骤s1获取的静压，得到该对角面元中心点对应的波前压力；

s15、根据该对角三面元的波前压力和流场标定曲线，获取对角面元所在水平直线上其它面元的中心虚拟测点对应的波前压力。

进一步，步骤s15中，获取其它面元的中心虚拟测点对应的波前压力，具体为：将所述流场标定曲线平移至所述对角面元的中心点得到对角面元中心点所在水平直线上各点的波前压力曲线，根据矩形进气道出口测量截面的其它面元的位置，从所述波前压力曲线上得到其它面元的中心虚拟测点对应的波前压力。

具体地，将矩形进气道出口测量截面等分成3×3个面元，面元的中心为ai(i＝1～9)，每个面元的中心对应一个总压测点，一字型压力排架上设置3个总压测点(即压力探针)，通过两次风洞试验就可以获得矩形进气道出口测量截面上各面元ai对应总压测点的皮托压。

如图5所示，第一次风洞试验时，一字型压力排架上的总压测点分别对应面元a4、a5、a6的中心，其皮托压分别是p^*4,2、p^*5,2、p^*6,2，通过矩形进气道出口测量截面上壁面静压探针pj(j＝1～4)的测量结果，可以得到测量截面的静压为：

根据与当地ma的关系，可以求得各面元的当地马赫数mai，据此得到面元a4、a5、a6中心点对应的波前压力p^*i,1(i＝4,5,6)，于是获得矩形进气道出口测量截面上面元a4、a5、a6中心点所在水平直线上的波前压力曲线作为流场标定曲线，为第二次风洞试验中总压测点不能覆盖面元中心的波前压力进行插值提供依据。

第一次试验结束后，一字型压力排架(4)绕螺柱中心线，即绕转轴a5顺时针旋转适当角度后，压力排架上的总压测点分别对应面元a1、a5、a9的中心，然后进行第二次试验，获得面元a1、a5、a9中心对应总压测点的皮托压分别是p^*1,2、p^*5,2、p^*9,2，参照上述步骤，可以获得矩形进气道出口测量截面上面元a1、a5、a9中心点对应的波前压力p^*i,1(i＝1,5,9)。

将流场标定曲线平移至面元a1的中心点，得到面元a1中心点所在水平直线上各离散点的波前压力分布曲线，根据面元a2、a3的位置从曲线上就可以得到面元a2、a3中心虚拟测点对应的波前压力；

参照上述步骤，可以分别得到面元a4、a6以及a7、a8中心虚拟测点对应的波前压力。

于是，通过第一次风洞试验获得的流场标定曲线和第二次风洞试验得到的三个面元中心点对应的波前压力，就可以得到矩形进气道出口测量截面上等分面元ai中心的波前压力p^*i,1(i＝1～9)。

s2、步骤s1中的静压和波前压力，得到各面元对应的空气动力学流量函数；

具体地，根据与当地ma的关系，可以求得各面元的当地马赫数mai，据此得到面元上qi。

s3、根据流量计算公式(1)，得到各面元的空气流量，根据流量计算公式(2)，得到矩形进气道出口测量截面的空气流量，其中流量计算公式(1)为：

流量计算公式(2)为：

s4、根据总压计算公式(3)，得到矩形进气道出口测量截面的平均总压，其中总压计算公式为：

式(1)、式(2)、式(3)和式(4)中，是矩形进气道出口测量截面上第i个面元的空气流量，k是与气体比热比相关的常系数，p^*i,1为第i个面元中心点对应的波前压力，t^*为矩形进气道出口流场总温，ai第i个面元的面积，qi为第i个面元对应的空气动力学流量函数，是矩形进气道出口测量截面的空气流量，p*是矩形进气道出口测量截面的平均总压，pj是矩形进气道出口测量截面上第j点的壁面静压，n是测量截面上的壁面静压测点数，p是矩形进气道出口测量截面上的壁面静压。

以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体技术方案和/或特性等常识在此未作过多描述。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明技术方案的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。