一种用于亚声速复杂三维流场测量的12孔全向探针的制作方法
【技术领域】：
[0001]本发明属于亚声速流场测试领域，具体涉及一种用于亚声速复杂三维流场测量的 12孔全向探针。
【背景技术】：
[0002] 在空气动力流场的测量中，既要测量流速的大小，又要确定流速的方向，如自由射 流试验、风洞流场品质校测、航空发动机高空模拟试验、燃气轮机涡轮叶片尾缘和机翼型附 近的复杂流场等。
[0003] 目前，对于流场速度和方向角的测量，用的较多的是五孔探针和七孔探针。五孔探 针和七孔探针最大测量气流角度取决于测压头几何形状和测压孔位置分布，能够准确测量 的气流角度可以达到70度。对于很多复杂的流场，如非流线物体的尾迹区或者回流区域，气 流方向角（150°左右)远大于五孔探针和七孔探针能够测量的角度范围。
[0004] 其他流场测试设备，如激光多普勒测速仪(LDV)和粒子成像测速仪(PIV)等，设备 昂贵，使用方法复杂，对使用环境要求较高，对于很多复杂的流场测量实现难度大。
【发明内容】
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[0005] 发明目的：
[0006] 设计结构简单可靠的亚声速12孔全向探针，用于复杂的亚声速三维流场中速度、 方向角和总静压的测量，主要包括风洞试验、航空发动机试验以及其他用于亚声速流场测 试的场合，实现复杂三维流场的全方向角度测量。
[0007] 本发明实现上述目的的方案：
[0008] 一种用于亚声速复杂三维流场测量的12孔全向探针，包括测压头（1)、测压杆、安 装座（5)、定位环（6)、测压管（7)、压力接嘴（8);其中，测压杆为空心结构，包括第一支杆 (2)、第二支杆(3)、第三支杆(4);测压头（1)为球体结构，测压头（1)直径为5mm~30mm，经电 火花或电解成型加工，测压头（1)上分布有12个测压孔，测压孔位于与测压头（1)内接的正 20面体的12个顶点上；测压头（1)直径与测压孔直径比为20~40;测压头（1)直径与第一支 杆(2)的直径比为2~5;测压头直径与第一支杆(2)的长度之比为1~3;测压管(7)-端与 压力接嘴(8)连接，另一端穿过测压管(7)与测压头（1)连接，测压头（1)与测压杆及测压管 (7) 之间采用银基钎焊连接，安装座(5)套于第三支杆(3)外侧，用于定位和安装，压力接嘴 (8) -端与测压管(7)连接，另一端与后端压力扫描元件相连接，将压力信号转变为电信号。 测压头（1)采用304不锈钢、GH128高温合金或黄铜材料加工制成。 (0009) 关于技术效果的描写：
[0010]本发明针对传统的五孔探针和七孔探针，提出了一种用于复杂亚声速三维流场测 量的12孔全向探针。该12孔全向探针具有结构简单、测量精度高和可测量气流角范围广等 特点。其可达到以下技术指标：
[0011] 流动角测量范围：-165~165° ;
[0012] 测量结果:角度分辨率：±1°;
[0013] 流动速度范围：5m/s~306m/s(Ma = 0 · 9);
[0014] 总的速度误差：±1%;
[0015] 测量介质：测压头直径为5mm~15mm的12孔探针为空气，测压头直径为15mm~30mm 的12孔探针为水；
[0016] 流场温度限制：200K~1500K;
[0017] 最大采样频率:2ΚΗζ;
[0018] 关于说明书附图
[0019] 图1为全向探针结构示意图；
[0020] 其中，1、测压头;2、第一支杆;3、第二支杆;4、第三支杆;5、安装座;6、定位环;7、测 压管;8、压力接嘴；
【具体实施方式】：
[0021] 本发明所设计的12孔全向探针，具体结构包括测压头（1)、测压杆、安装座(5)、定 位环(6)、测压管(7)、压力接嘴(8);其中，测压杆为空心结构，包括第一支杆(2)、第二支杆 (3)、第三支杆(4);测压头（1)为球体结构，测压头（1)直径为5mm~30mm，经电火花或电解成 型加工，测压头（1)采用304不锈钢、GH128高温合金或黄铜材料加工制成。测压头（1)上分布 有12个测压孔，测压孔位于与测压头（1)内接的正20面体的12个顶点上;测压头（1)直径与 测压孔直径比为20~40;测压头（1)直径与第一支杆(2)的直径比为2~5;测压头直径与第 一支杆(2)的长度之比为1~3;测压管(7) -端与压力接嘴(8)连接，另一端穿过测压管(7) 与测压头（1)连接，测压头（1)与测压杆及测压管(7)之间采用银基钎焊连接，安装座(5)套 于第三支杆(3)外侧，用于定位和安装，压力接嘴(8)-端与测压管(7)连接，另一端与后端 压力扫描元件相连接，将压力信号转变为电信号。
[0022] 本发明所设计的12孔全向探针【具体实施方式】包括:理论分析、工程设计、校准和使 用方法四步：
[0023] 1理论分析
[0024]首先通过理论计算与仿真模拟，确定该型12孔全向探针在不同速度和流场角度的 情况下流动特性，比如压力大小、温度范围。同时为校准过程中速度和方向角范围的选取做 准备。
[0025] 2工程设计和加工
[0026] 1)根据测试对象选取测压头大小，然后根据材料特性和加工工艺设计测压孔直径 大小；
[0027] 2)根据理论分析压力和温度范围选取空气管的材料和尺寸；
[0028] 3)根据测试要求确定支撑结构形式(直杆、L型或者C型），并分析其承载能力；同时 设计相应的转接段形式和尺寸；
[0029] 4)根据位移机构设计相应的安装座。
[0030] 5)测压头采用电火花加工方式，加工后需要进行各测压孔位置度和圆度等公差检 测；
[0031] 6)根据设计总装图进行焊接，本发明各处均采用银基钎焊。焊后砂光焊缝，保持外 型，所有焊缝着色探伤检查，要求焊后无夹渣、裂纹等缺陷；
[0032] 7)空气管打光毛刺、保持锐边;组装前应进行清洗通气检查；
[0033] 3 校准
[0034] 12孔全向探针设计完毕后，需要经过校准才能使用，具体校准过程为：
[0035] 1)根据测试条件确定速度点和方向角校准点；
[0036] 2)根据校准点，将12孔全向探针安装在校准用位移机构上，置于标准风洞，进行校 准；
[0037] 3)将校准数据库的数据分配给所有区域，分区将测量结果按式(5-20)整理成无量 纲系数Ce-cal，C(t)-cal，Cs-cal和Ct-cal 〇
[0038] 4)计算各分区的驻点在局部参考系的坐标值(Θ，史)。
[0039] 5)根据校准点数据二阶曲面拟合的结果，对测压孔坐标值进行初步的评估。
[0040] 4使用方法
[0041] 1)根据12孔全向探针中三个最高压力值，可以得到测量时驻点所在的区域编号和 相应的区域系数。此时，需要检查区域编号存在性和合理性。
[0042] 2)计算试验数据的系数Co和CV并估算qest。
[0043] 3)从选择30组与相近的，Α#/，并计算式(21)计算距离d。为了合理处理靠近 分区边界上的试验数据点，需选择相邻10个区域来计算。同时，选择的校准数据点分布在以 (^和心为坐标轴的直角坐标系里。
[0044] 4)选择d最小的8个校准数据点，拟合出其四个流动参数(两个方向角和总静压）的 最小曲面。
[0045] 5)根据拟合曲面计算出试验数据点对应的局部坐标系参数Θ，，C4PCt。
[0046] 6)将试验数据点的Θ，F转换成全局坐标系圆锥角Θ和滚转角Φ。
[0047] 7)静压和总压按方程(23、24)计算，
[0048] Ps = Pmax 1-Cs * qest (23)
[0049] Pt = Pmax 1-Ct · qest (24) 〇
【主权项】
1. 一种用于亚声速复杂三维流场测量的12孔全向探针，包括测压头（1)、测压杆、安装 座(5)、定位环(6)、测压管(7)、压力接嘴(8);其中，测压杆为空心结构，包括第一支杆(2)、 第二支杆(3)、第三支杆(4);测压头（1)为球体结构，测压头（1)直径为5mm~30mm，经电火花 或电解成型加工，测压头（1)上分布有12个测压孔，测压孔位于与测压头（1)内接的正20面 体的12个顶点上;测压头（1)直径与测压孔直径比为20~40;测压头（1)直径与第一支杆(2) 的直径比为2~5;测压头直径与第一支杆(2)的长度之比为1~3;测压管(7)-端与压力接 嘴(8)连接，另一端穿过测压管(7)与测压头（1)连接，测压头（1)与测压杆及测压管(7)之间 采用银基钎焊连接，安装座(5)套于第三支杆(3)外侧，用于定位和安装，压力接嘴(8)-端 与测压管(7)连接，另一端与后端压力扫描元件相连接，将压力信号转变为电信号。2. 如权利要求1所述的用于亚声速复杂三维流场测量的12孔全向探针，其特征在于，测 压头（1)采用304不锈钢、GH128高温合金或黄铜材料加工制成。
【专利摘要】本发明公开了一种用于亚声速复杂三维流场测量的12孔全向探针，包括测压头1、测压杆、安装座5、定位环6、测压管7、压力接嘴8；其中，测压杆为空心结构，包括第一支杆2、第二支杆3、第三支杆4；测压头1为球体结构，直径为5mm～30mm，经电火花或电解成型加工，12个测压孔位于与测压头1内接的正20面体的12个顶点上；测压管7一端与压力接嘴8连接，另一端穿过测压管7与测压头1连接，测压头1与测压杆及测压管7之间采用银基钎焊连接，压力接嘴8一端与测压管7连接，另一端与后端压力扫描元件相连接，将压力信号转变为电信号。
【IPC分类】G01M9/06
【公开号】CN105588703
【申请号】CN201510937312
【发明人】张有, 吴锋, 尹骥, 冯旭栋, 杨桥
【申请人】中国燃气涡轮研究院
【公开日】2016年5月18日
【申请日】2015年12月15日