一种基于微型探针实现气流角度实时监测的方法与装置与流程

文档序号:21777206发布日期:2020-08-07 19:43阅读:来源:国知局

技术特征:

1.一种用于实现气流角度实时监测的微型探针,其特征在于,所述微型探针为楔形涡流发生器式探针,所述微型探针由楔形部和四棱锥形状的截椎体两部分一体化形成,楔形部的前端和四棱锥形状的截椎体的底部重合;其中

楔形部的底面为第一等腰梯形,第一等腰梯形前缘宽度为ω1,后缘宽度为ω2,侧边宽度l;楔形部高度h;楔形部的上表面为第二等腰梯形,其上底为四棱锥的底面的上边,下底为第一等腰梯形的底边,左右两条腰被其上、下底限定;楔形部的左、右表面都是三角形,三角形的底边分别为四棱锥底面的左右两边,三角形的两条侧边分别是第一、第二等腰梯形的两条腰;

探针的前侧面为四棱锥形状的截椎体表面,所述前侧面不包括四棱锥的底面;四棱锥的尖部被截断;四棱锥底面的四条边中,上下两边相互平行,左右两边相互平行且与探针底面相垂直;在四棱锥表面加工探针孔,探针孔数为n,直径为φ;探针孔的位置和数量根据需要确定,探针孔的打孔方向与四棱锥的底面相垂直,但至少有一个探针孔位于四棱锥的截面上;除了位于截面上的探针孔外,其他探针孔的位置在四棱锥的四个侧面的全部或部分上。

2.如权利要求1所述的微型探针,其特征在于,探针孔数n不小于3,不大于7。

3.如权利要求2所述的微型探针,其特征在于,n=3,三个探针孔水平布置,用于测量侧滑角度β,并且,这三个探针孔分布于探针左表面、截面、探针右表面。

4.如权利要求2所述的微型探针,其特征在于,n=5,五个探针孔呈十字形分布,用于测量俯仰角度α,并且,这五个探针孔分布于探针左表面、探针右表面、截面、探针上表面、探针下表面。

5.如权利要求1所述的微型探针,其特征在于,测压孔的直径φ不小于0.5mm,不大于2mm。

6.如权利要求5所述的微型探针,其特征在于,φ=0.7mm。

7.如权利要求1所述的微型探针,其特征在于,h与δ在同一量级。

8.如权利要求7所述的微型探针,其特征在于,ω1=h,ω2/h=2,l/h=3,h/δ=1.5。

9.一种利用如权利要求1-8的任何一项的微型探针实现气流角度实时监测的方法,其特征在于,包括下列步骤:

一、设计微型探针

设计微型探针造型之前,通过风洞实验确定在常用气流角度下进气道唇口处的附面层厚度;利用位移机构将附面层探针沿壁面法向移动,步长不大于1mm,结合附面层探针和唇口壁面的静压孔对进气道唇口处的附面层参数进行测量;基于在附面层内静压沿壁面法向梯度为零的流体力学理论,认为静压孔的示数即代表附面层内同一点处静压沿法向分布的示数,附面层探针的示数即表示流场某一点处的总压示数;计算获得流场径向截面的速度分布规律,认为达到99%主流速度处距离壁面的高度即为附面层高度δ;

设计如权利要求1-8的任何一项所述的微型探针并将安装在进气道外壁面,使得位于四棱锥的截面上的探针孔正对来流方向,探针阵列个数根据具体需要决定,当探针个数大于等于2时,将沿进气道外壁面周向均匀安装所述微型探针;

气流通过微型探针会诱导出沿探针两侧向下游运动的涡结构,增强附面层内低能流体与主流的掺混,从而提高气流抵抗分离的能力;

确定微型探针的尺寸和造型后,使用数值仿真的手段对探针布置在进气道唇口后的流场进行计算分析,通过壁面的静压升系数等指数对施加探针后流场的性能进行评估;依据数值仿真的结果,对楔形涡流发生器式的微型探针尺寸和造型进一步优化完善直至获得满意结果;

二、微型探针在固壁面上的安装与标定

根据多孔针不转动法进行测量,在测量的过程中保持探针方向不动,根据各个孔测出的压力读数通过适当计算和查找有关校准曲线求出气流各个参数;

对每只微型探针进行气动吹风校验,标定探针孔的压力与气流参数之间确定性关系;对于宽速域飞行器而言,飞行过程中马赫数变化范围较大,因此在获得标定系数曲线时,应对飞行速度上下限的流场分别标定,通过算法拟合出中间区域的标定系数曲线以获得全域特性曲线;探针标定的基本原理是将探针置于标准流场中,改变探针与来流气流的角度,测出不同俯仰角度α或侧滑角度β下多孔探针各孔的压力值,换算成第一方向系数kα或第二方向系数kβ后使用;

另外,校准风洞中气流的总压、静压以及方向必须是已知的,并且具有均匀稳定的流场;将探针放在试验段的中心区,以减少附面层、气流泄漏等因素的影响;

三、利用微型探针对流场进行实时监测以获得来流角度

在进气道唇口附近阵列安装i个微型探针,将探针固定在唇口的槽道内使其不能转动,检测唇口不同位置处的进气攻角;多孔的微型探针测得的是压力信号,其数值不能直接读取;因此,首先要用密闭软管连接压力探针管道,密闭软管由楔形探针底面连出,前端与压力探针管道相连,后端与压敏器件相连,将微型探针传来的压力信号通过压敏器件和放大电路转化为电信号进行输出,输出端用数据采集卡将电信号转变为数字信号;再根据各个孔测出的压力,通过数据处理器计算得出相对应的方向系数公式,由方向系数制作方向系数特征图,通过对方向系数特征图插值得到气流角度,从而实时显示测点的气流角度。

10.如权利要求9所述的实现气流角度实时监测的方法,其特征在于,当需要测量俯仰角度α时,假设测量三个竖直方向探针孔所感受到的压力为p1,p4,p5,则第一方向系数kα由下列公式求出:

当需要测量侧滑角度β时,假设测量三个水平方向探针孔所感受到的压力为p1,p2,p3,则第二方向系数kβ由下列公式求出:


技术总结
提供一种用于实现气流角度实时监测的微型探针,由楔形部和四棱锥形状的截椎体两部分一体化形成,在四棱锥表面加工探针孔,用于测量气流压力。还提供一种利用微型探针实现气流角度实时监测的方法,利用微型探针对流场进行实时监测以获得来流角度。本发明的装置和方法利用微型探针对气流角度进行实时监测能够在减少对流场扰动并改善流动分离的基础上实施精确测量,为后续操作提供输入指令,在实际流场测量与使用性能耦合方面具有广泛的应用前景。

技术研发人员:汪一舟;张海灯;吴云
受保护的技术使用者:中国人民解放军空军工程大学
技术研发日:2020.04.21
技术公布日:2020.08.07
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