一种三维流场测量方法与流程

1.本技术属于压缩机内部试验测量方法技术领域，具体涉及一种三维流场测量方法。


背景技术：

2.目前，压缩机内部流场测量领域中，测量压缩机内部的三元流动时，通常使用的是四孔探针进行测量，通过压力计算得到该点的气流马赫数，再通过温度补偿计算得到测量点的气流速度。常规情况下，为准确的测量温度，改变温度测量元件结构，测量方法是将改变后的测量元件结构放置在测量环境中，测量元件只能测量出处于该点的温度。
3.现有技术中的测量方法没有考虑温度探针在不同气流角下对温度测量的恢复系数，进而忽略了不同气流角对温度探针测量的影响。


技术实现要素：

4.因此，本技术要解决的技术问题在于提供一种三维流场测量方法，能够解决不考虑探针在不同气流角下对温度测量的恢复系数，造成不同气流角对温度探针测量的影响的问题。
5.为了解决上述问题，本技术提供了一种三维流场测量方法，其特征在于，测量方法包括：
6.s1：校准探针，通过所述探针测量校准压力值和校准温度值，得到第一探针气动校准曲线；
7.s2：将所述探针放置到待测点处，测量所述待测点的压力值和温度值；
8.s3：设定预设气流马赫数，基于所述预设气流马赫数得到实际探针气动校准曲线；
9.s4：基于所述实际探针气动校准曲线以及测得的所述待测点的所述压力值，计算得到所述待测点的气流角；
10.s5：基于所述气流角以及所述实际探针气动校准曲线，计算得到总压系数和静压系数，根据得到的所述总压系数和所述静压系数，计算得到所述待测点的第一气流总压和第一气流静压；
11.s6：基于所述第一气流总压和所述第一气流静压，得到校准气流马赫数；
12.s7：用所述校准气流马赫数替代所述预设气流马赫数，并重复s3-s6，得到所述待测点的实际气流总压、实际气流静压以及实际气流马赫数；
13.s8：基于所述气流角和所述实际气流马赫数，得到所述探针的总温恢复系数；
14.s9：基于所述待测点的所述温度值、所述实际气流总压、所述实际气流静压以及所述总温恢复上系数，得到所述待测点的总温值；
15.s10：基于所述总温值以及所述实际气流马赫数，得到所述待测点的速度。
16.可选的，s7中，重复s3-s6直至循环迭代得到的相邻的校准气流马赫数之间的差值小于1％，获得所述实际气流马赫数。
17.可选的，s2还包括：所述待测点的所述压力值包括第一测点压力值、第二测点压力值、第三测点压力值和第四测点压力值。
18.可选的，s3还包括：基于所述第一测点压力值、所述第二测点压力值、所述第三测点压力值和所述第四测点压力值以及所述温度值，得到偏航角系数和俯仰角系数；
19.基于所述偏航角系数、所述俯仰角系数以及所述探针气动校准曲线，得到所述待测点的所述气流角。
20.可选的，从第一测点处获取所述第一测点压力值，从第二测点处获取所述第二测点压力值，从第三测点处获取所述第三测点压力值，从第四测点处获取所述第四测点压力值。
21.可选的，所述第一测点、所述第二测点和所述第三测点均位于第一平面内，所述第一平面为偏航平面。
22.可选的，所述第一测点和所述第三测点对称设置在所述第二测点的两侧，所述第一测点和所述第二测点之间以及所述第二测点和所述第三测点之间均形成角a，所述角a为偏航角。
23.可选的，所述角a的角度为40
°
～50
°
。
24.可选的，所述第二测点和所述第四测点位于第二平面内，所述第二平面为俯仰平面，其中，所述俯仰平面与所述偏航平面相互垂直。
25.可选的，所述第二测点和所述第四测点形成角b，所述角b为俯仰角，其中，所述角b的角度为40
°
～50
°
。
26.有益效果
27.本发明的实施例中所提供的一种三维流场测量方法，通过将探针进行校准后，放置到待测点，测量待测点的压力值和温度值，通过公式进行计算得到气流角，然后进行迭代计算，得到待测点的实际气流总压、实际气流静压以及实际气流马赫数，通过待测点的实际气流总压、实际气流静压以及实际气流马赫数，计算得到总温恢复字数，进而得到总温值，最后计算得到速度。本技术要解决只需要将探针放置到压缩机的任意位置，通过计算得到相应的数值，然后可以得到在不同的气流角下的不同的总温恢复系数，进而得到总温值。提高检测的精度。解决不考虑探针在不同气流角下对温度测量的恢复系数，造成不同气流角对温度探针测量的影响的问题。
附图说明
28.图1为本技术实施例的流程示意图；
29.图2为本技术实施例的探针主视结构示意图；
30.图3为本技术实施例的探针左视剖面结构示意图；
31.图4为本技术实施例的b-b示意图。
32.附图标记表示为：
33.1、第一测点；2、第二测点；3、第三测点；4、第四测点；
具体实施方式
34.在本技术的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
35.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
36.在本技术中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
37.以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
38.结合参见图1至图4所示，根据本技术的实施例，一种三维流场测量方法，其特征在于，测量方法包括：
39.s1：校准探针，通过所述探针测量校准压力值和校准温度值，得到第一探针气动校准曲线；
40.s2：将所述探针放置到待测点处，测量所述待测点的压力值和温度值；
41.s3：设定预设气流马赫数，基于所述预设气流马赫数得到实际探针气动校准曲线；
42.s4：基于所述实际探针气动校准曲线以及测得的所述待测点的所述压力值，计算得到所述待测点的气流角；
43.s5：基于所述气流角以及所述实际探针气动校准曲线，计算得到总压系数和静压系数，根据得到的所述总压系数和所述静压系数，计算得到所述待测点的第一气流总压和第一气流静压；
44.s6：基于所述第一气流总压和所述第一气流静压，得到校准气流马赫数；
45.s7：用所述校准气流马赫数替代所述预设气流马赫数，并重复s3-s6，得到所述待测点的实际气流总压、实际气流静压以及实际气流马赫数；
46.s8：基于所述气流角和所述实际气流马赫数，得到所述探针的总温恢复系数；
47.s9：基于所述待测点的所述温度值、所述实际气流总压、所述实际气流静压以及所述总温恢复系数，得到所述待测点的总温值；
48.s10：基于所述总温值以及所述实际气流马赫数，得到所述待测点的速度。
49.在使用探针时，需要对探针进行校准，是通过将探针在校准风洞中进行校准，通过测量的压力值和温度，计算得到第一探针气动校准曲线。通过设定的预设气流马赫数，基于第一探针气动校准曲线，得到实际探针气动校准曲线，即新拟合成的探针气动校准曲线，校准后的探针放置到待测点处，测量待测点的压力值和温度值结合实际探针气动校准曲线，计算得到实际气流总压、实际气流静压以及实际气流马赫数，然后得到总温恢复系数，最后得到待测点的速度。只需要将探针放置到待测点处进行测量，计算到待测点的总温恢复系
数，得到探针在不同的气流角下对温度测量的总温恢复系数，进而提高探针的测量温度值和压力值的精度，降低不同气流角对温度测量的影响。
50.进一步的，本技术中，是通过四孔探针在对三维流场进行检测时，需要对探针进行校准，校准需要在校准风洞中进行，测量四个压力值和一个温度值，得到探针气动校准曲线，ka＝f1(ma，α，β)、k
β
＝f2(ma，α，β)、k
p
＝f3(ma，α，β)、ks＝f4(ma，α，β)、k
t
＝(ma，α，β)。
51.进一步的，在校准的范围内，分别在不同马赫数下，改变探针偏转角和俯仰角，经过气动校准可得各校准系数随着偏转角、俯仰角和马赫数的变化曲线，校准系数包括偏转角系数、俯仰角系数、总压系数、静压系数和总度恢复系数，所有系数均为马赫数、偏转角和俯仰角的函数，公式如下：
[0052][0053][0054][0055][0056][0057]
式中：
[0058]
ka：偏转角系数；k
β
：俯仰角系数；k
p
：总压系数；ks：静压系数；k
t
：总温恢复系数；p1：探针测点i压力测量值；p2：探针测点ii压力测量值；p3：探针测点iii压力测量值；p4：探针测点iv压力测量值；p
t
：校准压力；ps：校准静压；t
t
：校准总温；t1：探针温度值。
[0059]
进一步的，将校准后的探针放置到待测点，其中，待测点为压缩机内部的预设位置，在待测点处可以通过探针测量出压力值和温度值。
[0060]
进一步的，通过探针测量校准压力值和校准温度值，得到第一探针气动校准曲线，通过预设气动马赫数，拟合实际探针气动马赫数，并测得的压力值结合实际探针气动校准曲线，通过得到的kα和kβ，结合拟合的实际探针校准曲线f1’和f2’得到待测点的气流角，进而只要是在不同待测点，得到不同的压力值，就可以得到不同的气流角，提高了探针在不同的气流角下的测量精度，降低不同气流角对温度测量的影响。
[0061]
进一步的，设定预设气流马赫数，预设马赫数后拟合实际探针气动校准曲线f1’、f2’、f3’、f4’、f5’。预设气流角马赫数是在本技术的测量范围内的，根据实际的测量的环境进行选择，本技术不做进一步的限定。
[0062]
进一步的，通过公式：
[0063]
[0064][0065]
得到总压系数和静压系数，根据公式计算得到第一气流总压和第一气流静压。其中，第一气流总压和第一气流静压是作为计算辅助，进行迭代计算，进而得到待测点的实际气流总压、实际气流静压以及实际气流马赫数。根据待测点的温度值和压力值，计算得到待测点的实际气流总压、实际气流静压以及实际气流马赫数，提高在不同气流角情况下的测量精度，且便于测量。
[0066]
进一步的，要考虑不同气流角下的总温恢复系数，所以根据气流角和实际气流马赫数，得到总温恢复系数，便于得到总温恢复系数提升流场的测量能力。
[0067]
根据公式：
[0068][0069]
计算得到总温值，即为该待测点的气流的总温值。提高探针对总温测量的范围，提高测量的能力。
[0070]
进一步的，根据公式得到速度，
[0071][0072]
式中
[0073]
c-气流速度
[0074]
ma-气流实际马赫数
[0075]
k-气体绝热指数
[0076]
r-气体常数
[0077]
tt-气流总温值
[0078]
进一步的，根据总温值、实际气流静压以及实际气流马赫数，得到待测点的速度，进而得到探针表面上任意一点的压力和速度的大小之间的联系，同时根据不同位置的压力值，得到与速度之间的联系，进而提高测量的精度。
[0079]
s7中，重复s3-s6直至循环迭代得到的相邻的校准气流马赫数之间的差值小于1％，获得所述实际气流马赫数。根据得到的校准气流马赫数之间的差值比值小于1％，即得到实际的气流马赫数。
[0080]
进一步的，通过循环迭代，当在s6步骤得到校准气流马赫数，再进行一次循环迭代，当在s6中再次得到校准气流马赫数，其中，两次得到的校准气流马赫数是相邻的，并且后得到的校准气流马赫数与前得到的校准气流马赫数之间的差值相比小于1％时，即后得到的校准气流马赫数是实际气流马赫数。
[0081]
s2还包括：待测点的压力值包括第一测点压力值、第二测点压力值、第三测点压力值和第四测点压力值。通过第一测点压力值、第二测点压力值、第三测点压力值和第四测点压力值，可以得到气流绕过探针流动时，探针上的任意一点的压力与速度之间的关系，提高探针测量的精度和准确度。
[0082]
进一步的，第一测点压力值、第二测点压力值、第三测点压力值和第四测点压力值是限于四孔探针进行使用，通过4个点测量出第一测点压力值、第二测点压力值、第三测点压力值和第四测点压力值。
[0083]
s3还包括：基于第一测点压力值、第二测点压力值、第三测点压力值和第四测点压力值以及温度值，得到偏航角系数和俯仰角系数；基于偏航角系数、俯仰角系数以及探针气动校准曲线，得到待测点的气流角。通过探针上的5个测量点的，得到压力值和温度值，进而计算得到偏航角系数和俯仰角系数。再根据实际探针气动校准曲线以及测得的待测点的所述压力值得到待测点的气流角，进而得到在不同的气流角下，压力值和方向关系，提高流场测量的能力。
[0084]
进一步的，探针上有5个测量点，其中4个是测量压力值的，1个是测量温度值的，可以根据不同的压力值得到不同的气流角，计算更为准确。
[0085]
进一步的，根据公式：
[0086][0087][0088]
进行计算，得到偏航角系数和俯仰角系数。之后根据偏航角系数和俯仰角系数以及探针气动校准曲线，计算得到待测点的气流角。通过计算，得到压力值、温度值与气流角之间的关系，提高探针的测量精度。
[0089]
进一步的，温度值是通过在探针上的测温度口处，内还有热电偶偶丝头，热电偶偶丝头与热电偶延长线连接，热电偶延长线可以连接温度采集卡，用以测量热电偶偶丝头处温度值，进而得到探针上的温度值。
[0090]
从第一测点1处获取第一测点压力值，从第二测点2处获取第二测点压力值，从第三测点3处获取第三测点压力值，从第四测点4处获取第四测点压力值。根据在不同的4个点处测量得到的压力值，可以精确的计算得到仰俯角系数和偏航角系数，结合探针气动校准曲线，使探针测量温度的精度提高。
[0091]
进一步的，第一测点1、第二测点2、第三测点3以及第四测点的测量口大小相同，确保每个测点测得压力值所处的环境相同。
[0092]
进一步的，第一测点1、第二测点2、第三测点3以及第四测点4均通过毛细钢管与压力接嘴连接，压力接嘴可以插上胶管与压力表相连接，用来测量第一测点1、第二测点2、第三测点3以及第四测点4的4处的压力值。
[0093]
第一测点1、第二测点2和第三测点3均位于第一平面内，第一平面为偏航平面。在一个平面内测量得到第一测点1、第二测点2和第三测点3，有助于提高测量的精度。
[0094]
进一步的，第一平面与探针的竖直方向垂直，便于设置第一测点1、第二测点2和第三测点3。
[0095]
第一测点1和第三测点3对称设置在第二测点2的两侧，第一测点1和第二测点2之间以及第二测点2和第三测点3之间均形成角a，角a为偏航角。通过第一测点1、第二测点2以
及第三测点3形成的偏航角，便于测量不同方向处的温度值，提高测量的精度。
[0096]
进一步的，第二测点2的中心线和第一平面平行，所以第二测点2的中心线与探针竖直方向上的中心线相互垂直交叉，第一测点1和第三测点3位于第二测点2的两侧，进而实现在同一平面内，不同方向的测量。
[0097]
进一步的，偏航角a是以第二测点2的中心线为基础，进而将第一测点1的中心线与第二测点2的中心线的夹角为偏航角a，第三测点3的中心线与第二测点2的中心线的夹角为偏航角a。
[0098]
角a的角度为40
°
～50
°
。偏航角a设置的角度，便于在不同的方向测量，同时可以得到在不同气流角下的测量的温度值。
[0099]
进一步的，角a的数值优选为45
°
。
[0100]
第二测点2和第四测点4位于第二平面内，第二平面为俯仰平面，其中，俯仰平面与偏航平面相互垂直。通过第二测点2和第四测点4的设置，便于在竖直方向上的进行测量，提高测量温度值的精度。
[0101]
进一步的，第二平面与第一平面相互垂直，确保在第一平面以及第二平面均可以进行不同位置的测量，提高测量的精度。
[0102]
第二测点和第四测点形成角b，角b为俯仰角，其中，角b的角度为40
°
～50
°
。通过俯仰角b的设置，增大测量的范围，提高测量的精度。
[0103]
进一步的，俯仰角b的优选角度为45
°
，提高测量的精度。
[0104]
本技术是通过将探针进行校准后，放置到待测点，测量待测点的压力值和温度值，通过拟合实际探针气动校准曲线进行计算得到气流角，然后进行迭代计算，得到待测点的实际气流总压、实际气流静压以及实际气流马赫数，通过待测点的实际气流总压、实际气流静压以及实际气流马赫数，计算得到总温恢复字数，进而得到总温值，最后计算得到速度。本技术要解决只需要将探针放置到压缩机的任意位置，通过计算得到相应的数值，然后可以得到在不同的气流角下的不同的总温恢复系数，进而得到总温值。提高检测的精度。解决不考虑探针在不同气流角下对温度测量的恢复系数，造成不同气流角对温度探针测量的影响的问题。
[0105]
本领域的技术人员容易理解的是，在不冲突的前提下，上述各有利方式可以自由地组合、叠加。
[0106]
以上仅为本技术的较佳实施例而已，并不用以限制本技术，凡在本技术的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本技术的保护范围之内。以上仅是本技术的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本技术技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本技术的保护范围。