一种适用于宽迎角范围的流动参数测量装置及测量方法

本发明属于流动参数测量领域，涉及一种适用于宽迎角范围的流动参数测量装置及测量方法。

背景技术：

1、流体运动广泛存在于日常生活，与航空、航天、环境、化学、生物、医学、机械、交通等诸多领域密切相关。为研究流体运动规律、并将该规律应用于生产生活实践，需要准确地测量流动的速度、方向和压力等参数。

2、如航空和风洞测试领域，现有技术通常采用空速管和多孔探针测量流动速度的大小和方向。空速管包括总压管、静压管、风标等部件，根据测量的总压和静压，由不可压缩流动的伯努利方程计算运动装置流动速度大小；再通过风标测量迎角和侧滑角，确定运动装置流动速度方向。多孔探针整体呈圆柱状，尖端呈圆锥形、刻面或半球面，并开有三个、五个或七个测压孔；根据各孔测量的压力测试值，代入特定的探针算法，即可解算出流动速度、方向等参数。

3、随着人类对流动的应用越来越深入，研究的流动问题越来越复杂，因此对流动参数的测量需求也日益迫切。在航空领域，飞机大迎角飞行的情况愈发普遍，国产歼-20战斗机作“眼镜蛇机动”时迎角可达110°以上；为研究大迎角状态下的飞机气动与操稳特性，需要快速、准确测量大迎角复杂流动的速度、压力等参数。在风洞测试领域，为精准复现真实环境中的复杂流动，也需要准确测量复杂流动参数。复杂流动来自各个方向，使得流动驻点不再正对空速管和多孔探针测压孔，影响了测量精度。

4、针对该问题，空速管通过对总压管增加倒角、引导套管等装置，希望提高总压管对气流方向的不敏感性，增加测量精度。然而，倒角显著削弱了结构强度，引导套管增加了结构复杂度，效果不佳。另外，空速管风标拥有叶片、转轴等运动部件，叶片的转动惯量和转轴的摩擦阻尼降低了测量精度和响应速度，难以满足复杂流动的精确测量要求。多孔探针通过增加测压孔数量来提高测量精度。然而，测压孔数量增加后，校准试验和数据处理的工作量显著增大，大大增加了校准成本；且多孔探针能够测量的迎角范围不超过90°，难以满足来自各个方向的气流的测量需求。

技术实现思路

1、针对现有流动参数测量装置对复杂流动测量精度不高的问题，本发明提供了一种用于宽迎角范围的流动参数测量装置及测量方法。该测量装置及测量方法适用于测量流体的速度、压力等参数，装置没有活动部件、结构简单、可靠性高，能够在宽迎角的范围内均保持较高的测量精度和测量速度。

2、为了解决上述问题，本发明的一方面，提供了一种适用于宽迎角范围的流动参数测量装置，包括球头、连接杆、压力传感器和数据处理系统；

3、球头通过连接杆与运动装置相连；压力传感器设置于球头上。

4、可选地，压力传感器设置多个。

5、可选地，相邻两个压力传感器与球头的球心位置连线的夹角不大于35°。

6、可选地，球头为中空球体，连接杆为中空管。

7、本发明的另一方面，提供了一种适用于宽迎角范围的流动参数测量方法，使用前述的流动参数测量装置，步骤具体如下：

8、获取球头的压力分布；

9、基于球头的压力分布获取驻点位置、驻点压力和流动动压；

10、基于驻点位置、驻点压力和流动动压获取绕球头的流动速度方向和流动速度大小。

11、可选地，基于获取的球头的压力分布进行分析，获得逆压梯度位置，根据逆压梯度位置确定球头的迎风区域；选中迎风区域中压力测试值至少前4大的压力传感器，根据其位置和压力测试值确定驻点位置和绕球头的流动动压。

12、可选地，选中压力传感器的位置为该选中压力传感器与球头球心位置o的连线和驻点位置与球心位置o的连线夹角ψi，表达式为：

13、

14、其中，ψi为第i个选中压力传感器与球头球心位置o的连线和驻点位置与球心位置o的连线夹角，i＝1,2,…,n，n为选中压力传感器的总个数；为驻点位置坐标，θ0为驻点位置的俯仰角，为驻点位置的方位角；为第i个选中压力传感器的坐标；θi为第i个选中压力传感器的俯仰角，为第i个选中压力传感器的方位角；|r0|为驻点到原点的距离；|ri|为第i个选中压力传感器到原点的距离；

15、选中压力传感器的压力测试值的表达式为：

16、

17、其中，pi为第i个选中压力传感器的压力测试值；p0为驻点压力；q为绕球头的流动动压；

18、将获取的多个选中压力传感器的位置和压力测试值代入式(1)和(2)，即可解算出驻点位置坐标r0和绕球头的流动动压q。

19、可选地，基于获得的驻点位置坐标r0获取绕球头的流动速度方向；

20、绕球头的流动速度方向包括迎角α和侧滑角β，表达式为：

21、

22、

23、其中，迎角α表示绕球头的流动速度在xz平面的投影与-x轴的夹角，侧滑角β表示绕球头的流动速度与其在xz平面投影的夹角。

24、可选地，基于获得的绕球头的流动动压q预估流动速度vpre，表达式为：

25、

26、其中，ρ为大气密度。

27、可选地，基于多个选中压力传感器的测量数据，确定逆压梯度位置和球头绕流发生分离的角度ψsep；根据逆压梯度位置和球头绕流发生分离的角度ψsep获得流动雷诺数re；根据流动雷诺数re确定流动速度的修正系数k；根据修正系数获得修正后的流动速度v，表达式为：

28、v＝k·vpre。(5)

29、具体使用时，本发明流动参数测量装置通过压力传感器，获取球头压力分布数据；根据迎风区域中压力测量值最大的多个压力传感器的位置和压力数据，确定驻点压力p0、流动动压q和驻点位置进一步确定速度迎角α和侧滑角β；由压力数据处理系统对压力分布数据进行分析，确定逆压梯度出现的位置，得到球头绕流发生分离的角度ψsep，结合球头绕流的实验/数值模拟结果，估算流动雷诺数re；根据流动动压q和雷诺数re，获得流动速度v。

30、本发明至少具有如下有益效果：

31、(1)本发明流动参数测量装置和测量方法，仅设置球头、压力传感器、连接杆和压力数据处理系统就能够测量流动参数，没有活动部件，结构简单、可靠性高，且不易受环境影响。

32、(2)本发明流动参数测量装置和测量方法，球头直径较小，因而对流体的流动干扰较小，可提高测量精度。

33、(3)本发明流动参数测量装置和测量方法，在球头的各个方向均装有压力传感器，在宽迎角范围内均能保持较高测量精度和较快测量速度。

34、(4)本发明流动参数测量装置和测量方法，通过压力数据处理系统实时解算流动参数，响应时间短，能够快速测量压力、速度等流动参数。

35、本发明中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本实发明的目的和其他优点可通过说明书以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。

技术特征：

1.一种适用于宽迎角范围的流动参数测量装置，其特征在于，包括球头、连接杆、压力传感器和数据处理系统；

2.根据权利要求1所述的流动参数测量装置，其特征在于，压力传感器设置多个。

3.根据权利要求2所述的流动参数测量装置，其特征在于，相邻两个压力传感器与球头的球心位置连线的夹角不大于35°。

4.根据权利要求1-3任一项所述的流动参数测量装置，其特征在于，球头为中空球体，连接杆为中空管。

5.一种适用于宽迎角范围的流动参数测量方法，使用权利要求1-4任一项所述的流动参数测量装置，其特征在于，包括如下具体步骤：

6.根据权利要求5所述的测量方法，其特征在于：基于获取的球头的压力分布进行分析，获得逆压梯度位置，根据逆压梯度位置确定球头的迎风区域；选中迎风区域中压力测试值至少前4大的压力传感器，根据其位置和压力测试值确定驻点位置和绕球头的流动动压。

7.根据权利要求6所述的测量方法，其特征在于：选中压力传感器的位置为该选中压力传感器与球头球心位置o的连线和驻点位置与球心位置o的连线夹角ψi，表达式为：

8.根据权利要求7所述的测量方法，其特征在于：基于获得的驻点位置坐标r0获取绕球头的流动速度方向；

9.根据权利要求8所述的测量方法，其特征在于，基于获得的绕球头的流动动压q获取流动速度，表达式为：

10.根据权利要求9所述的测量方法，其特征在于，基于多个选中压力传感器的测量数据，确定逆压梯度位置和球头绕流发生分离的角度ψsep；根据逆压梯度位置和球头绕流发生分离的角度ψsep获得流动雷诺数re；根据流动雷诺数re确定流动速度的修正系数k；根据修正系数获得修正后的流动速度v，表达式为：

技术总结
本发明公开了一种适用于宽迎角范围的流动参数测量装置及测量方法，该测量装置包括球头、连接杆、压力传感器和数据处理系统；可通过布置在球头的压力传感器测量球头表面压力分布；由压力数据处理系统确定迎风区域，并根据迎风区域中压力测量值最大的多个测点位置和压力测量值，确定驻点位置和流动动压，进而获得流动速度方向和大小。本发明的测量装置没有活动部件，结构简单、可靠性高，解决了运动装置在宽迎角范围运动时快速、准确获取流动参数的问题。

技术研发人员：蒋崇文,刘哲,许晨豪,胡姝瑶
受保护的技术使用者：北京航空航天大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/14