一種用于亞聲速復(fù)雜三維流場測量的12孔全向探針的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】：
[0001]本發(fā)明屬于亞聲速流場測試領(lǐng)域，具體涉及一種用于亞聲速復(fù)雜三維流場測量的 12孔全向探針。
【背景技術(shù)】：
[0002] 在空氣動力流場的測量中，既要測量流速的大小，又要確定流速的方向，如自由射 流試驗、風(fēng)洞流場品質(zhì)校測、航空發(fā)動機高空模擬試驗、燃氣輪機渦輪葉片尾緣和機翼型附 近的復(fù)雜流場等。
[0003] 目前，對于流場速度和方向角的測量，用的較多的是五孔探針和七孔探針。五孔探 針和七孔探針最大測量氣流角度取決于測壓頭幾何形狀和測壓孔位置分布，能夠準確測量 的氣流角度可以達到70度。對于很多復(fù)雜的流場，如非流線物體的尾跡區(qū)或者回流區(qū)域，氣 流方向角（150°左右)遠大于五孔探針和七孔探針能夠測量的角度范圍。
[0004] 其他流場測試設(shè)備，如激光多普勒測速儀(LDV)和粒子成像測速儀(PIV)等，設(shè)備 昂貴，使用方法復(fù)雜，對使用環(huán)境要求較高，對于很多復(fù)雜的流場測量實現(xiàn)難度大。

【發(fā)明內(nèi)容】
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[0005] 發(fā)明目的：
[0006] 設(shè)計結(jié)構(gòu)簡單可靠的亞聲速12孔全向探針，用于復(fù)雜的亞聲速三維流場中速度、 方向角和總靜壓的測量，主要包括風(fēng)洞試驗、航空發(fā)動機試驗以及其他用于亞聲速流場測 試的場合，實現(xiàn)復(fù)雜三維流場的全方向角度測量。
[0007] 本發(fā)明實現(xiàn)上述目的的方案：
[0008] 一種用于亞聲速復(fù)雜三維流場測量的12孔全向探針，包括測壓頭（1)、測壓桿、安 裝座（5)、定位環(huán)（6)、測壓管（7)、壓力接嘴（8);其中，測壓桿為空心結(jié)構(gòu)，包括第一支桿 (2)、第二支桿(3)、第三支桿(4);測壓頭（1)為球體結(jié)構(gòu)，測壓頭（1)直徑為5mm~30mm，經(jīng)電 火花或電解成型加工，測壓頭（1)上分布有12個測壓孔，測壓孔位于與測壓頭（1)內(nèi)接的正 20面體的12個頂點上；測壓頭（1)直徑與測壓孔直徑比為20~40;測壓頭（1)直徑與第一支 桿(2)的直徑比為2~5;測壓頭直徑與第一支桿(2)的長度之比為1~3;測壓管(7)-端與 壓力接嘴(8)連接，另一端穿過測壓管(7)與測壓頭（1)連接，測壓頭（1)與測壓桿及測壓管 (7) 之間采用銀基釬焊連接，安裝座(5)套于第三支桿(3)外側(cè)，用于定位和安裝，壓力接嘴 (8) -端與測壓管(7)連接，另一端與后端壓力掃描元件相連接，將壓力信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枴?測壓頭（1)采用304不銹鋼、GH128高溫合金或黃銅材料加工制成。 (0009) 關(guān)于技術(shù)效果的描寫：
[0010]本發(fā)明針對傳統(tǒng)的五孔探針和七孔探針，提出了一種用于復(fù)雜亞聲速三維流場測 量的12孔全向探針。該12孔全向探針具有結(jié)構(gòu)簡單、測量精度高和可測量氣流角范圍廣等 特點。其可達到以下技術(shù)指標：
[0011] 流動角測量范圍：-165~165° ;
[0012] 測量結(jié)果:角度分辨率：±1°;
[0013] 流動速度范圍：5m/s~306m/s(Ma = 0 · 9);
[0014] 總的速度誤差：±1%;
[0015] 測量介質(zhì)：測壓頭直徑為5mm~15mm的12孔探針為空氣，測壓頭直徑為15mm~30mm 的12孔探針為水；
[0016] 流場溫度限制：200K~1500K;
[0017] 最大采樣頻率:2ΚΗζ;
[0018] 關(guān)于說明書附圖
[0019] 圖1為全向探針結(jié)構(gòu)示意圖；
[0020] 其中，1、測壓頭;2、第一支桿;3、第二支桿;4、第三支桿;5、安裝座;6、定位環(huán);7、測 壓管;8、壓力接嘴；
【具體實施方式】：
[0021] 本發(fā)明所設(shè)計的12孔全向探針，具體結(jié)構(gòu)包括測壓頭（1)、測壓桿、安裝座(5)、定 位環(huán)(6)、測壓管(7)、壓力接嘴(8);其中，測壓桿為空心結(jié)構(gòu)，包括第一支桿(2)、第二支桿 (3)、第三支桿(4);測壓頭（1)為球體結(jié)構(gòu)，測壓頭（1)直徑為5mm~30mm，經(jīng)電火花或電解成 型加工，測壓頭（1)采用304不銹鋼、GH128高溫合金或黃銅材料加工制成。測壓頭（1)上分布 有12個測壓孔，測壓孔位于與測壓頭（1)內(nèi)接的正20面體的12個頂點上;測壓頭（1)直徑與 測壓孔直徑比為20~40;測壓頭（1)直徑與第一支桿(2)的直徑比為2~5;測壓頭直徑與第 一支桿(2)的長度之比為1~3;測壓管(7) -端與壓力接嘴(8)連接，另一端穿過測壓管(7) 與測壓頭（1)連接，測壓頭（1)與測壓桿及測壓管(7)之間采用銀基釬焊連接，安裝座(5)套 于第三支桿(3)外側(cè)，用于定位和安裝，壓力接嘴(8)-端與測壓管(7)連接，另一端與后端 壓力掃描元件相連接，將壓力信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枴?br>[0022] 本發(fā)明所設(shè)計的12孔全向探針【具體實施方式】包括:理論分析、工程設(shè)計、校準和使 用方法四步：
[0023] 1理論分析
[0024]首先通過理論計算與仿真模擬，確定該型12孔全向探針在不同速度和流場角度的 情況下流動特性，比如壓力大小、溫度范圍。同時為校準過程中速度和方向角范圍的選取做 準備。
[0025] 2工程設(shè)計和加工
[0026] 1)根據(jù)測試對象選取測壓頭大小，然后根據(jù)材料特性和加工工藝設(shè)計測壓孔直徑 大?。?br>[0027] 2)根據(jù)理論分析壓力和溫度范圍選取空氣管的材料和尺寸；
[0028] 3)根據(jù)測試要求確定支撐結(jié)構(gòu)形式(直桿、L型或者C型），并分析其承載能力；同時 設(shè)計相應(yīng)的轉(zhuǎn)接段形式和尺寸；
[0029] 4)根據(jù)位移機構(gòu)設(shè)計相應(yīng)的安裝座。
[0030] 5)測壓頭采用電火花加工方式，加工后需要進行各測壓孔位置度和圓度等公差檢 測；
[0031] 6)根據(jù)設(shè)計總裝圖進行焊接，本發(fā)明各處均采用銀基釬焊。焊后砂光焊縫，保持外 型，所有焊縫著色探傷檢查，要求焊后無夾渣、裂紋等缺陷；
[0032] 7)空氣管打光毛刺、保持銳邊;組裝前應(yīng)進行清洗通氣檢查；
[0033] 3 校準
[0034] 12孔全向探針設(shè)計完畢后，需要經(jīng)過校準才能使用，具體校準過程為：
[0035] 1)根據(jù)測試條件確定速度點和方向角校準點；
[0036] 2)根據(jù)校準點，將12孔全向探針安裝在校準用位移機構(gòu)上，置于標準風(fēng)洞，進行校 準；
[0037] 3)將校準數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)分配給所有區(qū)域，分區(qū)將測量結(jié)果按式(5-20)整理成無量 綱系數(shù)Ce-cal，C(t)-cal，Cs-cal和Ct-cal 〇
[0038] 4)計算各分區(qū)的駐點在局部參考系的坐標值(Θ，史)。
[0039] 5)根據(jù)校準點數(shù)據(jù)二階曲面擬合的結(jié)果，對測壓孔坐標值進行初步的評估。
[0040] 4使用方法
[0041] 1)根據(jù)12孔全向探針中三個最高壓力值，可以得到測量時駐點所在的區(qū)域編號和 相應(yīng)的區(qū)域系數(shù)。此時，需要檢查區(qū)域編號存在性和合理性。
[0042] 2)計算試驗數(shù)據(jù)的系數(shù)Co和CV并估算qest。
[0043] 3)從選擇30組與相近的，Α#/，并計算式(21)計算距離d。為了合理處理靠近 分區(qū)邊界上的試驗數(shù)據(jù)點，需選擇相鄰10個區(qū)域來計算。同時，選擇的校準數(shù)據(jù)點分布在以 (^和心為坐標軸的直角坐標系里。
[0044] 4)選擇d最小的8個校準數(shù)據(jù)點，擬合出其四個流動參數(shù)(兩個方向角和總靜壓）的 最小曲面。
[0045] 5)根據(jù)擬合曲面計算出試驗數(shù)據(jù)點對應(yīng)的局部坐標系參數(shù)Θ，，C4PCt。
[0046] 6)將試驗數(shù)據(jù)點的Θ，F(xiàn)轉(zhuǎn)換成全局坐標系圓錐角Θ和滾轉(zhuǎn)角Φ。
[0047] 7)靜壓和總壓按方程(23、24)計算，
[0048] Ps = Pmax 1-Cs * qest (23)
[0049] Pt = Pmax 1-Ct · qest (24) 〇
【主權(quán)項】
1. 一種用于亞聲速復(fù)雜三維流場測量的12孔全向探針，包括測壓頭（1)、測壓桿、安裝 座(5)、定位環(huán)(6)、測壓管(7)、壓力接嘴(8);其中，測壓桿為空心結(jié)構(gòu)，包括第一支桿(2)、 第二支桿(3)、第三支桿(4);測壓頭（1)為球體結(jié)構(gòu)，測壓頭（1)直徑為5mm~30mm，經(jīng)電火花 或電解成型加工，測壓頭（1)上分布有12個測壓孔，測壓孔位于與測壓頭（1)內(nèi)接的正20面 體的12個頂點上;測壓頭（1)直徑與測壓孔直徑比為20~40;測壓頭（1)直徑與第一支桿(2) 的直徑比為2~5;測壓頭直徑與第一支桿(2)的長度之比為1~3;測壓管(7)-端與壓力接 嘴(8)連接，另一端穿過測壓管(7)與測壓頭（1)連接，測壓頭（1)與測壓桿及測壓管(7)之間 采用銀基釬焊連接，安裝座(5)套于第三支桿(3)外側(cè)，用于定位和安裝，壓力接嘴(8)-端 與測壓管(7)連接，另一端與后端壓力掃描元件相連接，將壓力信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枴?. 如權(quán)利要求1所述的用于亞聲速復(fù)雜三維流場測量的12孔全向探針，其特征在于，測 壓頭（1)采用304不銹鋼、GH128高溫合金或黃銅材料加工制成。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種用于亞聲速復(fù)雜三維流場測量的12孔全向探針，包括測壓頭1、測壓桿、安裝座5、定位環(huán)6、測壓管7、壓力接嘴8；其中，測壓桿為空心結(jié)構(gòu)，包括第一支桿2、第二支桿3、第三支桿4；測壓頭1為球體結(jié)構(gòu)，直徑為5mm～30mm，經(jīng)電火花或電解成型加工，12個測壓孔位于與測壓頭1內(nèi)接的正20面體的12個頂點上；測壓管7一端與壓力接嘴8連接，另一端穿過測壓管7與測壓頭1連接，測壓頭1與測壓桿及測壓管7之間采用銀基釬焊連接，壓力接嘴8一端與測壓管7連接，另一端與后端壓力掃描元件相連接，將壓力信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枴?br>【IPC分類】G01M9/06
【公開號】CN105588703
【申請?zhí)枴緾N201510937312
【發(fā)明人】張有, 吳鋒, 尹驥, 馮旭棟, 楊橋
【申請人】中國燃氣渦輪研究院
【公開日】2016年5月18日
【申請日】2015年12月15日