專(zhuān)利名稱(chēng)：流場(chǎng)壓力和速度的組合測(cè)量工具的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及流體的壓力和流速測(cè)量領(lǐng)域。具體是在流場(chǎng)中利用多孔壓力探頭和一 維熱線探頭來(lái)測(cè)量流場(chǎng)的壓力和三維流速的裝置和方法，包括壓力探頭和熱線風(fēng)速儀的設(shè) 計(jì)、安裝、標(biāo)定和操作程序。
2.
背景技術(shù)：
隨著電子、光學(xué)技術(shù)日益進(jìn)步，熱線風(fēng)速儀，激光多普勒測(cè)速儀，粒子示蹤技術(shù)等 流體測(cè)量方法已經(jīng)有了廣泛的應(yīng)用。然而用上述流體測(cè)量?jī)x器往往需要較大的成本，多普 勒測(cè)速和示蹤粒子測(cè)速都需要示蹤粒子，而且是應(yīng)用在小型的測(cè)量區(qū)域內(nèi)。三維熱線的制 造和使用成本較高。很多場(chǎng)合，特別是對(duì)于流體平均流動(dòng)速度的測(cè)量，多孔壓力探頭，由于 具有低成本，加工制造簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，仍然有廣泛的應(yīng)用。多孔壓力探頭(包括三孔、五孔、七孔)用于三維速度矢量的測(cè)量的基本原理在于 從不同孔中測(cè)量得的壓力差可以判定流體速度大小和方向。通常情況下，當(dāng)壓力探頭和流 動(dòng)方向之間的角度過(guò)大，流體在探頭上產(chǎn)生流動(dòng)分離現(xiàn)象，致使測(cè)量失敗。三孔和五孔探頭 經(jīng)常發(fā)生這樣的情況。相比之下，七孔壓力探頭有較高的應(yīng)用價(jià)值。六個(gè)動(dòng)壓孔可以均勻 地分布在中心的靜壓孔周?chē)?，并采取分區(qū)策略，即可防止流動(dòng)分離，使測(cè)量較大的流動(dòng)角度 更加可靠。熱線風(fēng)速儀是流體速度測(cè)量的另外一種常用工具。其原理是利用流體流經(jīng)熱線 時(shí)，使熱線產(chǎn)生熱量損失，從而導(dǎo)致電阻變化的原理。特別是具有響應(yīng)快、準(zhǔn)確性高的特點(diǎn)， 因而常被用于瞬態(tài)測(cè)量。通常三維流場(chǎng)的測(cè)量需要使用三維熱線風(fēng)速儀，而三維熱線制作 成本昂貴，實(shí)際應(yīng)用中也容易出現(xiàn)熱線損毀。特別是三維熱線的標(biāo)定十分復(fù)雜、費(fèi)時(shí)。如果 應(yīng)用于大的流動(dòng)角度測(cè)量，必然要標(biāo)定更多的測(cè)量點(diǎn)和工況，造成標(biāo)定時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，引起電子 儀器的漂移現(xiàn)象。盡管如此，熱線風(fēng)速儀仍是最有效的流速測(cè)量工具，特別是一維熱線，由 于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制作成本低而得到廣泛應(yīng)用。
3.發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明利用多孔壓力探頭和熱線風(fēng)速儀的各自的優(yōu)勢(shì)，設(shè)計(jì)一套用于流體流動(dòng)測(cè) 量的組合工具和方法，既是將七孔壓力探頭和一維熱線結(jié)合起來(lái)，測(cè)量流體流動(dòng)(包括大 流動(dòng)角度)時(shí)的壓力、速度(包括平均速度、瞬時(shí)速度)所涉及的裝置、標(biāo)定過(guò)程、操作過(guò) 程、以及數(shù)據(jù)處理方法。為完成測(cè)量，首先需要一個(gè)由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的五自由度支架。除了按照笛卡爾坐 標(biāo)方向移動(dòng)，在安裝測(cè)量探頭的測(cè)量端還應(yīng)該有兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)方向，能夠產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)自由度α ° 和。由五自由度支架上的轉(zhuǎn)動(dòng)部件完成。為完成測(cè)量，需要多孔壓力探頭一個(gè)和一維 熱線風(fēng)速儀一個(gè)，在測(cè)量的不同階段分別安裝在轉(zhuǎn)動(dòng)自由度上。本發(fā)明的核心技術(shù)在于用壓力探頭獲得測(cè)量點(diǎn)的流動(dòng)方向，然后用一維熱線探頭 在同一個(gè)測(cè)量點(diǎn)沿流動(dòng)方向測(cè)量瞬態(tài)速度。測(cè)量過(guò)程具體分為四步。[0008]測(cè)量第一步首先開(kāi)始于壓力探頭的標(biāo)定。步驟是1.給定已知角度，定位探頭；2.測(cè)量多個(gè)壓力，獲取壓力系數(shù)；3.流動(dòng)分離檢測(cè)。測(cè)量第二步是一維熱線風(fēng)速儀的標(biāo)定。測(cè)量第三步是用壓力探頭獲得測(cè)量點(diǎn)的流動(dòng)角度。步驟是1.壓力探頭分區(qū)選擇；2.流動(dòng)角度從標(biāo)定值中插值獲得；3.記錄測(cè)量點(diǎn)的空間坐標(biāo)和流動(dòng)角度。測(cè)量第四步是用熱線探頭替換壓力探頭，進(jìn)行瞬態(tài)速度測(cè)量。步驟是1.驅(qū)動(dòng)五自由度支架按照測(cè)量點(diǎn)的空間坐標(biāo)和流動(dòng)角度定位熱線探頭；2.當(dāng)?shù)匾痪S測(cè)量；
4.
圖1測(cè)量裝置其中圖中編號(hào)表示1.來(lái)流方向；2.多孔壓力探頭或熱線探頭；3.轉(zhuǎn)動(dòng)自由度 ；4.轉(zhuǎn)動(dòng)自由度β ° ；5.五自由度支架圖2七孔壓力探頭的測(cè)量端的示意圖圖3測(cè)量方案圖
4.具體實(shí)施方式
以下結(jié)合說(shuō)明書(shū)附圖和實(shí)施例子對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說(shuō)明。該實(shí)施例子是用本發(fā)明 提出的壓力和速度的組合測(cè)量工具和方法在亞音速風(fēng)洞中測(cè)量物體尾流的三維流場(chǎng)。圖1 是該例子使用的測(cè)量工具實(shí)施的布局。圖3給出測(cè)量方案圖。如圖1中所示，整體裝置放在流動(dòng)的下游。五自由度支架有三個(gè)平動(dòng)自由度和兩 個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。自由度的運(yùn)動(dòng)均是由計(jì)算機(jī)控制的、安裝在五自由度支架上的步進(jìn)電機(jī)完 成的。使用的壓力探頭是七孔壓力探頭。探頭端部呈三十度的錐形，從七孔壓力探頭的測(cè) 量端的示意圖圖2中可以說(shuō)明分區(qū)策略。中間的孔上的標(biāo)號(hào)為7，周?chē)目讖?到6。將 七個(gè)孔分成六個(gè)區(qū)，每個(gè)區(qū)有四個(gè)孔，如，7-4-3-5 ；7-3-2-4 ；7-2-1-3 ；7-1-2-6 ；7-6-1-5 ； 7-5-4-6。只要在某個(gè)區(qū)內(nèi)有流體的附著，測(cè)量即為有效。比較三孔和五孔探頭，每個(gè)孔必 須都在有效區(qū)，有流體的附著。因而，七孔壓力探頭進(jìn)一步增大了測(cè)量角度的范圍。有七根 細(xì)管與七孔壓力探頭的尾部相連，從風(fēng)洞壁面伸出與孔數(shù)相等的壓力傳感器、信號(hào)放大器、 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)相連。熱線探頭是一維熱線風(fēng)速儀，通過(guò)電線連接到模數(shù)轉(zhuǎn)換器、信號(hào)放大器 和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。圖3表明多孔壓力探頭和一維熱線風(fēng)速儀分別連接壓力傳感器和電橋， 再通過(guò)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，即數(shù)據(jù)采集板，將信號(hào)輸入微處理器中的數(shù)據(jù)分析和處理單元，然后 微處理器驅(qū)動(dòng)五自由度支架上的步進(jìn)電機(jī)，定位探頭位置和角度，完成組合測(cè)量。測(cè)量時(shí) 風(fēng)洞的靜壓Psta可從壁面上的靜壓孔獲得，總壓ptot由風(fēng)洞入口狀態(tài)決定。測(cè)量過(guò)程第一步是七孔壓力探頭的標(biāo)定。流動(dòng)角度可以從-50°到50°。間隔為 5°。在每個(gè)設(shè)定的角度，七個(gè)壓力值在六個(gè)區(qū)可以獲得二十八個(gè)系數(shù) Cpm6 = p6^t0t, iCp. ~ 2
p5 + pl , ^ 尸-psta
F 2 2 對(duì)于小角度的流動(dòng)方向，流體完全附著在探頭上，壓力系數(shù)可用下式求得，Pta + Cpr2CPtc =去fe+QO
p7-ptot 廣費(fèi) _ ρ-pstaCPrl =[0043]Cptotl =[0044]其中[0045]CplaJ
''^Pstal
ρτ-ρ
ρτ-ρ
Cptb = ‘ _ .
pi-P
CP,^
P'-ρ
ρ = ^{ρ + ρ2 + ρ3 + p4 + />5 + / 6)。 6測(cè)量的第二步是在風(fēng)洞中進(jìn)行一維熱線探頭的標(biāo)定。這個(gè)過(guò)程快捷、簡(jiǎn)單。測(cè)量的第三步是測(cè)量點(diǎn)平均速度、流動(dòng)方向的獲得。將七孔壓力探頭沿風(fēng)洞流動(dòng) 方向一致。在每個(gè)測(cè)量點(diǎn)獲得七個(gè)壓力值。將七個(gè)壓力比較，最高壓力的孔決定分區(qū)選擇。 在每區(qū)有四個(gè)壓力系數(shù)。將P7與另外三個(gè)壓力比較，如果差值小于設(shè)定的門(mén)限值，意味流 動(dòng)分離，測(cè)量角度超出標(biāo)定范圍。正常的情況下，在測(cè)量點(diǎn)利用標(biāo)定數(shù)據(jù)進(jìn)行角度插值獲得α，β和壓力系數(shù)的插 值。將測(cè)量點(diǎn)的角度和壓力系數(shù)記錄成文件。然后按下式求得測(cè)量點(diǎn)速度的大小 |F| =- pX1 + Cpsta - Cptot),Pn是選中的某個(gè)分區(qū)中的壓力，尹為該分區(qū)的壓力均值，例如區(qū)7-2-3-4中，Pn =
p3,。下面很容易求得速度分量
2U= VI cos α cos β ；ν = V | sin α ；w = -1V | cos α sin β。測(cè)量第四步是用一維熱線探頭測(cè)量瞬態(tài)速度。五自由度支架重新定位熱線探頭與 各個(gè)測(cè)量點(diǎn)。在測(cè)量點(diǎn)由五自由度支架在步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下，調(diào)整熱線探頭角度，直至沿著 流體流動(dòng)的方向，處理成當(dāng)?shù)匾痪S流動(dòng)，再進(jìn)行測(cè)量。通過(guò)這樣的測(cè)量過(guò)程，三維流場(chǎng)的瞬態(tài)流速場(chǎng)、壓力場(chǎng)得以獲得。測(cè)量結(jié)果是用多 孔壓力探頭和一維熱線探頭組合使用而獲得的，省去了三維熱線的使用，使測(cè)量過(guò)程，特別 是針對(duì)大流動(dòng)角度，簡(jiǎn)單、快捷、低成本。
權(quán)利要求一種流場(chǎng)壓力和速度的組合測(cè)量工具，其特征是一個(gè)具有由三個(gè)平動(dòng)自由度、兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度功能的五自由度支架，和安裝在五自由度支架的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度上的一個(gè)多孔壓力探頭和一個(gè)一維熱線探頭構(gòu)成的。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種流場(chǎng)壓力和速度的組合測(cè)量工具，多孔壓力探頭是三 孔、五孔，或者是七孔，探頭的端部呈三十度的錐形，包括與孔數(shù)相等的壓力傳感器、信號(hào)放 大器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種流場(chǎng)壓力和速度的組合測(cè)量工具，熱線探頭是一維熱線 風(fēng)速儀，包括與之相匹配的模數(shù)轉(zhuǎn)換器、信號(hào)放大器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。
專(zhuān)利摘要本實(shí)用新型涉及流體的壓力和流速測(cè)量領(lǐng)域。具體是在流場(chǎng)中利用多孔壓力探頭和一維熱線風(fēng)速儀來(lái)測(cè)量流場(chǎng)的壓力和三維流速的裝置。該裝置包括一個(gè)具有由三個(gè)平動(dòng)自由度、兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度功能的五自由度支架，和安裝在五自由度支架的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度上的一個(gè)多孔壓力探頭和一個(gè)一維熱線探頭。多孔壓力探頭是三孔、五孔，或者是七孔的，探頭的端部呈三十度的錐形，包括與孔數(shù)相等的壓力傳感器。熱線探頭是一維熱線風(fēng)速儀，包括與之相匹配的模數(shù)轉(zhuǎn)換器、信號(hào)放大器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。
文檔編號(hào)G01L15/00GK201662459SQ20092009866
公開(kāi)日2010年12月1日 申請(qǐng)日期2009年9月7日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月7日
發(fā)明者路明 申請(qǐng)人:天津空中代碼工程應(yīng)用軟件開(kāi)發(fā)有限公司