1. 技术领域

本发明涉及流体的参数测量领域。 具体是在流场中利用多孔压力探头和一维热线 风速仪来测量流场的压力和三维瞬态速度的装 置和方法， 包括压力探头和热线风速仪 的使用方案的设计、 标定方法和操作程序。

2. 背景技术

随着电子、 光学技术的不断发展， 流体参数的测量方法已经有了极大进步， 例如 热线风速仪， 激光多普勒测速仪， 粒子示踪仪等技术在流体速度的测量中已经有 了广 泛的应用。 然而上述流体测量仪器往往需要较大的制造成 本， 多普勒测速和示踪粒子 测速都需要示踪粒子。 除了测量范围限制在小型的区域内， 还要考虑示踪粒子的跟随 性问题。

很多场合， 特别是对于流体平均流动速度的测量， 多孔压力探头， 由于具有加工 制造简单、 使用成本低的特点， 仍然有广泛的应用。 多孔压力探头 （包括三孔、 五孔、 七孔） 用于三维速度矢量的测量的基本原理在于从不 同孔中测量得的压力差可以判定 流体流动速度大小和方向。 压力探头需要将测量端点的压力波通过空气管 道传输给压 力传感器， 而空气的阻尼会使传输过程中的高频信号消失 ， 因而多孔压力探头只能得 到低频的平均速度信号。 在压力探头和流动方向之间的角度过大的情况 下， 流体在探 头上产生流动分离现象， 致使测量失败。 三孔和五孔探头经常发生这样的情况。 相比 之下， 七孔压力探头有较高的应用价值。 六个动压孔可以均匀地分布在中心的静压孔 周围， 并采取分区策略， 即可防止流动分离， 使测量较大的流动角度更加可靠。 此外， 使用压力探头所需的测量电路中的发热器件少 、 数据处理方法较简单。

热线风速仪， 包括热线探头和测量电路， 是流体瞬态速度测量的一种常用工具。 它是利用流体流经热线时， 使热线产生热量损失， 从而导致测量电路的电阻变化的原 理来判定流动速度的。 特别是具有响应快、 准确性高的特点， 因而常被用于瞬态速度 测量。通常三维流场的测量需要使用三维热线 风速仪， 而三维热线探头制作成本昂贵， 实际应用中也容易出现热线损毁。 特别是三维热线的标定十分复杂、 费时。 如果应用 于大的流动角度测量， 必然要标定更多的测量点和速度工况， 造成标定时间过长， 引 起测量用的电子仪器的过热和漂移现象， 使仪器无法继续使用。 尽管如此， 热线风速 仪仍是最有效的瞬态流速测量工具， 特别是测量一维流动速度的一维热线风速仪， 结 构简单、 制作成本低， 一般造价仅为三维热线风速仪的 1%， 从而得到广泛应用。

3. 发明内容

本发明利用多孔压力探头和热线风速仪的各自 的优势， 设计一套用于流体的压力 和速度的组合测量工具和方法， 既是将多孔压力探头和一维热线探头结合起来 测量流 体流动 （包括大流动角度） 时的压力和瞬时速度所涉及的装置、 标定过程、 操作过程。

为完成测量， 首先需要一个由步进电机驱动的五自由度支架 。 它除了按照笛卡尔 坐标方向移动， 在安装测量探头的一端还应该有两个转动方向 ， 能够产生转动自由度

«°和 。如图 1， 五自由度支架上安装测量探头的一端的两个转 动自由度产生的示意 图所示。 其中， 测量探头 1指的是呈细杆状的多孔压力探头或是一维热� �风探头， 在 测量的不同阶段分别安装在五自由度支架的转 动自由度上。 图中也表示了转动自由度 产生的角度在笛卡尔坐标系（X, y, z )下的度量关系。 图 1中的标号 2是指探头的测量 端， 即流场的测量点。 图 2是测量工具在使用时的布局。 五自由度支架 1安放在来流 方向 3的下游位置。 来流方向一般设置为水平方向。 平动自由度 6、 7、 8在三个步进 电机驱动下分别沿笛卡尔坐标系下的 x、 z、 y方向移动。 在支架沿 X方向的靠近来流 方向的一端， 支架产生转动自由度 2、 5， 是由另两个步进电机驱动的。

本发明的目的是利用多孔压力探头和一维热线 探头各自优势， 组合起来使用， 代 替测量三维瞬态流速常用的三维热线风速仪。 核心技术在于使用测量探头测量流场的 流程。 图 3是测量方法流程图。 图中表明， 该发明是先用多孔压力探头获得全部测量 点的流动方向， 然后用一维热线探头在这些测量点进行第二次 测量， 这一次是沿流动 方向测量瞬态速度。 标定是在一维风洞中进行的。 测量过程具体分为四步。

测量第一步开始于压力探头的标定。 针对每一个标定角度， 步骤是：

1. 按照给定的标定角度， 用五自由度支架的转动自由度定位探头方向；

2. 测量多个孔的压力， 获取压力系数；

3. 检测测量端流动是否分离。

测量第二步是一维热线风速仪的标定。 热线探头沿着流体来流方向 （风洞中的来 流方向， 一般为水平方向） 放置。 测量第三步是用压力探头获得测量点的流动角 度。 步骤是：

1. 调整压力探头至来流方向 （一般为水平方向）；

2. 在测量点测量压力值， 获取压力系数；

3. 压力探头分区选择；

4. 流动角度从标定值中插值获得；

5. 记录测量点的空间坐标和流动角度。

测量第四步是用热线探头替换压力探头， 进行瞬态速度测量。 步骤是：

1. 驱动五自由度支架按照测量点的空间坐标和流 动角度，使热线探头在测量点沿 着当地流动方向定位；

2. 当地一维瞬态速度测量。

4. 附图说明

图 1 旋转自由度示意图

图 2 测量工具布局图

其中图中编号表示：

1 . 五自由度支架 2. 转动自由度《 _; 3. 来流方向； 4. 多孔压力探头或热线探头;

5. 转动自由度 yT ; 6. 平动自由度沿 X方向； 7. 平动自由度沿 z方向；

8. 平动自由度沿 y方向；

图 3 测量方法流程图

图 4 七孔压力探头的测量端的示意图

图 5 测量方案图

6. 具体实施方式

以下结合说明书附图和实施例子对本发明做进 一步说明。 该实施例子是用本发明 提出的压力和速度的组合测量工具和方法在水 平风洞中测量物体尾流流场的压力三维 瞬态速度。

测量装置如图 2中所示布置， 装置整体放在流动的下游。 五自由度支架有三个平 动自由度和两个转动自由度。 自由度的运动均是由计算机控制的、 安装在五自由度支 架上的五个步进电机完成的。 使用的压力探头是呈细杆状的七孔压力探头。 探头端部 呈三十度的锥形,锥形体积小于直径为 3. 5mm的球体。从七孔压力探头的测量端的示意 图 （图 4) 中可以说明分区策略。 中间的孔上的标号为 7， 周围的孔从 1到 6。 将七 个孔分成六个区，每个区有四个孔，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。 只要在某个区内有流体的附着， 测量即为有效。 比较三孔和五孔探头， 每个 孔必须都在有效区内， 有流体的附着。 因而， 七孔压力探头进一步增大了测量角度的 范围。 有七根细管与七孔压力探头的尾部相连， 从风洞壁面伸出与孔数相等的压力传 感器相连， 再与信号放大器、 数据采集系统相连。 热线风速仪是指一维热线探头， 通 过电线连接到测量电路， 包括电桥、 模数转换器、 信号放大器和数据采集系统。 其中 电桥和模数转换器均是容易生热的， 但是相对于三维热线风速仪的测量电路， 一维热 线风速仪的测量电路简单， 发热量小， 仪器也不会产生漂移现象。 图 5 给出该例子 测量方案图。 图中表明多孔压力探头和一维热线探头分别连 接压力传感器和模数转换 器， 及放大电路， 再通过数据采集系统， 即通过数据采集板， 将信号输入计算机的微 处理器中的数据分析和处理单元， 然后微处理器驱动五自由度支架上的步进电机 ， 定 位探头位置和角度， 完成组合测量。 测量时， 风洞的静压 to可从壁面上的静压孔获 得， 总压 ptot由风洞入口状态决定。 风洞产生水平一维来流， 流速可以从亚音速到超 音速进行调节， 不同的风速下， 风洞的总压不变， 动压变化。

测量过程第一步是七孔压力探头的标定。 在风洞中用五自由度支架在一个固定点 调整七孔压力探头的转动自由度《°和 ， 使标定的流动角度可以从 - 50°到 50°， 间 隔为 5°， 共约 400 个需要标定的角度。 对于每个用不同的 (《 , )表示的、 需要标定 的角度， 对应着十四系数， 它们是从七孔压力探头获取的七个压力值经过 计算而得的。 它们是， 径向压力系数 C 和切向压力系数 分别表示为

式中变量的下标 表示孔的标号， 也是区号， i=l， 2， . . . 6 (七个孔被分成六个 区）。如果 i=l，则 jl=6;j2=2，如果 i=6，则 jl=5;j2=l, 当 等于其他，则 jl=i+l； j2=i~h 针对小角度的流动方向 （流动角小于 30°) 的情况，流体完全附着在探头上， 径向 压力系数和切向压力系数可用下式求得， Cpr ₇ = Cpta + Cptb)，

其中

Cpta =

从这个过程可以看出， 在求取压力系数的公式中没有与来流速度相关 的风洞的总 压和静压值， 因而， 流动角度的标定与来流速度无关， 不用考虑其他速度工况。 如果 在每一个标定角度耗时 20秒， 全范围 400个角度标定共需 2. 2小时。 标定结束后， 形 成标定数据，其中每一个标定角度都和其在每 个分区中的压力系数形成一一对应关系。 如果在某一未知角度测量到的新的压力系数， 可以通过在标定的压力系数数据中进行 二维插值的方法获得该角度值。

测量的第二步是在风洞中进行一维热线探头的 标定。 这个过程是进行速度标定， 标定方法是公知的。 标定时， 呈细杆状的探头沿来流方向放置。 这个过程快捷、 简单。 按照 20个速度工况标定， 每个工况需 20秒， 总共需要约 7分钟。 标定过程， 即测量 第一步和第二步， 总共不超过 3小时。

测量的第三步是测量点流动方向的获得。 用五自由度支架将七孔压力探头调整至 沿风洞流动方向定位一致， 即《° = 0, ° = 0。 在每个测量点获得七个压力值。 将七个 压力比较， 最高压力的孔决定分区选择。 在每区有四个压力系数。 将 A与另外三个压 力比较， 如果差值小于设定的门限值， 意味流动分离， 测量角度超出标定范围。

正常的情况下， 在测量点利用测得的压力系数和标定的压力系 数数据进行角度插 值，获得测量点的流动方向，即用插值得到的 测量点的 (《 ,yT )。将测量点的空间位置、 流动角度和压力系数用图 5中的数据分析和处理单元记录成文件。

测量第四步是用一维热线探头测量瞬态速度。 通过计算机的微处理器控制， 在各 个测量点用五自由度支架按照记录的空间位置 找到该点， 重新定位热线探头， 进行第 二次测量。 在测量点由五自由度支架在步进电机的驱动下 ， 调整热线探头角度， 直至 沿着流体流动的方向， 即已知的 (《 , )， 处理成当地一维流动， 再进行瞬态测量， 得 到当地瞬态流动速度 ， 下面很容易求得瞬态速度三维分量

u - Γ cos a cos β； ν = F sin a； w = -Γ cos a sin β ₀ 通过这样的测量过程， 流场的压力和三维瞬态速度场得以通过多孔压 力探头和一 维热线探头组合使用获得。 具体是对流场的每个测量点进行了两次测量， 第一次用多 孔压力探头获得流场流动方向， 第二次用一维热线探头获得流场瞬态速度。 总的测量 时间没有明显增长，因为压力探头和一维热线 的测量用时相比三维热线分别要少很多。 虽然需要两次定位探头的空间位置， 但这个过程是由计算机控制的五自由度支架完 成 的。 在使用三维热线风速仪时同样需要定位， 因而两次定位的方法的空间精度不受影 响。 如果这个实施例子使用三维热线风速仪， 按照相同的角度标定范围、 每个角度的 标定时间和速度工况标定范围， 即按 400个标定角度， 每个标定角度需 20 秒， 20个 速度工况来计算， 仅标定时间就需要： 20秒 x20x400=44小时。 而本发明的使用使测 量过程简单、 快捷， 如前面提到， 标定时间不超过 3小时， 节省了 90%的时间。 特别 是针对大流动角度的测量， 极大缩短和简化了热线标定时间和过程， 减小了测量仪器 的长时间过热而带来的误差， 使测量结果更可靠。 多孔压力探头的制作成本约为一维 热线探头的 10%， 而一维热线探头的制作成本约为三维热线探头 的 1%。 本发明提出的 五自由度支架对三维热线的标定和测量也是必 须的， 因而用一个多孔压力探头和一个 一维热线风速仪代替的三维瞬态测量通常所使 用的三维热线风速仪的方法， 降低了制 造成本 95% 以上。 由于一维热线探头在标定和测量时都是在沿流 动方向的下游， 因而 最大程度减少了探头对流场的干扰。 如果是超音速流场， 则无干扰。 这个发明同时提