[实用新型]测量旋流场的压力和速度的工具

说明书

技术领域

本发明涉及流体的测量领域。具体是在旋流场中利用七孔压力探头和一维热线探头来测量旋流场的压力和三维流速的装置。 

背景技术

旋流场是工程中常见的现象，以流场中分布大尺度旋涡为主要特征。例如，建筑物下风位置的流场、机翼的翼尖涡流场、涡轮发动机转子周围的流场等等，而且通常都是湍流场。针对这类物理现象的研究必须精确测量流体流动的压力和三维瞬态速度。从测量的角度讲，旋流场的测量过程中，两个邻近的测量点的速度方向变化率较大，是大流动角度的测量。 

随着电子、光学技术日益进步，激光多普勒测速仪(LDA)，粒子成像测速技术(PIV)等流体测量方法已经有了广泛的应用。然而用上述流体测量仪器往往需要较大的制造和使用成本，而且都是应用在较小的测量区域内，测量结果必须通过对信号的后处理技术才能获得。多普勒测速和示踪粒子成像测速都需要示踪粒子，示踪粒子相对流体流动的跟随性问题，即示踪粒子是否能够真实地反应流体的流动状态。由于示踪粒子的密度和流体密度的差异，导致两者的转动惯量不同。在旋流场中，示踪粒子不能真实反映当地流体的运动轨迹。这类测量技术的可靠性在旋流场的测量中得不到保障。 

热线风速仪(Hot-wire anemometer)是另一类常用的流场速度测量工具，其原理是利用流体流经热线时，使热线产生热量损失，从而导致电阻的变化。特别是具有响应快、准确性高的特点，因而常被用于流场的瞬态测量，非常适合对流场的湍流特性分析。三维流动速度的测量需要三维热线，即三根热丝制成的探头，为了减小呈细杆状的热线探头对流场的扰动，需要尽量减小其空间尺度，不仅制造成本高、难度大，而且在实际应用过程中，热丝极易折断，致使测量失败。三维热线风速仪测量大流动角度时，需要对所有的测量角度下的热线的状态进行标定。例如，对于流场流动角度在-50°到+50°，、间隔为5°的三维热线标定的时间约需要8个小时。这会引起电子仪器发生飘移，使得标定结果失真。尽管如此，热线风速仪仍是最有效的流速测量工具，特别是一维热线，由于结构简单、制作成本低而得到广泛应用。 

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，由于具有低成本，加工制造简单的特点，仍然有广泛的应用。多孔压力探头(包括三、四、五、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速度大小和方向。旋流场中，相对于放置方向固定的压力探头，流体流动方向是大流动角度。此时，流体在探 头上会产生流动分离现象，致使流体不能完全地附着在探头表面，压力孔则不能准确获得当地的压力值，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，在测量较大的流动角度时，更加可靠。 

总之，对于旋流场的压力和速度的测量需要开发一种精确、可靠、低成本的测量工具。 

发明内容

本发明利用七孔压力探头和一维热线风速仪的各自的优势，设计一套用于旋流场流体流动的测量工具，既是将七孔压力探头和一维热线结合起来测量旋流场流体的三维瞬态流动，即在大流动角度时的压力、速度(包括平均速度、瞬时速度)所涉及的装置和操作过程。 

本发明提出的测量旋流场的压力和速度的工具包括一个七孔压力探头(1)、一个一维热线风速仪探头(2)、一个有两个转动自由度的支架系统(3)、一个三自由度平动机构(4)、七个压力传感器(5)、压力管(6)、常温电桥(7)、导线(8)、数据采集管理系统(9)及控制计算机(10)等部件。图1是测量旋流场的压力和速度的工具的布局图，表明了上述部件的连接关系。图中标明： 

七孔压力探头(1)和热线风速仪探头(2)定位在有两个转动自由度的支架系统(3)上； 

有两个转动自由度的支架系统(3)固定在一个三自由度平动机构(4)上； 

七孔压力探头(1)通过压力管(6)连接到七个压力传感器(5)，再连接到数据采集系统(9)、控制计算机(10)； 

一维热线风速仪探头(2)通过导线(8)连接到常温电桥(7)，再连接到数据采集系统(9)、控制计算机(10)。 

七孔压力探头(1)的外形呈长圆柱体形状，在其测量端端部呈圆锥台形状。图2(a)和图2(b)分别是七孔压力探头的测量端的外观图和顶视图。顶视图是沿着七孔压力探头的圆柱形的轴线观看测量端的视图。七孔压力探头有一个中心孔(11)，沿着其圆周方向均匀地分布着另外六个间隔120°的周边孔(12)。中心孔也称作动压孔；六个周边孔也称作静压孔，中心孔(动压孔)和周边孔(静压孔)都是压力孔。