[发明专利]一种超高频响等离子体流动测量装置

说明书

技术领域

本发明涉及航空航天中高频、高焓以及高速非定常流场测量技术领域，尤其是针对叶轮机械内部复杂三维非定常流场测量的一种超高频响等离子体流动测量装置。

背景技术

任何理论的发展都离不开实验，航空航天高马赫数、高湍流脉动、高焓流动离不开，叶轮机械气动热力学也离不开。由于叶轮机械典型的三维、非定常复杂流动，其包含了高马赫数、高湍流脉动、高焓流动，对其流场的测量也一直是该领域需要突波和解决的难题。随着航空科技的飞速发展，叶轮机械的设计优化也从早期的一维设计发展到现在全三维设计，数值计算模拟软件的发展仅仅取决于计算机硬件和软件的发展，而实验测量手段的发展需要众多学科的并行发展：材料、电子、计算机以及加工制造业，导致实验测量手段一直落后于数值计算，无法为数值计算提供可靠的实验数据。

由于早期的叶轮机械设计方法是在二维无粘流模型基础上加入经验修正，所以，试验方法大多为二维叶栅实验，相应的测量方法多为皮托管、多孔探针、热电偶等定常压力和温度测量工具。随着理论发展到准三维的三元流模型，各类低速/高速的压气机与涡轮试验台层出不穷，热线风速仪、压阻式动态压力传感器等测量仪器也应运而生。随着压气机增压比、涡轮前温度的不断提高，叶轮机械内部流动越来越复杂，全三维和非定常效应越来越显著，角区、泄漏流等复杂流动的CFD模拟能力越来越强，计算精度也越来越高。以CFD计算加上智能优化理论为核心的设计手段正在逐步取代过去以简化理论模型加经验公式的设计模式。作为验证CFD计算结果的最根本手段，实验研究显得非常重要。CFD在非定常和全三维湍流N-S方程上的飞速进展对实验研究也就提出了新的要求，迫切需要先进的内部测量手段来捕捉和提取流动的非定常信息和三维流场的精细结构。

随着CFD技术和测量手段的不断更新发展，在叶轮机械领域仍然存在很多迫切需要解决的难题：其一，对旋转失速和喘振非稳定现象实施有效控制一直是牵引压气机流动失稳机理与控制技术研究的驱动动力。目前先进发动机大量采用主动控制技术，要求实时监测压气机状态，对频响的要求非常高，一些以突尖型失速先兆为失稳途径的发动机需要在数毫秒之内检测到压力或速度的异常脉动并启动相应的控制装置。为给机械作动机构留出响应时间，检测和判断必须在数十微秒之内完成，传感器的频响需求可能高达1MHz的级别，然而目前尚没有能够满足这个要求的技术。其二，低雷诺数低压涡轮经常出现附面层分离和转捩现象，对于附面层转捩过程的测量，则要求测量仪器具有高频响、小体积，且对流场影响最小的特点。目前发展最成熟的热膜技术虽然能够解析附面层的空间结构，但它的频响太低，远远不能满足同样高达1MHz级别的流场脉动测量需求。其三，在高马赫数叶轮机械中，激波和叶轮机械的稳定性具有直接的关联性。实验直接测量激波运动是十分困难的，常采用间接测量法，即用多通道高速同步采集系统，利用高精度、小尺寸、高频响的动态压力传感器，及同步锁相装置(采用磁钢-电感线圈式信号发生器所提供的外触发信号)，捕获激波运动区壁面各测点瞬态压力和热流率的间歇变化来测量激波位置。然而，对位于旋转坐标系之内的激波这类局部突变的流动现象，主要依靠绝对坐标系下高频响传感器来实现精细的空间分辨率，目前的测量仪器还不足以分辨出足以验证数值计算结果的精度。