[发明专利]一种高超声速风洞湍流度间接测量方法

说明书

技术领域

本发明涉及风洞湍流度测量领域，特别是涉及一种高超声速风洞湍流度间接测量方法。

背景技术

研究发现，湍流度对边界层转捩有着重要影响，其对气动测量的影响之严重可与雷诺数相比。同时，在利用CFD对流场进行数值仿真时，湍流度也起着非常关键的作用，人们往往需要在仿真前对湍流度进行测量或估计，湍流度测量值或估计值的准确度直接影响了仿真结果的准确度。

目前，湍流度的测量一般使用热线风速仪(HWA)、激光多普勒测速仪(LDV)以及粒子图像测速系统(PIV)，它们都是通过测量流场中的速度脉动进而计算得到湍流度。HWA的基本原理是热平衡原理，将具有加热电流的细金属丝放置在流场中，风速的变化会使金属丝的温度产生变化，通过测量热线两端的电压从而可计算得到流速(E.L.DOUGHMAN.Development of a Hot-Wire Anemometer for Hypersonic Turbulent Flows[J].THE REVIEW OF SCIENTIFIC INSTRUMENTS.VOLUME43,NUMBER8,1972)。LDV的基本原理是对通过激光探头的示踪粒子的多普勒信号进行测量，然后根据速度与多普勒频率的关系换算得到速度。PIV技术建立在流场显示技术的基础上，其基本原理是在流场中加入一定的示踪粒子，用脉冲激光器所发出的激光照亮流场的测试段，并用CCD相机拍下测试段间流动粒子的图像，对图像进行分析处理之后得到流场中的速度分布(Pentti Saarenrinne,Mika Piirto and Hannu Eloranta.Experiences of turbulence measurement with PIV[J].MEASUREMENT SCIENCE AND TECHNOLOGY,2001)。

目前，国内外还未见关于能够准确测量高超声速风洞湍流度的方法的相关报道。以上三种测量方法在亚声速、跨声速或低超声速流场中有着广泛的应用，但它们并不适用于高超声速流场中的湍流度测量。HWA具有动态响应频率高,时间和空间分辨率高等优点，但热线容易断裂，在超高声速流场中，高温高速的环境对其来说是个严峻的考验。LDV和PIV都属于非接触流动显示技术，它们测量精度高，测速范围广，但是在高速流场中存在示踪粒子跟随性差，受激波影响大的缺点。

发明内容

本发明的目的旨在克服现有技术所存在的上述缺陷，提供利用微型空速管测量高超声速风洞流场中的压力脉动，再根据压力脉动与速度脉动的关系换算间接得到湍流度的一种高超声速风洞湍流度间接测量方法。

本发明包括以下步骤：

一、采集风洞数据，具体方法如下：

1)控制电机令空速管对准风洞出口中心，记录下第1个测点的平均总压和脉动压力p'₀；

2)将空速管水平或竖直移动单位长度，记录下第2个测点的压力数据；

3)不断重复步骤2)，记录下第三、四……个测点的数据，直到测得所有均匀分布在风洞出口截面的测点压力数据；

4)在风洞出口截面附近沿壁面周向均匀布置4个测量静压的压差传感器和4个测量总温的热电偶，对测得的4个静压值和4个总温值取平均可得到平均静压和平均温度；

二、对风洞数据的分析，具体方法如下：

1)建立压力脉动p'₀与速度脉动u'、密度脉动ρ'间的函数关系；

在步骤二的步骤1)中，所述建立压力脉动p'₀与速度脉动u'、密度脉动ρ'间的函数关系的具体方法可为：

已知风洞中气流的总压表达式为：

p0=p+12Cpρu2---(1)]]>