[发明专利]一种基于微型探针实现气流角度实时监测的方法与装置

说明书

提供一种用于实现气流角度实时监测的微型探针，由楔形部和四棱锥形状的截椎体两部分一体化形成，在四棱锥表面加工探针孔，用于测量气流压力。还提供一种利用微型探针实现气流角度实时监测的方法，利用微型探针对流场进行实时监测以获得来流角度。本发明的装置和方法利用微型探针对气流角度进行实时监测能够在减少对流场扰动并改善流动分离的基础上实施精确测量，为后续操作提供输入指令，在实际流场测量与使用性能耦合方面具有广泛的应用前景。

技术领域

本发明涉及三维流场气动参数测量技术，具体涉及一种利用基于楔形涡流 发生器造型的微型探针实现三维流场气流角度实时监测的方法与装置。

背景技术

流体机械在国防工业与日常生活中有着广泛的应用，流体流过流体机械的 过程很大程度上决定了流体机械的工作特性。设计之初，人们总是期望流体沿 固壁面型线光滑地流过流体机械，但实际工作过程中，流体运动方向受诸多因 素影响，往往会使得流体运动方向与流体机械型面存在一定夹角，导致流体不 再贴附物体表面流动，进而产生流动分离。以航空飞行器为例，当气流方向与 机翼表面形成大的气流夹角时即会产生流动分离，进而使得飞行器升力下降、 阻力上升，导致飞机气动性能下降，而当该气流夹角进一步增大到失速迎角时， 即会诱发严重的飞行事故。类似的流动分离现象在航空发动机进气道唇口、压 气机叶片等部件上也时有发生，会使得航空发动机气动性能下降。地面流体机 械，包括风机叶片、汽车等，同样会受到流动分离的影响，使得流动损失增大 并会增加气动噪声，影响机械的工作效率和人们的生活品质。

对于航空飞行器和发动机，一旦气流与当地几何型面的夹角达到失速迎角， 会使得飞行器丧失升力、发动机丧失推力。尤其对于未来先进军用航空飞行器 和发动机，需承受更加严苛的飞行环境，以实现飞得更快、更高、更远。因此， 有必要发展可实时监测气流与当地几何型面夹角的方法与装置，对流动分离进 行实时监控，在必要时采用流动控制措施，避免失速迎角的出现。

目前实现气流角度测量的手段主要分为接触式测量和非接触式测量。接触 式测量以多孔气动探针为代表，其基本原理是将探头压力场与风速矢量相关联， 按照压力比提供的无因次系数和校准查询表进行比对，从而确定来流速度角度 等参数。非接触式测量以PIV粒子图像测速法为代表，PIV法测速是向流场散 布示踪粒子，通过测量示踪粒子在已知很短时间间隔内的位移来间接地测量流 场的参数分布。无论是接触式还是非接触式测量方法，在流体力学实验中都有 着成熟、广泛的应用。尤其是接触式流场测量方法，在航空飞行器飞行速度测 量方面是最为成熟的技术。针对未来先进航空飞行器和发动机的研制需求，进 一步发展基于接触式测量技术的气流角度实时监测方法，可有效降低流动分离 对飞行器和发动机工作范围的限制、拓宽使用包线。

发明内容

鉴于现有技术存在的缺陷，针对三维流场中固壁面附近的气流角度监测， 本发明提供一种用于实现气流角度实时监测的微型探针，所述微型探针为楔形 涡流发生器式探针，所述微型探针由楔形部和四棱锥形状的截椎体两部分一体 化形成，楔形部的前端和四棱锥形状的截椎体的底部重合；其中

楔形部的底面为第一等腰梯形，第一等腰梯形前缘宽度为ω₁，后缘宽度 为ω₂，侧边宽度l；楔形部高度h；楔形部的上表面为第二等腰梯形，其上底 为四棱锥的底面的上边，下底为第一等腰梯形的底边，左右两条腰被其上、下 底限定；楔形部的左、右表面都是三角形，三角形的底边分别为四棱锥底面的 左右两边，三角形的两条侧边分别是第一、第二等腰梯形的两条腰；

探针的前侧面为四棱锥形状的截椎体表面，所述前侧面不包括四棱锥的底 面；四棱锥的尖部被截断；四棱锥底面的四条边中，上下两边相互平行，左右 两边相互平行且与探针底面相垂直；在四棱锥表面加工探针孔，探针孔数为N， 直径为Φ；探针孔的位置和数量根据需要确定，探针孔的打孔方向与四棱锥的 底面相垂直，但至少有一个探针孔位于四棱锥的截面上；除了位于截面上的探 针孔外，其他探针孔的位置在四棱锥的四个侧面的全部或部分上。

在本发明的一个实施例中，探针孔数N不小于3，不大于7。