七孔探針測量剪切流場的誤差分析和實驗驗證

馬興宇，明 曉

（南京航空航天大學 空氣動力學系，江蘇 南京210016）

0 引 言

七孔探針是一種測量流場某處速度的大小、方向、總壓和靜壓的壓力探頭。作為一種精度高、可靠性好、測量角度范圍大、結構簡單的測量技術，七孔探針適用于大剪切、大偏角流場的測量，例如射流、鈍體尾流、飛機翼尖渦等復雜流動。20世紀80年代，NASA和Ames研究中心聯合研發了七孔探針及其標定方法，利用多項式代數方法擬合系數矩陣，進行誤差分析［1］。當前，七孔探針廣泛應用于流動分離［2］、復雜旋渦測量［3－5］、彈射救生［6］等領域。

七孔探針作為一種接觸性測量技術，通常在均勻流場中進行標定。然而，探針的錐形頭具有有限尺寸（直徑約3mm～10mm），在測量復雜流場——例如剪切流動時——由于各個壓力孔空間位置的差異，而造成各孔感受的壓力不同，所測量的速度和角度都會產生誤差。如圖1所示，由于上方的孔所感受的壓力比下方的孔所感受的壓力大，使得角度的測量產生誤差，同時也引起速度測量的誤差。

本文利用數值模擬的方法，研究了七孔探針在剪切流場中氣動特性，并分析了速度梯度、七孔探針直徑、滾轉角等因素產生的誤差。在實驗中，利用七孔探針測量圓管射流，驗證了數值分析的結果。

圖1 七孔探針測量剪切流場示意圖Fig.1 The seven－hole probe in shearing flow field

1 七孔探針基本原理

對于七孔探針，根據七個壓力孔的壓力高低，將流動空間劃分為七個區。以壓力最高的孔編號為名。中心第七孔所對的流動空間稱為內區，其它六個區稱為外區。……