總壓探針性能結構敏感性分析

萬浩涵，趙儉，李亞晉

（航空工業北京長城計量測試技術研究所，北京 100095）

0 引言

總壓探針結構是總壓探針設計時需要考慮的關鍵問題，結構對總壓系數、不敏感角等性能影響很大［1-2］。

林其勛和游紹堃等人［3］研究了總壓探針不敏感角與氣流速度的關系，發現在總壓探針感壓孔外面加引導管可以提高探針不敏感角，感壓孔有倒角的總壓探針不敏感角更大，并給出了L型、帶套型、球窩型等幾種典型總壓探針結構及其不敏感角。

VENKATESWARAN S和WALL M M等人［4-5］發現臨壁測量時，壁面與探針的相互干擾會嚴重影響被測流場結構，引起測量誤差。

王肖等［6］對單點和多點梳狀總壓探針的堵塞效應進行了研究，發現總壓探針的介入使被測流場流量減小，相比于探針結構，堵塞效應受堵塞比的影響更大。

李正［7］以二級低速軸流壓氣機為基礎，研究探針對壓氣機性能的影響，發現葉型探針幾乎不影響壓氣機平均流場結構，探針尺寸越小對流場的影響越小。

以往研究多結合發動機試驗，聚焦總壓探針結構設計較少，且發動機流場復雜，試驗條件重復性低，不同車次試驗工況相差較大，導致試驗結果不確定度大，難以準確找到影響規律［8-12］。為了研究結構對探針性能的影響，制作不同類型且不同關鍵尺寸的總壓探針，其中有凸嘴型總壓探針、帶套型總壓探針［3］。在校準風洞上對探針進行校準試驗［14-15］，比較不同結構探針的試驗結果，研究總壓探針結構對探針性能的影響。

1 凸嘴型總壓探針

凸嘴型是一種結構簡單、易加工的總壓探針結構，引壓管直接從支桿伸出，引壓管口直對氣流［3］，結構如圖1所示。凸嘴型總壓探針不敏感角可達10°～20°，迎風面積小，適合需要密集排布的場合，如作為附面層探針使用。

圖1 凸嘴型探針結構圖Fig.1 Structure of the convex-nosed probe

本次試驗采用了不同的引壓管頭部長徑比即l/d，引壓管倒角a，共加工了6支關鍵尺寸不同的凸嘴型總壓探針，結構尺寸如表1。

表1 凸嘴型總壓探針尺寸表Tab.1 Dimensions of the convex-nosed total pressure probe

為了探究長徑比l/d對于總壓探針性能影響，將1號、2號、3號探針同時安裝在風洞氣流核心區進行總壓系數校準試驗［4］。試驗馬赫數Ma為0.5，氣流偏轉角為0°，±10°，±15°，±20°，±25°，每次試驗重復5次，結果取平均值。第一次凸嘴型探針總壓系數校準試驗結果如圖2所示。

圖2 第一次凸嘴型探針總壓系數校準試驗結果Fig.2 Results of first calibration test of the total pressure coefficient of convex-nosed probe

從試驗結果來看，1號探針不敏感角較小，在氣流偏角±10°內總壓系數小于1‰，當氣流偏角大于15°時，總壓系數較大；2號探針不敏感角大，在氣流偏角±15°內，總壓系數小于1‰；3號探針不敏感角大，在氣流偏角±15°內，總壓系數小于1‰，在負偏角氣流下，總壓系數小于2號探針；2號探針出現了正負偏角結果不對稱，可能由于加工誤差所致。由此看來，對于凸嘴型探針而言，長徑比在5～10之間性能較好，長徑比小于2時性能較差。

將2號、4號、6號探針同時安裝在風洞氣流核心區進行總壓系數校準試驗，探究凸嘴型探針倒角對總壓探針性能的影響規律。試驗條件與第一次試驗一致，第二次試驗結果如圖3所示。

圖3 第二次凸嘴型探針總壓系數校準試驗結果Fig.3 Results of second calibration test of the total pressure coefficient of convex-nosed probe

從試驗結果來看，2號、4號、6號探針性能比較接近，不敏感角較大，在氣流偏角±15°內總壓系數都小于1‰。考慮到加工誤差對于探針性能的影響，凸嘴型探針倒角a對總壓探針性能的影響不大，60°～90°都有不錯的性能。

將2號、3號、4號、5號探針都安裝在風洞氣流核心區，同時進行總壓系數校準試驗，研究最佳凸嘴型總壓探針的關鍵尺寸。試驗條件保持不變，得到結果如圖4所示。

圖4 第三次凸嘴型探針總壓系數校準試驗結果Fig.4 Results of third calibration test of the total pressure coefficient of convex-nosed probe

由圖4可見，5號探針性能最佳，不敏感角大，氣流偏角±15°內總壓系數小于1‰，是凸嘴型探針中的最佳結構。綜上，凸嘴型探針的長徑比l/d選擇5～10、引壓管倒角為60°時，探針性能最佳。

2 帶套型總壓探針

為了提高總壓探針的不敏感角性能，在凸嘴型結構探針試驗結果的基礎上，研究了兩種不同結構的帶套型總壓探針，帶套型總壓探針是在引壓管外套上一個氣流罩，使氣流更加集中，可以提高總壓探針的不敏感角，但會增加迎風面積，對測點間距要求較大［3］。

第一種帶套型探針是有后端出氣口的整流罩總壓探針，結構如圖5。第二種帶套型總壓探針是屏蔽罩無出氣口的總壓探針，結構如圖6，這種總壓探針比較適用于多點總壓耙，所需空間小，可以將測點間距布置得比較密集。

圖5 整流罩總壓探針Fig.5 Structure of the rectifier-type total pressure probe

圖6 屏蔽罩總壓探針Fig.6 Structure of the shield-type total pressure probe

針對整流罩型總壓探針的結構，改變整流罩直徑與引壓管直徑d的比例即D/d、整流罩長徑比l/D、以及倒角a，加工了不同結構尺寸的帶套型總壓探針，結構尺寸見表2。

表2 整流罩型總壓探針尺寸表Tab.2 Dimensionsof the rectifier-type total pressure probe

將1～6號整流罩型探針安裝在風洞氣流核心區同時進行總壓系數校準試驗，試驗馬赫數Ma為0.5，氣流偏轉角度為0°，±10°，±15°，±20°，±25°，每次試驗重復5次，結果取平均值，得到整流罩型探針總壓系數校準試驗結果如圖7所示。

圖7 整流罩型探針總壓系數校準試驗結果Fig.7 Calibration test results of the total pressure coefficient of rectifier-type probe

由圖7可見，整流罩型探針中4號性能最佳，不敏感角大，氣流偏角±20°內總壓系數小于1‰，是整流罩型探針中的最佳結構。對比1號、2號、3號的試驗結果，三者性能數據無顯著性差別，考慮到探針加工誤差對探針性能的影響，說明D/d在1.5～3范圍內，探針性能差異不大。進一步對比2號、4號、5號探針，發現整流罩長徑比l/D小的探針性能劣于長徑比大的探針，說明大長徑比整流罩型總壓探針不敏感角更大。對比4號、6號的試驗結果來看，兩只探針性能差別不大，考慮到探針加工誤差對探針性能的影響，說明倒角60°和90°的整流罩型總壓探針不敏感角相差不大。

屏蔽罩型總壓探針的關鍵尺寸與整流罩型類似，加工了幾支不同結構尺寸的屏蔽罩型總壓探針，如表3所示。將所有探針安裝在風洞氣流核心區同時進行總壓系數校準試驗，試驗馬赫數Ma為0.5，氣流偏轉角度為0°，±10°，±15°，±20°，±25°，每次試驗重復5次，結果取平均值。得到屏蔽罩型探針總壓系數校準試驗結果如圖8。

表3 屏蔽罩型總壓探針尺寸表Tab.3 Dimensions of the shield-type total pressure probe

圖8 屏蔽罩型探針總壓系數校準試驗結果Fig.8 Calibration test results of the total pressure coefficient of shield-type probe

從圖8看來屏蔽罩型探針中4號性能最佳，不敏感角大，氣流偏角在-20°時，總壓系數為1.1‰，是屏蔽罩型探針中的最佳結構。對比1號、2號、3號的試驗結果，屏蔽罩直徑與引壓管直徑d之比D/d選擇2較為合適，當D/d＜2時，總壓性能下降較多，當D/d＞2時，總壓性能也會降低。對比2號、4號、5號的試驗結果，發現屏蔽罩型長徑比l/D=5時不敏感角最大，當l/D＜5時，總壓性能下降較多，當l/D＞5時，總壓性能也會降低。對比4號、6號的試驗結果來看，倒角為60°性能更好。綜合看來，在設計整流罩型總壓探針時，選擇D/d=2，l/D=5，倒角為60°的尺寸設計較為合適。

3 結論

綜合所有試驗結果來看，整流罩型總壓探針性能最好，考慮到探針加工誤差，大長徑比探針不敏感角更大，而整流罩倒角和整流套直徑與引壓管直徑d之比D/d對探針性能影響較小，其中D/d=2，l/D=5，倒角為60°的探針性能最佳，在氣流偏角±20°內總壓系數小于1‰。屏蔽罩型總壓探針性能略差于整流罩型，氣流偏角在-20°時，總壓系數為1.1‰。凸嘴型探針性能較差，氣流偏角小于±15°時總壓系數小于1‰。

可見在設計總壓探針時選擇帶套型結構優于引壓管凸出的結構，有后端出氣口的整流罩型最佳。但整流罩型總壓探針迎風面積大，安裝工藝較復雜，如果不敏感角要求不高，而多測點密集排列的總壓探針可以采用凸嘴型設計，而屏蔽罩型的設計適用于測點密集且不敏感角要求較高的總壓測試環境。

為對試驗結果更深入地分析，下一步將通過氣動仿真模擬和氣動機理分析，對這幾種結構總壓探針機理進行理論分析，使結論更好地作用于探針優化設計。