標(biāo)定五孔氣動探針的風(fēng)洞及測控系統(tǒng)設(shè)計

張晶輝,布國亮,張旭悅,張 澤,王程遠(yuǎn)

(1.西安航空學(xué)院 飛行器學(xué)院，西安 710077；2.西安嘉業(yè)航空科技有限公司，西安 710089)

0 引言

氣動探針廣泛應(yīng)用于各類風(fēng)洞試驗、旋轉(zhuǎn)機(jī)械內(nèi)流場的測量，具有響應(yīng)速度快、測量精度高、結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、經(jīng)濟(jì)性好、使用方便、可靠性高以及維修性好等特點，可以測量氣流的總壓、靜壓、三維速度等氣流參數(shù)[1]。三孔探針常用于二維流場或者僅需測量二維速度的三維流場，如航空發(fā)動機(jī)壓氣機(jī)/渦輪平面葉柵出口流場，五孔探針常用于三維流場，如航空發(fā)動機(jī)內(nèi)流場。

金捷等[2]通過對五孔探針標(biāo)定數(shù)據(jù)進(jìn)行最小二乘法擬合，然后對實測數(shù)據(jù)進(jìn)行插值，得到的氣流角度和速度偏差均滿足工程要求。鐘兢軍等[3]用最小二乘法建立標(biāo)定系數(shù)和流場參數(shù)之間的顯式關(guān)系，并進(jìn)行風(fēng)洞的自動化測量。廖安文等[4]在數(shù)據(jù)處理中引入表征馬赫數(shù)變化的系數(shù)，提高了測量精度。王洪偉等[5]把人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)處理方法引入五孔探針的數(shù)據(jù)處理中，并與三維線性插值法進(jìn)行了比較，證明了BP網(wǎng)絡(luò)模型用來處理五孔探針數(shù)據(jù)的精度和可靠性更好，而且可擴(kuò)展到其他多孔探針上。史遠(yuǎn)鵬等[6]設(shè)計了考慮馬赫數(shù)的非線性三維插值方法，并基于最小二乘法進(jìn)行曲線擬合，通過試驗測量，證明了這種方法可以通過較少的標(biāo)定數(shù)據(jù)點來實現(xiàn)高精度的標(biāo)定結(jié)果。

五孔探針目前一般是采用手工方法制作，在夾具上固定不同尺寸的不銹鋼管，然后經(jīng)過釬焊、車削、磨削等工序制成，因此不能保證探針五個孔的分布呈現(xiàn)理想的對稱性，每一支五孔探針在使用之前都要進(jìn)行風(fēng)洞標(biāo)定試驗，以獲得角度系數(shù)、總壓系數(shù)、靜壓系數(shù)等標(biāo)定系數(shù)[7]。章鵬等[8]基于Labview虛擬儀器技術(shù)設(shè)計了用于七孔探針標(biāo)定的數(shù)據(jù)采集及控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)包含硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)開發(fā)。低速探針標(biāo)定用風(fēng)洞一般是在測量風(fēng)洞上把試驗件換掉，改造成標(biāo)定探針的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，因此標(biāo)定前期準(zhǔn)備工作量大。標(biāo)定超跨音速探針一般是在專用的標(biāo)定風(fēng)洞上進(jìn)行，所需風(fēng)機(jī)功率很大。Gonsalez等[9]設(shè)計了用于超跨音速探針的標(biāo)定風(fēng)洞系統(tǒng)，風(fēng)洞出口直徑僅9 cm。Town等[10]設(shè)計了用于標(biāo)定探針的二自由度旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)及軟件控制系統(tǒng)，大大提高了標(biāo)定效率。

本文首先設(shè)計了用于低速五孔探針標(biāo)定的風(fēng)洞及測控系統(tǒng)，包含硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)，然后對風(fēng)洞出口流場進(jìn)行了測量，以驗證出口流場的均勻性，最后在風(fēng)洞上進(jìn)行五孔探針的標(biāo)定試驗及數(shù)據(jù)處理，以評價五孔探針的測量精度。

1 標(biāo)定風(fēng)洞

風(fēng)洞總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，由過渡段、擴(kuò)壓段、蜂窩器整流網(wǎng)、穩(wěn)壓段、收縮段組成，左側(cè)接離心風(fēng)機(jī)(圖中未畫出)，選用不同的風(fēng)機(jī)可以獲得不同的出口流速。本文選用風(fēng)機(jī)最大流量為1 410 m3/h，全壓為3 507 Pa，通過變頻器控制轉(zhuǎn)速，改變風(fēng)機(jī)的工作條件，試驗測量出口流速最大為45 m/s。

圖1 風(fēng)洞總體結(jié)構(gòu)圖

收縮段采用雙三次曲線

(1)

式中：D為軸向距離為x處的截面直徑；D1為收縮段入口截面直徑；D2為收縮段出口截面直徑；L為收縮段長度。本文取D1=208 mm，D2=50 mm，L=200 mm，xm/L=0.4。

對風(fēng)洞出口的總壓進(jìn)行測量，總壓探針頭部直徑0.5 mm，水平X方向測量范圍60.0 mm，豎直Y方向測量范圍60.0 mm，間隔2.0 mm，測量截面位于出口10.0 mm處。測量截面的測量網(wǎng)格點如圖2所示，圖中的圓為風(fēng)洞出口形狀。

圖2 風(fēng)洞出口總壓測量網(wǎng)格點

測量得到的測量截面總壓(Pt)云圖如圖3所示。由圖3可見，測量截面處的總壓分布相對均勻，僅在靠近管壁的區(qū)域總壓較小且在該區(qū)域內(nèi)Pt的分布不均勻，這與流體與管壁的相互作用有關(guān)。由于流體與管壁間的摩擦力作用導(dǎo)致近管壁區(qū)域的流體流速較慢，因此該區(qū)域的總壓較低。此外，由圖3無法獲知Pt在測量截面主流區(qū)域的壓差分布情況。

圖3 風(fēng)洞出口總壓分布

為描述風(fēng)洞出口總壓的不均勻性，計算當(dāng)?shù)乜倝号c主流中心區(qū)域10 mm×10 mm的平均總壓差值(ΔPt)，結(jié)果示于圖4。由圖4可知，主流區(qū)域的總壓差小于1%。這說明設(shè)計的風(fēng)洞性能較好，可以進(jìn)行氣動探針的標(biāo)定。

圖4 風(fēng)洞出口總壓不均勻性分布

2 硬件系統(tǒng)

探針標(biāo)定測控系統(tǒng)硬件由壓力傳感器、二自由度旋轉(zhuǎn)臺、探針夾具、工控機(jī)、PCI數(shù)據(jù)采集卡、伺服電機(jī)及驅(qū)動器、運動控制卡組成。探針標(biāo)定測控系統(tǒng)硬件流程如圖5所示。

圖5 測控系統(tǒng)硬件流程圖

圖6所示為探針標(biāo)定測控系統(tǒng)硬件實物。

圖6 風(fēng)洞及測控系統(tǒng)實物

壓力測量采用SMI差壓傳感器，一側(cè)通大氣，一側(cè)接測量的氣壓管，測量范圍為±1 kPa，非線性誤差、正反行程遲滯誤差、重復(fù)性誤差的總誤差小于3‰。傳感器的氣壓壓差和輸出電壓的關(guān)系

ΔP=k(U-U0)

(2)

式中：ΔP為差壓傳感器兩側(cè)壓差；k為校準(zhǔn)得到的系數(shù)；U為測量的電壓；U0為壓差為0時的電壓(零點電壓)。PCI數(shù)據(jù)采集卡為16通道差壓方式(或32為單端方式)、采樣頻率高達(dá)500 kHz。

二自由度旋轉(zhuǎn)臺可實現(xiàn)探針俯仰角和偏轉(zhuǎn)角的改變，采用蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)，蝸桿由伺服電機(jī)驅(qū)動，傳動比為180∶1，重復(fù)定位精度小于0.005°，伺服電機(jī)由光電編碼器行程反饋，設(shè)置36 000個脈沖信號使電機(jī)(帶動蝸桿)轉(zhuǎn)1圈，引起的蝸輪轉(zhuǎn)動誤差為5×10-5°，可忽略脈沖信號引起的誤差。二自由度旋轉(zhuǎn)臺的軸線相交，并設(shè)計固定探針的夾具，以使探針頭部位于軸線相交處，這樣改變探針俯仰角和偏轉(zhuǎn)角時，探針頭部在風(fēng)洞出口的位置保持不變。

3 軟件系統(tǒng)

采用Labview軟件對探針標(biāo)定過程進(jìn)行編程，測控軟件流程見圖7。

圖7 測控軟件流程圖

4 五孔探針特性

如圖8所示為五孔探針結(jié)構(gòu)，所標(biāo)定五孔探針結(jié)構(gòu)及偏轉(zhuǎn)角和俯仰角的定義也示于圖8。

圖8 五孔探針結(jié)構(gòu)

由圖8可知，五孔探針頭部直徑為4.0 mm，孔內(nèi)徑為0.5 mm，采用不銹鋼毛細(xì)管焊接而成，因此中心孔(孔1)周圍的孔(孔2～5)并非均勻?qū)ΨQ分布。

定義偏轉(zhuǎn)角系數(shù)為

(3)

俯仰角系數(shù)為

(4)

式中：P1、P2、P3、P4、P5分別為1～5孔的壓力；Pavg=(P2+P3+P4+P5)/4。標(biāo)定偏轉(zhuǎn)角α和俯仰角β的范圍為-36°～36°，間隔為4°。通過對標(biāo)定數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，判斷探針的有效測量范圍偏轉(zhuǎn)角α和俯仰角β都為-24°～24°，如圖9所示。由圖9可知，所制作的五孔探針可以進(jìn)行有效的線性插值獲得俯仰角和偏轉(zhuǎn)角。

圖9 俯仰角系數(shù)和偏轉(zhuǎn)角系數(shù)關(guān)系圖

5 結(jié)論

為標(biāo)定自制五孔氣動探針，設(shè)計了小型低速風(fēng)洞，改變探針俯仰角和偏轉(zhuǎn)角的二自由度旋轉(zhuǎn)臺，并編制了基于Labview的測控軟件，對所制探針頭部直徑4.0 mm，孔內(nèi)徑0.5 mm的五孔探針進(jìn)行了標(biāo)定試驗。

(1)設(shè)計用于標(biāo)定五孔氣動探針的風(fēng)洞出口主流區(qū)域的總壓差值小于1%。

(2)設(shè)計的二自由度旋轉(zhuǎn)臺，編制的軟件測控系統(tǒng)，標(biāo)定自制五孔氣動探針偏轉(zhuǎn)角和俯仰角的有效測量范圍可達(dá)到-24°～24°。

(3)所設(shè)計的風(fēng)洞、二自由度旋轉(zhuǎn)臺、軟件測控系統(tǒng)可進(jìn)行探針的標(biāo)定試驗。