短轴探管测量高速射流风洞亚跨声速射流流场均匀区方法

摘要

本发明属于高速风洞试验技术领域，公开了一种短轴探管测量高速射流风洞亚跨声速射流流场均匀区方法。包括以下步骤：安装短轴向探测管；启动高速射流风洞；采集亚跨声速射流流场静压数据；计算各测量点位的马赫数；计算各测量点位的马赫数差量；确定射流边界点；确定高速射流风洞的试验段均匀区；计算高速射流风洞的试验段均匀区均方根偏差值。该方法适用于高速射流风洞亚跨声速射流流场均匀区边界和均匀性测量，使用短轴向探测管整体移动，测定亚跨声速射流均匀区边界，最大程度地减小了对亚跨声速射流流场的扰动影响，简单、明确，理论依据充分，能够快速准确地获取亚跨声速射流均匀区边界，测定高速射流风洞亚跨声速试验可用流场范围。

权利要求

1.短轴探管测量高速射流风洞亚跨声速射流流场均匀区方法，其特征在于，包括以下步骤：S01.安装短轴向探测管；

将短轴向探测管安装在高速射流风洞的四自由度运动机构上，短轴向探测管的中心轴线与高速射流风洞的中心轴线平行；坐标原点O位于高速射流风洞的中心轴线与高速射流风洞喷管出口截面相交的点上，OX轴位于中心轴线上，沿气流方向向前为正X方向，Y轴竖直向上，Z轴符合右手定则；四自由度运动机构具有X方向、Y方向自由度；

S02.启动高速射流风洞；

启动高速射流风洞，并进入预定的马赫数闭环控制流程，建立预定的马赫数的亚跨声速射流流场；

S03.采集亚跨声速射流流场静压数据；

按照规划的射流均匀区测量点位，驱动四自由度运动机构在射流区域的XOY截面内移动，并采集各测量点位的静压 ；其中i=1 n，n为在 位置时X方向上的总测点数，~j=1 m，m为在 位置时Y方向上规划的总测点数， 代表各测点坐标；驱动四自由度~运动机构沿高速射流风洞的中心轴线的测量点位进行一次单独测量，中心轴线上各测点位置为 ， 为中心轴线的Y向坐标， ；

S04.计算各测量点位的马赫数；

利用等熵关系式计算各测点马赫数，公式如下：其中， 为预定的马赫数下高速射流风洞的总压，在试验过程中通过风洞稳定段的总压传感器实时采集；

S05.计算各测量点位的马赫数差量；

以高速射流风洞的中心轴线的测量点位的静压 获得的 为基准值，计算轴向探测管测得的相同X坐标下、不同Y坐标的测量点位的马赫数与基准值的马赫数差量，并对马赫数差量取绝对值，得到 ，公式如下：S06.确定射流边界点；

计算各 与 的比值 ，公式如下：

；

从高速射流风洞的坐标原点O向上、下两个方向查找，当测量点位的 首次大于1%时，判定该测量点位超出了射流边界；取同一横坐标 的靠近中心轴线的相邻位置的测量点位为第一个射流边界点，并命名为 ；如果不存在 ＞1%的点，则认为不存在 ；

同样的，在高速射流风洞的中心轴线的测量点位向上、下两个方向查找，获得所有的射流边界点 （ ）；

S07.确定高速射流风洞的试验段均匀区；

分别连接中心轴线两侧的 点，得到预定的马赫数的试验段均匀区；

S08.计算高速射流风洞的试验段均匀区偏差值；

取出位于试验段均匀区范围内的各测量点位马赫数，求取各测量点位马赫数的马赫数分布均方根偏差 ，得到试验段均匀区偏差值。

说明书

短轴探管测量高速射流风洞亚跨声速射流流场均匀区方法

技术领域

[0001] 本发明属于高速风洞试验技术领域，具体涉及一种短轴探管测量高速射流风洞亚跨声速射流流场均匀区方法。

背景技术

[0002] 高速射流风洞是一种特殊结构形式的高速风洞，其喷管射出的高速气流直接进入试验舱的静止气体中，高速射流与静止气体相互作用，会形成一个不稳定的气体湍流混合层，即为高速射流边界，该边界以内的区域称作射流等速区域，成为射流均匀区，高速射流风洞试验一般要求试验模型位于射流均匀区以内。

[0003] 常规高速闭口风洞在亚跨声速时，扰动会在全流场传播，试验段中心线上马赫数分布均匀度可以代表整个试验段马赫数分布的均匀度，因此常规高速闭口风洞亚跨声速速度场校测主要测量试验段中心（核心流）马赫数分布的均匀度。通常在常规高速闭口风洞中使用轴向探测管测量核心流场时，轴向探测管较长，将长的轴向探测管安装在刚性支架上后还需要将探测管头部用钢绳张紧以确保其不抖动而干扰流场，这也使得长轴向探测管是固定安装在风洞中，不能进行自由移动，进而难以采用此种方法测量高速射流风洞开口试验段流场的均匀区范围与均匀性指标。

[0004] 对于高速射流风洞，试验段无壁板遮挡，允许模型堵塞度较大，但亚跨声速射流流场核心流从喷管出口射出后，与周围质点进行动量交换，形成湍流边界层，边界层厚度随着远离出口初始截面方向不断增长，而核心流范围不断收缩，需要测量核心流流场的均匀性并确定均匀区边界以确定模型试验可用的流场范围。

[0005] 当前，亟需发展一种短轴探管测量高速射流风洞亚跨声速射流流场均匀区方法。

发明内容

[0006] 本发明所要解决的技术问题是提供一种短轴探管测量高速射流风洞亚跨声速射流流场均匀区方法。

[0007] 本发明的短轴探管测量高速射流风洞亚跨声速射流流场均匀区方法，包括以下步骤：

[0008] S01.安装短轴向探测管；

[0009] 将短轴向探测管安装在高速射流风洞的四自由度运动机构上，短轴向探测管的中心轴线与高速射流风洞的中心轴线平行；坐标原点O位于高速射流风洞的中心轴线与高速射流风洞喷管出口截面相交的点上，OX轴位于中心轴线上，沿气流方向向前为正X方向，Y轴竖直向上，Z轴符合右手定则；四自由度运动机构具有X方向、Y方向自由度；

[0010] S02.启动高速射流风洞；

[0011] 启动高速射流风洞，并进入预定的马赫数闭环控制流程，建立预定的马赫数的亚跨声速射流流场；

[0012] S03.采集亚跨声速射流流场静压数据；

[0013] 按照规划的射流均匀区测量点位，驱动四自由度运动机构在射流区域的XOY截面内移动，并采集各测量点位的静压 ；其中i=1 n，n为在 位置时X方向上的总测~点数，j=1 m，m为在 位置时Y方向上规划的总测点数， 代表各测点坐标；驱动四自~
由度运动机构沿高速射流风洞的中心轴线的测量点位进行一次单独测量，中心轴线上各测点位置为 ， 为中心轴线的Y向坐标， ；

[0014] S04.计算各测量点位的马赫数；

[0015] 利用等熵关系式计算各测点马赫数，公式如下：

[0016]

[0017] 其中， 为预定的马赫数下高速射流风洞的总压，在试验过程中通过风洞稳定段的总压传感器实时采集；

[0018] S05.计算各测量点位的马赫数差量；

[0019] 以高速射流风洞的中心轴线的测量点位的静压 获得的 为基准值，计算轴向探测管测得的相同X坐标下、不同Y坐标的测量点位的马赫数与基准值的马赫数差量，并对马赫数差量取绝对值，得到 ，公式如下：

[0020]

[0021] S06.确定射流边界点；

[0022] 计算各 与 的比值 ，公式如下：

[0023] ；

[0024] 从高速射流风洞的坐标原点O向上、下两个方向查找，当测量点位的 首次大于1%时，判定该测量点位超出了射流边界；取同一横坐标 的靠近中心轴线的相邻位置的测量点位为第一个射流边界点，并命名为 ；如果不存在 ＞1%的点，则认为不存在 ；

[0025] 同样的，在高速射流风洞的中心轴线的测量点位向上、下两个方向查找，获得所有的射流边界点 （ ）；

[0026] S07.确定高速射流风洞的试验段均匀区；

[0027] 分别连接中心轴线两侧的 点，得到预定的马赫数的试验段均匀区；

[0028] S08.计算高速射流风洞的试验段均匀区偏差值；

[0029] 取出位于试验段均匀区范围内的各测量点位马赫数，求取各测量点位马赫数的马赫数分布均方根偏差 ，得到试验段均匀区偏差值。

[0030] 本发明的短轴探管测量高速射流风洞亚跨声速射流流场均匀区方法，基于轴向探测管堵塞度小，同时具有足够的刚度和强度，对亚跨声速流场扰动小，适合用于测量亚跨声速流场中轴向（X向）静压分布的特点，根据亚跨声速射流均匀区为等速区的理论，通过测量流场中心轴线处的静压分布，得到流场中心轴线处的基准速度分布；通过驱动风洞模型四自由度运动机构按照设定的方向和步长移动，使得轴向探测管按照设定方向和步长整体移动，间隔越小，测得的边界位置越准确；同时注意，必须沿高速射流风洞的中心轴线的测量点位进行一次单独测量；在每次整体移动后可得到轴向探测管上各静压孔在流场空间中对应位置 ，并测得射流流场相应空间位置处的静压 值；根据静压值可计算得到该位置的流场速度；比较与同一X位置在中心轴线处的基准速度，根据其差值大小和边界层概念，即可确定此 位置是否处于射流风洞
亚跨声速射流均匀区内，并判断出边界位置；按照上述方法对轴向探测管上全部测点在不同位置的速度进行处理，即可完整的获得射流风洞亚跨声速射流均匀区边界。该方法是亚跨声速条件下，充分发挥短轴向探测管堵塞度小，刚度高，对流场扰动小，适合用于测量亚跨声速流场中轴向（X向）静压分布的特点，最大程度减小了对流场扰动，是快速准确测定亚跨声速射流均匀区边界的高效方法。

[0031] 简而言之，本发明的短轴探管测量高速射流风洞亚跨声速射流流场均匀区方法采用短轴向探测管安装在高速射流风洞可灵活移动的四自由度运动机构上，通过四自由度运动机构带动短轴向探测管在开口试验段截面内进行移动测量，可以测量出开口试验段截面的流场参数，进而判断射流均匀区范围并计算开口试验段流场的均匀性。

[0032] 本发明的短轴探管测量高速射流风洞亚跨声速射流流场均匀区方法适用于高速射流风洞亚跨声速射流流场均匀区边界和均匀性测量，使用短轴向探测管整体移动，测定亚跨声速射流均匀区边界，最大程度地减小了对亚跨声速射流流场的扰动影响，简单、明确，理论依据充分，能够快速准确地获取亚跨声速射流均匀区边界，测定高速射流风洞亚跨声速试验可用流场范围。

附图说明

[0033] 图1为本发明的短轴探管测量高速射流风洞亚跨声速射流流场均匀区方法的流程图；

[0034] 图2为本发明的短轴探管测量高速射流风洞亚跨声速射流流场均匀区方法所测量的亚跨声速流场均匀区范围。

具体实施方式

[0035] 下面结合附图和实施例详细说明本发明。

[0036] 实施例1

[0037] 本实施例的短轴探管测量高速射流风洞亚跨声速射流流场均匀区方法的流程图见图1，所测量的亚跨声速流场均匀区范围见图2。

[0038] 高速射流风洞由气源球罐、调压阀、稳定段、喷管、试验舱、扩张段、消声塔以及连接管道组成。通过控制调压阀开度调节经气源球罐喷出的高压气体流量，而后高压气体经稳定段整流，喷管段加速，在试验舱达到所要求的试验流场条件，最后经扩张段从消声塔排出。

[0039] 本实施例的短轴探管测量高速射流风洞亚跨声速射流流场均匀区方法的实施步骤如下：

[0040] 本实施例的短轴探管测量高速射流风洞亚跨声速射流流场均匀区方法，包括以下步骤：

[0041] S01.安装短轴向探测管；

[0042] 将短轴向探测管安装在高速射流风洞的四自由度运动机构上，短轴向探测管的中心轴线与高速射流风洞的中心轴线平行；坐标原点O位于高速射流风洞的中心轴线与高速射流风洞喷管出口截面相交的点上，OX轴位于中心轴线上，沿气流方向向前为正X方向，Y轴竖直向上，Z轴符合右手定则；四自由度运动机构具有X方向、Y方向自由度；

[0043] S02.启动高速射流风洞；

[0044] 启动高速射流风洞，并进入预定的马赫数闭环控制流程，建立预定的马赫数的亚跨声速射流流场；

[0045] S03.采集亚跨声速射流流场静压数据；

[0046] 按照规划的射流均匀区测量点位，驱动四自由度运动机构在射流区域的XOY截面内移动，并采集各测量点位的静压 ；其中i=1 n，n为在 位置时X方向上的总测~点数，j=1 m，m为在 位置时Y方向上规划的总测点数， 代表各测点坐标；驱动四自~
由度运动机构沿高速射流风洞的中心轴线的测量点位进行一次单独测量，中心轴线上各测点位置为 ， 为中心轴线的Y向坐标， ；

[0047] S04.计算各测量点位的马赫数；

[0048] 利用等熵关系式计算各测点马赫数，公式如下：

[0049]

[0050] 其中， 为预定的马赫数下高速射流风洞的总压，在试验过程中通过风洞稳定段的总压传感器实时采集；

[0051] S05.计算各测量点位的马赫数差量；

[0052] 以高速射流风洞的中心轴线的测量点位的静压 获得的 为基准值，计算轴向探测管测得的相同X坐标下、不同Y坐标的测量点位的马赫数与基准值的马赫数差量，并对马赫数差量取绝对值，得到 ，公式如下：

[0053]

[0054] S06.确定射流边界点；

[0055] 计算各 与 的比值 ，公式如下：

[0056] ；

[0057] 从高速射流风洞的坐标原点O向上、下两个方向查找，当测量点位的 首次大于1%时，判定该测量点位超出了射流边界；取同一横坐标 的靠近中心轴线的相邻位置的测量点位为第一个射流边界点，并命名为 ；如果不存在 ＞1%的点，则认为不存在 ；

[0058] 同样的，在高速射流风洞的中心轴线的测量点位向上、下两个方向查找，获得所有的射流边界点 （ ）；

[0059] S07.确定高速射流风洞的试验段均匀区；

[0060] 分别连接中心轴线两侧的 点，得到预定的马赫数的试验段均匀区；

[0061] S08.计算高速射流风洞的试验段均匀区偏差值；

[0062] 取出位于试验段均匀区范围内的各测量点位马赫数，求取各测量点位马赫数的马赫数分布均方根偏差 ，得到试验段均匀区偏差值。

[0063] 尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域。对于熟悉本领域的人员而言，在不脱离本发明原理的前提下，可容易地实现另外的改进和润饰，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。