[實用新型]測量旋流場的壓力和速度的工具

有效

• 申請號: 201220480409.4
• 申請日: 2012-09-18
• 公開（公告）號: CN203053472U
• 公開（公告）日: 2013-07-10
• 發明（設計）人: 路明
• 申請（專利權）人: 天津空中代碼工程應用軟件開發有限公司
• 主分類號: G01D21/02
• 分類號: G01D21/02
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明涉及流體的測量領域。具體是在旋流場中利用七孔壓力探頭和一維熱線探頭來測量旋流場的壓力和三維流速的裝置。?

背景技術

旋流場是工程中常見的現象，以流場中分布大尺度旋渦為主要特征。例如，建筑物下風位置的流場、機翼的翼尖渦流場、渦輪發動機轉子周圍的流場等等，而且通常都是湍流場。針對這類物理現象的研究必須精確測量流體流動的壓力和三維瞬態速度。從測量的角度講，旋流場的測量過程中，兩個鄰近的測量點的速度方向變化率較大，是大流動角度的測量。?

隨著電子、光學技術日益進步，激光多普勒測速儀(LDA)，粒子成像測速技術(PIV)等流體測量方法已經有了廣泛的應用。然而用上述流體測量儀器往往需要較大的制造和使用成本，而且都是應用在較小的測量區域內，測量結果必須通過對信號的后處理技術才能獲得。多普勒測速和示蹤粒子成像測速都需要示蹤粒子，示蹤粒子相對流體流動的跟隨性問題，即示蹤粒子是否能夠真實地反應流體的流動狀態。由于示蹤粒子的密度和流體密度的差異，導致兩者的轉動慣量不同。在旋流場中，示蹤粒子不能真實反映當地流體的運動軌跡。這類測量技術的可靠性在旋流場的測量中得不到保障。?

熱線風速儀(Hot-wire?anemometer)是另一類常用的流場速度測量工具，其原理是利用流體流經熱線時，使熱線產生熱量損失，從而導致電阻的變化。特別是具有響應快、準確性高的特點，因而常被用于流場的瞬態測量，非常適合對流場的湍流特性分析。三維流動速度的測量需要三維熱線，即三根熱絲制成的探頭，為了減小呈細桿狀的熱線探頭對流場的擾動，需要盡量減小其空間尺度，不僅制造成本高、難度大，而且在實際應用過程中，熱絲極易折斷，致使測量失敗。三維熱線風速儀測量大流動角度時，需要對所有的測量角度下的熱線的狀態進行標定。例如，對于流場流動角度在-50°到+50°，、間隔為5°的三維熱線標定的時間約需要8個小時。這會引起電子儀器發生飄移，使得標定結果失真。盡管如此，熱線風速儀仍是最有效的流速測量工具，特別是一維熱線，由于結構簡單、制作成本低而得到廣泛應用。?

很多場合，特別是對于流體平均流動速度的測量，多孔壓力探頭，由于具有低成本，加工制造簡單的特點，仍然有廣泛的應用。多孔壓力探頭(包括三、四、五、七孔)用于三維速度矢量的測量的基本原理在于從不同孔中測量得的壓力差可以判定流體速度大小和方向。旋流場中，相對于放置方向固定的壓力探頭，流體流動方向是大流動角度。此時，流體在探?頭上會產生流動分離現象，致使流體不能完全地附著在探頭表面，壓力孔則不能準確獲得當地的壓力值，測量失敗。三孔和五孔探頭經常發生這樣的情況。相比之下，七孔壓力探頭有較高的應用價值，在測量較大的流動角度時，更加可靠。?

總之，對于旋流場的壓力和速度的測量需要開發一種精確、可靠、低成本的測量工具。?

發明內容

本發明利用七孔壓力探頭和一維熱線風速儀的各自的優勢，設計一套用于旋流場流體流動的測量工具，既是將七孔壓力探頭和一維熱線結合起來測量旋流場流體的三維瞬態流動，即在大流動角度時的壓力、速度(包括平均速度、瞬時速度)所涉及的裝置和操作過程。?

本發明提出的測量旋流場的壓力和速度的工具包括一個七孔壓力探頭(1)、一個一維熱線風速儀探頭(2)、一個有兩個轉動自由度的支架系統(3)、一個三自由度平動機構(4)、七個壓力傳感器(5)、壓力管(6)、常溫電橋(7)、導線(8)、數據采集管理系統(9)及控制計算機(10)等部件。圖1是測量旋流場的壓力和速度的工具的布局圖，表明了上述部件的連接關系。圖中標明：?

七孔壓力探頭(1)和熱線風速儀探頭(2)定位在有兩個轉動自由度的支架系統(3)上；?

有兩個轉動自由度的支架系統(3)固定在一個三自由度平動機構(4)上；?

七孔壓力探頭(1)通過壓力管(6)連接到七個壓力傳感器(5)，再連接到數據采集系統(9)、控制計算機(10)；?

一維熱線風速儀探頭(2)通過導線(8)連接到常溫電橋(7)，再連接到數據采集系統(9)、控制計算機(10)。?

七孔壓力探頭(1)的外形呈長圓柱體形狀，在其測量端端部呈圓錐臺形狀。圖2(a)和圖2(b)分別是七孔壓力探頭的測量端的外觀圖和頂視圖。頂視圖是沿著七孔壓力探頭的圓柱形的軸線觀看測量端的視圖。七孔壓力探頭有一個中心孔(11)，沿著其圓周方向均勻地分布著另外六個間隔120°的周邊孔(12)。中心孔也稱作動壓孔；六個周邊孔也稱作靜壓孔，中心孔(動壓孔)和周邊孔(靜壓孔)都是壓力孔。?