[發明專利]一種動態熵探針

有效

• 申請號: 201310080865.9
• 申請日: 2013-03-14
• 公開（公告）號: CN104048808A
• 公開（公告）日: 2014-09-17
• 發明（設計）人: 楊林;王偲臣;李繼超;林峰
• 申請（專利權）人: 中國科學院工程熱物理研究所
• 主分類號: G01M9/06
• 分類號: G01M9/06
• 代理公司: 中科專利商標代理有限責任公司 11021
• 代理人: 任巖

技術領域

本發明涉及非定常流場測量與葉輪機械測量技術領域，尤其是一種適用于三維非定常流場動態測量的動態熵探針。

背景技術

熵是衡量流動不可逆或損失的一個最合理的量，因為它可直觀分析各流動損失對效率影響的權重，且與參考系無關。雖然為了理解非定常損失產生的機理，研究上有了很大的進步，但是目前對動態熵的了解還是不全面的，其中的一個原因就是缺乏對動態熵準確的測量。

在葉輪機械中的流動是十分復雜的，有關熵的測量比較少見，國際上只有少數的幾個人進行了嘗試并取得成功。Ng和Epstein是第一個利用雙熱線吸氣式探針來測量跨音壓氣機中的熵；Payne也是利用吸氣式探針測量了一個高壓渦輪級的熵；Michel?Mansour利用一個48kHz帶寬，1.8mm直徑的熵探針測量了葉輪機械中的流動損失。

雙熱線吸氣探針的原理是由MIT的Ng和Epstein兩人于1983年最初發明的，可同時測量氣流總溫和總壓的波動。探針是基于兩根共面的定常溫度熱線和特殊的吸氣式結構，探針內有堵塞的出口，以使熱線所在平面的氣流始終達到定常的馬赫數，從而使熱線的輸出是當地的總溫和總壓的函數。

傳統的熱線測量是依靠熱能向流體的對流換熱，因而對于一個定常溫度熱線在均勻成分中，其所在電橋輸出電壓的平方和能量耗散存在正比例關系為：

V²＝f(ρU)(T_w-rT₀)????(1)

T_w為線的溫度，T₀為流體的總溫，r為恢復系數，ρU為線所在平面的質量流量。根據探針所特有的吸氣式結構和相關的氣動公式推導，氣體的密流(ρU)是總溫總壓的函數。最后可以得出雙熱線吸氣式探針的基本方程：

V2=[Ci(P0T0)ni+Di](Tw-rT0)---(2)]]>

其中，C和D是校準系數。公式(2)提供熱線的輸出電壓是當地總溫和總壓的函數，如果雙線在不同的電路中工作在不同的T_w下，同時測得的兩個電壓值就可以推得總壓P₀和總溫T₀。在1985年，兩人將新設計的探針用來測量跨音壓氣機的總溫總壓分布，成功的測量了轉子后的熵。

2002年劍橋大學的S.J.Payne等學者，利用吸氣式探針測量了一個高壓比渦輪級模型葉片后的非定常的熵增，首次定量測量了級效率的不同損失機制。2007年，Payne討論了吸氣式探針高頻的效果，有三個主要的效果：熱線的頻率響應、探針流道內馬赫數的波動和熱線在高頻時熱轉換的變化。

2007年來自瑞士聯邦理工學院的Michel?Mansour成功研制出了一個48kHz外徑1.8mm的快速響應熵探針，為了更加清楚地了解渦輪機械中熵的損失。其中的總溫測量采用薄膜技術。兩個200nm厚的鎳以蛇形噴涂圓柱形石英基板上，薄膜工作于不同的溫度，通過建立熱傳導和對流換熱方程即可得出所測的總溫值。這樣結構堅固穩定，具有較高的空間分辨率和溫度敏感性。總壓是利用一個內置的壓力傳感器芯片，總壓孔位于薄膜上方2.25mm的探針頂部，該芯片位于惠斯頓電橋中，采用定常激勵電流的模式，根據輸出電壓的變化得出總壓。該探針經過校準后，分別應用于脈沖射流、離心壓氣機和軸流壓氣機，都取得了比較滿意的結果。