[發明專利]一種超高頻響等離子體流動測量裝置

有效

• 申請號: 201310413654.2
• 申請日: 2013-09-12
• 公開（公告）號: CN103471809A
• 公開（公告）日: 2013-12-25
• 發明（設計）人: 李繼超;李帆;林峰;聶超群
• 申請（專利權）人: 中國科學院工程熱物理研究所
• 主分類號: G01M10/00
• 分類號: G01M10/00
• 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

本發明涉及航空航天中高頻、高焓以及高速非定常流場測量技術領域，尤其是針對葉輪機械內部復雜三維非定常流場測量的一種超高頻響等離子體流動測量裝置。

背景技術

任何理論的發展都離不開實驗，航空航天高馬赫數、高湍流脈動、高焓流動離不開，葉輪機械氣動熱力學也離不開。由于葉輪機械典型的三維、非定常復雜流動，其包含了高馬赫數、高湍流脈動、高焓流動，對其流場的測量也一直是該領域需要突波和解決的難題。隨著航空科技的飛速發展，葉輪機械的設計優化也從早期的一維設計發展到現在全三維設計，數值計算模擬軟件的發展僅僅取決于計算機硬件和軟件的發展，而實驗測量手段的發展需要眾多學科的并行發展：材料、電子、計算機以及加工制造業，導致實驗測量手段一直落后于數值計算，無法為數值計算提供可靠的實驗數據。

由于早期的葉輪機械設計方法是在二維無粘流模型基礎上加入經驗修正，所以，試驗方法大多為二維葉柵實驗，相應的測量方法多為皮托管、多孔探針、熱電偶等定常壓力和溫度測量工具。隨著理論發展到準三維的三元流模型，各類低速/高速的壓氣機與渦輪試驗臺層出不窮，熱線風速儀、壓阻式動態壓力傳感器等測量儀器也應運而生。隨著壓氣機增壓比、渦輪前溫度的不斷提高，葉輪機械內部流動越來越復雜，全三維和非定常效應越來越顯著，角區、泄漏流等復雜流動的CFD模擬能力越來越強，計算精度也越來越高。以CFD計算加上智能優化理論為核心的設計手段正在逐步取代過去以簡化理論模型加經驗公式的設計模式。作為驗證CFD計算結果的最根本手段，實驗研究顯得非常重要。CFD在非定常和全三維湍流N-S方程上的飛速進展對實驗研究也就提出了新的要求，迫切需要先進的內部測量手段來捕捉和提取流動的非定常信息和三維流場的精細結構。

隨著CFD技術和測量手段的不斷更新發展，在葉輪機械領域仍然存在很多迫切需要解決的難題：其一，對旋轉失速和喘振非穩定現象實施有效控制一直是牽引壓氣機流動失穩機理與控制技術研究的驅動動力。目前先進發動機大量采用主動控制技術，要求實時監測壓氣機狀態，對頻響的要求非常高，一些以突尖型失速先兆為失穩途徑的發動機需要在數毫秒之內檢測到壓力或速度的異常脈動并啟動相應的控制裝置。為給機械作動機構留出響應時間，檢測和判斷必須在數十微秒之內完成，傳感器的頻響需求可能高達1MHz的級別，然而目前尚沒有能夠滿足這個要求的技術。其二，低雷諾數低壓渦輪經常出現附面層分離和轉捩現象，對于附面層轉捩過程的測量，則要求測量儀器具有高頻響、小體積，且對流場影響最小的特點。目前發展最成熟的熱膜技術雖然能夠解析附面層的空間結構，但它的頻響太低，遠遠不能滿足同樣高達1MHz級別的流場脈動測量需求。其三，在高馬赫數葉輪機械中，激波和葉輪機械的穩定性具有直接的關聯性。實驗直接測量激波運動是十分困難的，常采用間接測量法，即用多通道高速同步采集系統，利用高精度、小尺寸、高頻響的動態壓力傳感器，及同步鎖相裝置(采用磁鋼-電感線圈式信號發生器所提供的外觸發信號)，捕獲激波運動區壁面各測點瞬態壓力和熱流率的間歇變化來測量激波位置。然而，對位于旋轉坐標系之內的激波這類局部突變的流動現象，主要依靠絕對坐標系下高頻響傳感器來實現精細的空間分辨率，目前的測量儀器還不足以分辨出足以驗證數值計算結果的精度。