速度梯度、近壁效应和Re数对压力探针测量误差的影响

通过模拟实验研究, 分析了速度梯度、近壁效应和Re数对几种叶轮机流场测量用压力探针测量误差的影响。实验结果表明, 横向梯度能引起偏转角测量误差;纵向梯度能引起俯仰角测量误差;梯度使气流方向测量值向负梯度方向偏转。圆柱探针和锥形多孔探针相比, 气流方向测量误差对速度梯度更敏感, 纵向梯度对俯仰角测量值的影响尤其大。速度梯度一般使静压测量值偏小, 使总压测量值偏高。纵向速度梯度对圆柱探针的静压测量值的影响规律例外, 正速度梯度引起大的静压正误差, 负速度梯度引起大的静压负误差。圆柱探针比锥形多孔探针近壁效应严重。近壁引起测出的气流方向偏离壁面。近壁一般使静压测量值偏小, 但圆柱探针头部近叶轮机机匣时静压值反而偏高。近壁对总压测量影响不大。速度梯度和近壁对测量误差的影响还与来流方向有关。低Re数使静压测量值偏大, 几何形状不同的探针Re数的影响范围不同。      

亚声速条件下总压探针临壁效应的数值研究

本文基于数值模拟的方法,研究了四种不同结构 (A型、B型、C型、D型)的总压探针在不同近壁距离条件下对流场及自身总压测量值造成的影响,并将数值模拟结果与文献实验结果对比。结果表明：相对近壁距离c/d越小,造成总压探针头部气流偏转角误差越大,总压探针的测量误差越大,总压损失系数最大值小于1%;当c/d>3,总压损失系数趋近于0,说明近壁距离大于3倍探针外径时临壁效应消失;在同一工况下,四种结构的总压探针测量值受到临壁效应的影响依次增大;被测流场流动均匀性减小,靠近总压探针支杆后方速度均匀度最小。     

基于四孔压力探针技术的涡轮转子出口流场测量

利用位移机构移动四孔压力探针,对小展弦比涡轮转子出口不同试验状态下的流场进行了测量.试验前对四孔压力探针进行了标定,试验中利用同步锁相技术进行数据采集,采用等相位平均法进行数据处理,再通过插值算法对探针压力数据做进一步处理,准确得到了转子出口具有周期特性的马赫数、偏转角、俯仰角、总压、静压、速度等流场参数.测量结果清楚表明:泄漏流区域的速度低,对应的相对总压小,损失大;间隙大时,泄漏流显著,导致气流亏转,对应的静压高,膨胀程度小于主流.     

智能型五孔压力探针测试仪的研制

介绍了一种用8098单片机处理不对向测量五孔压力探针信号的测试仪器，它可以直接用数码管显示所测空间流场的总压、静压、α角、β角、速度和各测孔压力值，由于采用了高精度的带温度补偿的压力传感器，前置放大器，提高了仪器的测量精度，该仪器输出有串口和并口，容易实现快速记录和与上位计算机通讯。本仪器可通过圆柱三孔压力探针及速度管对空间气流的α角、总压、静压和速度进行测量，所以该仪器是一台多功能的测试仪。     

单转子轴流压气机不同状态下进出口三维时均流场

用圆锥四孔高频压力探针测量了单转子轴流压气机不同流量状态下, 转子进出口三维时均流场。结果表明, 压气机转子进口流动沿周向呈现较强的周期性变化, 尤其在近失速状态, 叶片压力面侧总压和静压高, 吸力面侧总压和静压低, 而前缘附近轴向速度低、相对气流角大。      

一种测量跨声速多级压气机转子出口二维流场的方法

为了获得小型压气机设计所急需的关键流场信息,发展了一种基于圆柱单孔高频压力探针测量小型轴流压气机级间动态流场的测量方法.该探针测量原理基于圆柱绕流特性,借助高速锁相采集技术,利用旋转探针多角度法实现级间动态流场测量.采用插值和拟合对测量的数据进行处理,从而获得级间二维定常流场.误差分析表明,该探针测量精度较高,偏转角误差小于1.8 °,马赫数、总压和静压的极限误差分别为3.4％,0.94％和3％.将该高频探针应用于某小型跨声速3级轴流压气机,测量结果表明:85％叶高至机匣范围内,总压和马赫数明显要比叶根低得多,气流出现明显过转.这些测量结果为优化该压气机级间匹配指明了方向,验证了该高频压力探针测试技术的工程应用价值.     

速度梯度对圆柱探针测量的影响及修正

圆柱探针在测量有横向速度梯度的流场时,会得出偏离真实值的结果.通过数值与实验研究,发现此影响主要为对来流方向的测量偏差,与真实值的差异为向低速区的一个偏差角;另外一个影响是使测得的速度值偏大一点.通过详细的数值模拟得出了偏差角及速度大小与来流速度梯度之间的关系,并在实验中得到了验证.最后将此修正方法用于叶栅实验测量数据,得到了较好的修正效果.      

火星探测器大气数据测量方法

针对火星探测器进入飞行弹道的高马赫数、化学非平衡效应和低动压等特点，提出了一种基于火星进入大气数据系统/惯性测量单元(MEADS/IMU)耦合的测量方法，实现海拔60 km以下区域的火星大气数据测量。利用自主研发CACFD软件平台的化学非平衡模型/完全气体模型计算获得探测器宽速域飞行流场的表面压力点数据，建立了基于BP神经网络的MEADS算法模型。在高马赫数段(Ma>12)利用IMU测量获得的马赫数作为输入条件，结合MEADS算法测量获得总压、动压、静压、攻角和侧滑角等飞行大气参数，成功克服了马赫数无关性对MEADS系统测量的影响。在低马赫数段(Ma≤12),直接应用MEADS算法测量静压、马赫数、攻角和侧滑角。测试结果表明在MEADS系统测压单元误差≤7 Pa的条件：总压测量误差≤14 Pa(1.5%),攻角测量误差≤0.9°,侧滑角测量误差≤0.9°,动压测量误差≤10 Pa(1.5%),静压测量误差≤7 Pa(3%),马赫数测量误差≤0.1。飞行试验数据得出：MEADS测量与IMU测量马赫数、攻角和侧滑角等结果基本一致。     

压力探针临壁效应的试验研究

在窄通道中测量时（如全台压气机试验），临壁效应会使压力探针的测量结果发生误差。对几种常用型式的压力探针的试验研究表明，由于探针多属非流线形物体，所以其临壁效应的机理与流线形的机翼不同，不应简单套用机翼临壁效应的结论。临壁效应所造成的测量误差与探针的形状有关。     

高超声速风洞扩压器试验研究与分析

扩压器是高超声速风洞的关键部件,主要作用是提高出口气流的静压。在某高超声速风洞扩压器上布点测量壁面静压和近壁面皮托压力,并在出口布置尖劈测量出口气流参数,评估扩压器的性能。结果表明：扩压器内的核心流区由于存在逐步衰减的激波-膨胀波系,使气流出现“减速-加速-再减速-再加速”的流动过程;该扩压器能保证风洞正常启动以及试验段流场不受背压的影响;该扩压器的效率与国外类似风洞扩压器效率相当,前室总压较低时,扩压器能起到良好的减速增压的效果,前室总压较高时,扩压器增压效果不明显,扩压器出口气流马赫数偏高。     

基于半无限引压管效应的动态压力测量方法

实验研究了动态压力信号在有限和半无限引压管腔中传播的幅频特性及其与引压管结构变化的规律性关联.采用半无限引压管结构设计了头部为基尔整流罩的动态总压探针,测量大角度来流的气流总压,并对其动态传递函数进行标定.对一台轴流压气机转子尾迹的测量结果显示:动态总压探针可以测量到转子尾迹的总压流场特征,获得叶片端区流动等大梯度总压流场.对于采用引压管腔的动态探针设计中管径变化和弯曲造成信号能量的衰减作用,半无限引压管效应可有效减小动态压力信号的能量衰减,并减弱管腔的谐振效应.     

探针耙对跨声速环形涡轮叶栅流场的影响

采用数值模拟方法研究叶栅出口旋转总压探针耙对跨声速环形涡轮叶栅流场的影响,其中对比分析了探针耙在不同周向位置与无探针耙时的流场及叶栅性能参数。结果表明:常规总压探针耙会造成其相邻及上游叶栅通道流动减速、下游叶栅通道流动加速;探针耙尾缘燕尾型激波及其上游的正激波,与相临及下游叶片的尾缘燕尾型激波系互相干涉,形成了复杂的激波系和膨胀波系,造成相邻及上游若干叶栅通道堵塞,导致各叶片的载荷分布均不相同;叶栅各通道的叶片载荷、出口总压、端壁静压、出口气流角等参数偏离无探针耙情形,测得的叶栅出口流场与无探针耙时相差较大。     

叶片式预旋喷嘴出口流场实验研究

叶片式预旋喷嘴具有尺寸小,落后角大的特点。为了详细研究小尺寸预旋喷嘴的预旋性能,采用五孔探针对叶片式预旋喷嘴的出口流场进行了实验研究。测量了Ma=0.2,0.3时喷嘴出口的压力分布、速度分布和出口气流角度分布,实验获得了喷嘴的落后角和预旋效率,并进行了与实验工况相同的数值计算。通过实验获得的总压云图以及速度云图,可以发现叶片式预旋喷嘴的端壁二次流损失、尾迹损失严重,有明显的边界层分离现象。Ma=0.2时,喷嘴Re数为5.76×104,落后角2.84°,实验测得的预旋效率为0.73;Ma=0.3时,喷嘴Re数为1.06×105,预旋效率提高至0.77。实验模型端壁的影响使预旋效率实验结果偏低6.5%左右。数值结果与实验测得各参数符合较好:数值结果与测得的喷嘴出口截面平均总压、静压偏差在1%以内;出气速度、周向速度以及出气角度与实验结果偏差在4%以内。数值计算表明,叶片式预旋喷嘴的预旋效率基本不受压比影响,随Re数增大先增大后基本不变,最后基本稳定在0.85。     

基于微型叶片式涡流发生器的前体压缩面低能流掺混机理

为了改善高超声速飞行器前体压缩面边界层速度型的饱满程度，降低进气道壁面流动分离的潜在风险，提出了基于阵列微型叶片式涡流发生器的前体压缩面低能流掺混方法。采用数值模拟方法研究了涡流发生器在来流马赫数7状态下的流动特性，揭示了主要流动控制机理，并分析了安装角对掺混效果的影响规律。研究结果表明：微型叶片式涡流发生器可对近壁气流产生一定扰动，形成局部大侧滑角、低压区域，掺混的主要机理在于叶片两侧分别形成扫掠激波、膨胀波，诱导近壁流体向叶片方向偏转，形成局部横向迁移，进而与主流产生掺混效应；负安装角的涡流发生器的扰动能力最强，但总压损失也最大；正安装角时涡流发生器的扰动能力随安装角的增大而增大；相比于无控制状态，所有叶片式涡流发生器均可降低边界层形状因子，安装角15°时的边界层形状因子最小，边界层速度型最为饱满，说明该状态下壁面流动具有较优的抗逆压分离能力。     

等离子体气动激励控制超声速边界层分离的实验研究

等离子体气动激励与超声速气流相互作用已成为高速流动控制领域的研究热点。激波与边界层相互作用现象广泛存在于超声速飞行器之中。本文进行了等离子体气动激励控制压缩角区和激波诱导边界层分离的实验,通过流场纹影显示和壁面静压测量,研究等离子体气动激励如何影响激波、激波如何影响边界层特性的科学问题。实验结果表明:施加毫秒量级表面电弧放电能够前移压缩角区的诱导斜激波,使分离区后移,分离区域增加,但激波强度减弱,流场总压增加;施加微秒量级表面电弧放电能够抑制激波诱导边界层分离,使分离区减小,流场总压减小。基于实验结果,认为毫秒量级表面电弧放电激励控制超声速气流的主要机理为放电过程的焦耳热效应;微秒量级表面电弧放电激励控制超声速气流的主要机理为焦耳热效应和冲击波效应共同作用。     

跨声速压气机动叶平面叶栅实验

对某跨声速压气机动叶根部叶型平面叶栅流场在不同冲角和进口等熵马赫数下进行了详细的测量,得到了冲角特性曲线和叶片表面及端壁静压.结果表明:负冲角及零冲角时,叶栅出口总压损失系数随进口等熵马赫数增加变化不大,而在正冲角时变化较大.相同进口等熵马赫数下,负冲角和零冲角时,叶片负荷较高;正冲角时,由于气流分离严重,叶片负荷下降,叶栅出口总压损失系数升高.随冲角由负冲角向正冲角增加,气流落后角逐渐增大,叶栅出口总压损失系数先减小后增大,最小值为0.034.冲角相同时,随进口等熵马赫数增加,叶栅出口总压损失系数总体呈增加趋势.      

可控扩散叶型与双圆弧叶型实验对比研究

为对比不同压气机叶型的流动特征,在高亚声速平面叶栅风洞内对相同设计速度三角形的可控扩散叶型和双圆弧叶型进行了平面叶栅实验,对两套叶型的表面马赫数、尾迹总压等参数分布进行了测量。实验结果表明:设计点可控扩散叶型总压损失比双圆弧叶型小近1倍,出口气流角小2.0°;在吸力面气流分离前,出口气流角随攻角和马赫数变化小于1.0°,尾迹核心区位置保持不变;双圆弧叶型吸力面近尾缘存在一定区域气流分离,受分离区影响,随进口马赫数增加,出口气流角变化达到4°,尾迹核心区移动了近20%栅距。     

民用飞机总压探头布局位置气动分析方法

民用飞机通过机载大气数据传感器测量飞机所处环境下的大气总压与静压，并计算空速。为研究民用飞机总压传感器布局位置的气动特性，采用CFD数值计算手段得到不同迎角和侧滑角工况下机头附近的流场，通过候选总压探头布局位置的局部气流角度和探头总压损失曲线获得不同工况下的总压损失和空速误差。当局部角度曲线斜率低且各曲线聚集时，是总压探头的理想最优布局位置，探头局部气流角对迎角和侧滑角均不敏感，能同时保证横向和纵向气动特性最优；通过探头位置的局部气流角度并结合风洞试验获得的总压损失系数分布曲线进行总压损失预估，该方法对总压损失的预测准确有效,预测精度满足要求，可用来进行空速误差估算；总压探头布局位置的选取需结合民用飞机实际运行的侧滑角/迎角包线综合判断。     

大扩张角涡轮过渡段性能试验和数值研究

为研究某型大扩张角涡轮过渡段气动性能,对过渡段内部流场进行了详细的试验测量,同时采用CFD数值模拟对过渡段内部流场进行仿真,并与试验结果进行对比分析.结果表明:过渡段机匣表面流动受强逆压梯度影响,容易发生流动分离;轮毂表面流场受支板前缘冲击绕流的影响,呈现周向不均匀性.来流气流角使得过渡段内部流场向支板一侧偏斜,随着气流角的增大,过渡段总压损失增大.CFD模拟结果与试验测量结果吻合较好,均能很好地捕捉流场的细节特征;过渡段进、出口总压恢复系数随着来流气流角的增大而减小,CFD模拟和试验测量值的偏差约为0.2％.     

高负荷压气机首级可调静叶进口气流参数测试误差分析

为获取高负荷五级压气机试验环境下进口侧单级压气机和出口侧四级压气机各自性能,需在首级可调静叶上布置叶型探针进行级间气流参数测量。对叶型探针的气流状态进行了预估,并在叶型探针校准特性分析基础上定量分析了首级可调静叶进口气流总压和总温测试误差及两者分别对进口侧单级压气机和出口侧四级压气机性能测试精度的影响。研究表明:随着转速降低,叶型探针气流偏角逐渐超出其不敏感角范围,气流总压测试误差显著增大,严重影响进口侧单级压气机和出口侧四级压气机性能评定,但气流总温测试误差随转速变化较小;与出口侧四级压气机相比,进口侧单级压气机压比低、温升小,进出口气流总温和总压测试误差对其等熵效率的影响更加敏感。