热线风速仪非标定工况下测试修正方法研究

为提高热线风速仪在非标定温度、压力流场下的测速精度以扩大其应用范围,对热线风速仪的换热理论模型进行了深入分析以及详细的理论推导。以热线的四种换热形式为基础,从理论上对热线探针热丝的换热进行了计算分析,在综合考虑强迫对流、自然对流、辐射换热、支架导热后,发现不同来流速度下的强迫对流占比是不同的。而在同一来流速度下,强迫对流占比几乎不随温度变化而变化,但随压力变化较大。以此为基础,综合考虑了温度、压力引起的物性参数变化对热丝换热的影响,以及由此导致的热丝电压值的变化,最终给出了一种新的适用于非标准工况的热线风速仪测试修正方法及修正公式。与公开文献数据进行了比对,平均误差0.68%,最大误差2.2%。证明该修正方法具有较高精度。     

应用热线风速仪测试二维周期性非定常流动

介绍热线风速仪在发动机排气管内二维周期性非定常流场测试中的应用。对热线探头标定前的预处理，实测状态与标定状态差异引起误差的修正和流动方向的判别等测试中一些值得注意的问题和相应的处理方法进行了研究。     

热线风速仪X型探针的一种新标定方法

一种用于热线风速仪Ｘ型探针标定的简捷而准确的方法，借助于理想流动角和无量纲速度参数Ｈ，将传统Ｘ型探针全速度－偏航角标定问题通过几个函数关系来代替，简化了标定过程，而且具有较高的精度。     

基于隐式温度修正的二维热线风速仪校准方法

热线风速仪主要用于湍流流场测量。热线测量的主要误差来源是由环境温度变化导致的热线校准参数的变化。Brunn提出的传统温度效应修正方法在环境温度变化较大的情况下会带来明显的误差。本文经过理论推导,提出了一种新的基于隐式温度修正的二维热线风速仪校准方法,并开展了热线校准实验研究。结果表明:当环境温度变化在4℃范围内时,本文提出的方法与Brunn方法的测量精度相当;当环境温度变化超过4℃时,本文提出的方法的测量精度远高于Brunn方法。     

可压缩流体恒温热线风速仪校准方法

开展了恒温(CT)热线风速仪校准方法的研究,以满足可压缩流体中湍流度测量需求。将对数函数与多元回归技术相结合,建立了恒温热线风速仪校准的数学模型,并进行了风洞湍流度测量试验验证。在马赫数Ma=0.3~0.55范围内进行了校准试验,根据建立的数学模型对试验数据进行拟合,拟合优度R2=0.999 82,平均绝对速度偏差Δu=0.18m/s,基本满足了恒温热线风速仪校准精度要求。对马赫数Ma=0.55条件下流场进行了湍流度测量,速度测量偏差为0.034%,流场湍流度Tu=0.14%。试验结果证明了恒温热线风速仪应用于可压缩流体速度测量的可行性。     

基于拉丁超立方抽样的五孔探针标定方法

为提高五孔探针的标定效率,研究了一种采用拉丁超立方抽样技术开展变马赫数五孔探针标定的试验方法。马赫数在0.2～0.5范围内的对比试验结果表明:采用改进的拉丁超立方抽样标定技术可使攻角与侧滑角的拟合误差较一般拉丁超立方抽样方法下降14.3%～28.6%,且攻角与侧滑角的拟合方均根误差均在1°以内,马赫数的拟合方均根误差不高于0.005,标定精度能够满足工程使用要求。与常规完整数据标定方法相比,改进的拉丁超立方抽样标定技术虽拟合误差升高8.8%～17.1%,但标定工作量仅为常规完整标定方法的20%,标定成本下降80%,马赫数范围越宽,成本的降低越明显。     

加力燃烧室试验燃气分析取样探针设计与验证

为了满足航空发动机加力燃烧室高温低压环境下燃气分析测试对取样探针的应用要求,设计了一种双层冷却腔结构的混合取样探针,采用增材制造技术加工成型,通过试验和数值模拟,对其取样性能进行了验证和分析。研究结果表明：内、外腔分别采用空气和水作为冷却介质,可获得满足标准要求的样气,燃烧性能测试结果满足工程应用需求;探针取样性能与流场环境参数存在较强的线性相关性,其中压力影响最大,采用多元线性最佳子集回归分析方法获得的多个拟合方程拟合偏差最大不超过4%,可用于一定范围内该类探针取样性能的预测;本文采用的取样探针流-固热耦合数值模拟方法可信度较高,各性能参数计算误差在8%以内,可辅助探针流动与换热结构设计。     

一种基于输出误差观测的冗余MEMS-IMU标定技术研究

针对传统六位置标定存在标定步骤复杂、标定时间长等问题，同时随着MEMS器件冗余数目增加和冗余配置结构复杂化，利用分立标定技术实现器件误差参数辨识的难度进一步增大，且不同配置结构所采用的标定方法存在通用性较差的问题。因此提出了一种基于Kalman滤波的冗余MEMS-IMU分立标定方案。该方案首先采用小角度建模法实现安装误差的精确建模；然后针对直接以转台三轴角速率为观测值，导致部分状态量不可观的问题，提出了以器件的输出误差值作为观测量、以器件误差参数作为状态量设计Kalman滤波器；最后设计了高精度三轴转台转位编排方式，并利用四陀螺冗余结构进行标定仿真试验。仿真结果表明：该标定方法与六位置标定方案相比，标定精度平均提高了11.37%，可实现MEMS器件误差参数的快速辨识，对实际工程实践具有一定参考价值。     

单轴旋转惯导系统多位置对准技术研究

单轴旋转惯导系统很容易实现多位置对准,在初始对准中通过改变姿态矩阵,可以提高惯导系统的可观测度,从而提高初始对准的精度.推导了单轴旋转惯导系统的误差方程,在分段线性定常系统理论的基础上,利用奇异值分解的方法,对多位置对准时系统各状态变量的可观测度进行了分析.分析了旋转轴不正交误差对初始对准精度的影响,结果表明旋转轴不正交误差严重影响对准精度,需要对旋转轴不正交误差进行标定和补偿.提出了一种旋转轴不正交误差的标定方案,并对该方案进行了仿真分析,验证了该方案的可行性.     

取样探针流动参数对燃气组分误差影响的数值仿真

燃气组分精准取样是航空发动机燃烧室性能试验分析的关键因素。为了研究燃气取样探针在取样时带来的组分误差及其影响,在取样气体化学反应冻结的基础上,采用组分输运模型结合流固耦合传热的数值仿真方法,构建了3维探针多组分燃气流流动特性求解模型,分析了在不同余气系数下,由取样探针内部流动参数变化引起的燃气组分体积分数误差及其带来的燃烧效率误差影响。结果表明：探针流动参数变化会引起2%以上的相对取样误差。当余气系数为1.14时,CO₂相对取样误差为2.35%,CO相对取样误差为2.34%;当余气系数为2.06时,CO₂相对取样误差为2.04%。在低余气系数环境下取样时,燃气组分取样精度降低,取样误差对燃烧效率误差的影响超过0.1%;随着余气系数的提高,燃气组分取样精度提高,不完全燃烧产物减少,此时取样误差对燃烧效率误差影响可以忽略。     

叶轮机械中三维周期性非定常流场测量

本文改进了三维非定常速度场的单斜丝测量技术,发展了三维非定常压力场的试验-数值确定方法。采用上述测量方法,借助于位移结构、高速数据采集系统和锁相采样平均技术,成功地测出了叶轮机转子出口三维周期性非定常流场。      

单斜热丝测量叶轮机内三维流动

本文改进了单斜热丝测量三维流动的计算处理方法,其特点是精度高、气流角度测量范围宽。测量中,置斜热丝于三个以上角度位置,借助高速数据采集系统和锁相采样平均技术,进行采样处理,再用本文发展的程序,计算三维速度平均量。用这种方法,成功地测出了轴流压气机转子出口周期性三维流场。对校准风洞流场的测量核实表明,速度测量误差不超过1％,角度测量误差不超过1°。     

变热线过热比可压缩流湍流度测量方法优化

开展了可压缩流中湍流度测量技术的优化研究，以满足对试验数据高精度评估的需求。在变热线过热比湍流度测量方法推导过程中，忽略了压力脉动项以简化湍流度求解过程。为更加准确评估高速风洞流场湍流度，引入了压力脉动项，以恒温热线风速仪响应关系式为基础，从理论上对可压缩流中湍流度的求解方法进行了优化。在马赫数0.3~0.7进行了湍流度测量试验，并分别利用优化前后的湍流度求解方法对试验数据进行了处理。结果表明两种求解方法所得的湍流度结果量值相近，但优化后的湍流度求解方法所得的湍流度结果随马赫数的变化趋势更加符合客观物理规律。利用蒙特卡洛模拟方法对湍流度的不确定度进行了求解，不确定度量值远小于湍流度量值，表明优化后的湍流度求解方法所得的湍流度结果基本能够代表真实值。试验结果证明了优化后湍流度测量方法的正确性及应用恒温热线风速仪对高速风洞流场湍流度进行测量的可行性。     

校准喷嘴系统的不确定度分析方法

介绍了热线／热膜流速仪的基本原理和用于热线／热膜流速仪校准用的校准喷嘴系统的气体速度确定方法,分析和推导了用不确定度理论全面分析系统不确定度的方法。     

非定常风沙流中风速脉动对沙粒相瞬时浓度影响的实验研究

在大气边界层风洞内采用高速CMOS相机记录了时均风速线性上升的来流条件下运动沙粒的图像。根据二进制图像标记像素的连通性,从数字图像中提取相机拍摄区域内沙粒的数量N,由此计算得到风沙流的瞬时含沙量C。获取图像的同时,使用恒温式热线风速仪MiniCTA配合55R49热膜探头测量观测域上方主流位置和跃移层顶部附近的风速变化。实验结果表明,风沙流中的瞬时含沙量总是非稳定的,其变化频率至少在100Hz以上。风沙之间的相互作用存在一定的滞后效应,大气湍流脉动对含沙量的作用与沙粒粒径相关,粒径越小,风速脉动作用越大。当粒径≤160μm时,风速的微小变化即可引起含沙量的明显波动,二者高度相关。当粒径较大的时候,如300～500μm,只有较长时间较大幅度的风速脉动才能使含沙量有较大幅度的变化,研究时均风速变化对含沙量的影响更具有意义。     

Efficiency of a gas screen in the supersonic dispersed flow under conditions of inertial deposition of particles on a protected surface

The results of numerical studying the influence of inertially deposited particles of the condensed phase on the efficiency of a gas screen in a supersonic dispersed flow are presented. The possibility of realizing the Leont’ev paradox on the adiabatic surface region streamlined by a supersonic dispersed flow, involved in attaining the temperature of the surface being protected smaller than the coolant temperature on the permeable section of screen formation is specified.     

进口导叶预旋对扩压器内部非定常 流场影响的实验

在不同的进口导叶预旋角度和方向下,采用热线风速仪对扩压器内部非定常流场进行了测量,采用锁相采样-集平均技术对热膜测量的瞬时信号进行处理,研究了进口导叶预旋角度和方向对扩压器内部非定常流场的影响.结果表明,扩压器内部大部分湍流强度均有所增加;扩压器内的非定常性受导叶尾流及大尺度涡团的非定常影响而减小,且负预旋角度下非定常性的减小程度小于正预旋角度下非定常性的减小程度;扩压器内部的非定常流动的基本频率降低.     

进口导叶预旋对扩压器内部非定常流场影响的实验研究

本文在不同的进口导叶预旋下,采用热线风速仪对扩压器内的非定常流场进行了测量,采用锁相采样—集平均技术对热膜测量的瞬时信号进行处理,研究了进口导叶预旋角度和方向对扩压器内部非定常流场影响。结果表明,扩压器内部大部分紊流强度均有所增加;扩压器内的非定常性受导叶尾流及大尺度涡团的非定常影响而减小,且负预旋角度下非定常性的减小程度小于正预旋角度下的非定常性;扩压器内部的非定常流动的基本频率降低。     

离心压气机内不同非定常源影响实验研究

使用热线风速仪对扩压器内的非定常流场进行了测量,采用锁相采样—集平均技术对热膜测量的瞬时信号进行了处理,对离心压气机内扩压器势反冲效应和叶轮尾流的非定常影响进行了分离,采用＂逆频谱分析＂方法求解了不确定性非定常性,研究了离心压气机内不同非定常源的影响。结果表明,扩压器的势反冲效应同叶轮叶片的非定常影响处于同一数量级,扩压器的势反冲效应略小一些。扩压器的势反冲效应同叶轮叶片的非定常影响均是沿流向不断减小,且二者之间的差距沿流向也不断减小。叶轮叶片的非定常影响对扩压器叶片的位置较为敏感,靠近扩压器凸面侧的测点受叶轮叶片的非定常影响较大。径向间隙内不确定非定常度受扩压器叶片的反冲影响较大。     

一种新型热线热膜流速计

在剖析传统热线热膜风速计存在问题的基础上,提出了解决这些问题的思路、方案和具体的线路模型,形成了预移相型热线热膜流速计的构思。首先对传统热线风速计的物理模型进行改进,用数学方程加以描述并求出其解析解提出一系列设计公式,进而选择适当的线路环节,编制相应的软件,实现上述物理模型、数学方程和设计公式的要求,形成了具有6大特色的“IFV900A型智能热线热膜流速计”。