总压探针性能结构敏感性分析

万浩涵，赵俭，李亚晋

（航空工业北京长城计量测试技术研究所，北京 100095）

0 引言

总压探针结构是总压探针设计时需要考虑的关键问题，结构对总压系数、不敏感角等性能影响很大［1-2］。

林其勋和游绍堃等人［3］研究了总压探针不敏感角与气流速度的关系，发现在总压探针感压孔外面加引导管可以提高探针不敏感角，感压孔有倒角的总压探针不敏感角更大，并给出了L型、带套型、球窝型等几种典型总压探针结构及其不敏感角。

VENKATESWARAN S和WALL M M等人［4-5］发现临壁测量时，壁面与探针的相互干扰会严重影响被测流场结构，引起测量误差。

王肖等［6］对单点和多点梳状总压探针的堵塞效应进行了研究，发现总压探针的介入使被测流场流量减小，相比于探针结构，堵塞效应受堵塞比的影响更大。

李正［7］以二级低速轴流压气机为基础，研究探针对压气机性能的影响，发现叶型探针几乎不影响压气机平均流场结构，探针尺寸越小对流场的影响越小。

以往研究多结合发动机试验，聚焦总压探针结构设计较少，且发动机流场复杂，试验条件重复性低，不同车次试验工况相差较大，导致试验结果不确定度大，难以准确找到影响规律［8-12］。为了研究结构对探针性能的影响，制作不同类型且不同关键尺寸的总压探针，其中有凸嘴型总压探针、带套型总压探针［3］。在校准风洞上对探针进行校准试验［14-15］，比较不同结构探针的试验结果，研究总压探针结构对探针性能的影响。

1 凸嘴型总压探针

凸嘴型是一种结构简单、易加工的总压探针结构，引压管直接从支杆伸出，引压管口直对气流［3］，结构如图1所示。凸嘴型总压探针不敏感角可达10°～20°，迎风面积小，适合需要密集排布的场合，如作为附面层探针使用。

图1 凸嘴型探针结构图Fig.1 Structure of the convex-nosed probe

本次试验采用了不同的引压管头部长径比即l/d，引压管倒角a，共加工了6支关键尺寸不同的凸嘴型总压探针，结构尺寸如表1。

表1 凸嘴型总压探针尺寸表Tab.1 Dimensions of the convex-nosed total pressure probe

为了探究长径比l/d对于总压探针性能影响，将1号、2号、3号探针同时安装在风洞气流核心区进行总压系数校准试验［4］。试验马赫数Ma为0.5，气流偏转角为0°，±10°，±15°，±20°，±25°，每次试验重复5次，结果取平均值。第一次凸嘴型探针总压系数校准试验结果如图2所示。

图2 第一次凸嘴型探针总压系数校准试验结果Fig.2 Results of first calibration test of the total pressure coefficient of convex-nosed probe

从试验结果来看，1号探针不敏感角较小，在气流偏角±10°内总压系数小于1‰，当气流偏角大于15°时，总压系数较大；2号探针不敏感角大，在气流偏角±15°内，总压系数小于1‰；3号探针不敏感角大，在气流偏角±15°内，总压系数小于1‰，在负偏角气流下，总压系数小于2号探针；2号探针出现了正负偏角结果不对称，可能由于加工误差所致。由此看来，对于凸嘴型探针而言，长径比在5～10之间性能较好，长径比小于2时性能较差。

将2号、4号、6号探针同时安装在风洞气流核心区进行总压系数校准试验，探究凸嘴型探针倒角对总压探针性能的影响规律。试验条件与第一次试验一致，第二次试验结果如图3所示。

图3 第二次凸嘴型探针总压系数校准试验结果Fig.3 Results of second calibration test of the total pressure coefficient of convex-nosed probe

从试验结果来看，2号、4号、6号探针性能比较接近，不敏感角较大，在气流偏角±15°内总压系数都小于1‰。考虑到加工误差对于探针性能的影响，凸嘴型探针倒角a对总压探针性能的影响不大，60°～90°都有不错的性能。

将2号、3号、4号、5号探针都安装在风洞气流核心区，同时进行总压系数校准试验，研究最佳凸嘴型总压探针的关键尺寸。试验条件保持不变，得到结果如图4所示。

图4 第三次凸嘴型探针总压系数校准试验结果Fig.4 Results of third calibration test of the total pressure coefficient of convex-nosed probe

由图4可见，5号探针性能最佳，不敏感角大，气流偏角±15°内总压系数小于1‰，是凸嘴型探针中的最佳结构。综上，凸嘴型探针的长径比l/d选择5～10、引压管倒角为60°时，探针性能最佳。

2 带套型总压探针

为了提高总压探针的不敏感角性能，在凸嘴型结构探针试验结果的基础上，研究了两种不同结构的带套型总压探针，带套型总压探针是在引压管外套上一个气流罩，使气流更加集中，可以提高总压探针的不敏感角，但会增加迎风面积，对测点间距要求较大［3］。

第一种带套型探针是有后端出气口的整流罩总压探针，结构如图5。第二种带套型总压探针是屏蔽罩无出气口的总压探针，结构如图6，这种总压探针比较适用于多点总压耙，所需空间小，可以将测点间距布置得比较密集。

图5 整流罩总压探针Fig.5 Structure of the rectifier-type total pressure probe

图6 屏蔽罩总压探针Fig.6 Structure of the shield-type total pressure probe

针对整流罩型总压探针的结构，改变整流罩直径与引压管直径d的比例即D/d、整流罩长径比l/D、以及倒角a，加工了不同结构尺寸的带套型总压探针，结构尺寸见表2。

表2 整流罩型总压探针尺寸表Tab.2 Dimensionsof the rectifier-type total pressure probe

将1～6号整流罩型探针安装在风洞气流核心区同时进行总压系数校准试验，试验马赫数Ma为0.5，气流偏转角度为0°，±10°，±15°，±20°，±25°，每次试验重复5次，结果取平均值，得到整流罩型探针总压系数校准试验结果如图7所示。

图7 整流罩型探针总压系数校准试验结果Fig.7 Calibration test results of the total pressure coefficient of rectifier-type probe

由图7可见，整流罩型探针中4号性能最佳，不敏感角大，气流偏角±20°内总压系数小于1‰，是整流罩型探针中的最佳结构。对比1号、2号、3号的试验结果，三者性能数据无显著性差别，考虑到探针加工误差对探针性能的影响，说明D/d在1.5～3范围内，探针性能差异不大。进一步对比2号、4号、5号探针，发现整流罩长径比l/D小的探针性能劣于长径比大的探针，说明大长径比整流罩型总压探针不敏感角更大。对比4号、6号的试验结果来看，两只探针性能差别不大，考虑到探针加工误差对探针性能的影响，说明倒角60°和90°的整流罩型总压探针不敏感角相差不大。

屏蔽罩型总压探针的关键尺寸与整流罩型类似，加工了几支不同结构尺寸的屏蔽罩型总压探针，如表3所示。将所有探针安装在风洞气流核心区同时进行总压系数校准试验，试验马赫数Ma为0.5，气流偏转角度为0°，±10°，±15°，±20°，±25°，每次试验重复5次，结果取平均值。得到屏蔽罩型探针总压系数校准试验结果如图8。

表3 屏蔽罩型总压探针尺寸表Tab.3 Dimensions of the shield-type total pressure probe

图8 屏蔽罩型探针总压系数校准试验结果Fig.8 Calibration test results of the total pressure coefficient of shield-type probe

从图8看来屏蔽罩型探针中4号性能最佳，不敏感角大，气流偏角在-20°时，总压系数为1.1‰，是屏蔽罩型探针中的最佳结构。对比1号、2号、3号的试验结果，屏蔽罩直径与引压管直径d之比D/d选择2较为合适，当D/d＜2时，总压性能下降较多，当D/d＞2时，总压性能也会降低。对比2号、4号、5号的试验结果，发现屏蔽罩型长径比l/D=5时不敏感角最大，当l/D＜5时，总压性能下降较多，当l/D＞5时，总压性能也会降低。对比4号、6号的试验结果来看，倒角为60°性能更好。综合看来，在设计整流罩型总压探针时，选择D/d=2，l/D=5，倒角为60°的尺寸设计较为合适。

3 结论

综合所有试验结果来看，整流罩型总压探针性能最好，考虑到探针加工误差，大长径比探针不敏感角更大，而整流罩倒角和整流套直径与引压管直径d之比D/d对探针性能影响较小，其中D/d=2，l/D=5，倒角为60°的探针性能最佳，在气流偏角±20°内总压系数小于1‰。屏蔽罩型总压探针性能略差于整流罩型，气流偏角在-20°时，总压系数为1.1‰。凸嘴型探针性能较差，气流偏角小于±15°时总压系数小于1‰。

可见在设计总压探针时选择带套型结构优于引压管凸出的结构，有后端出气口的整流罩型最佳。但整流罩型总压探针迎风面积大，安装工艺较复杂，如果不敏感角要求不高，而多测点密集排列的总压探针可以采用凸嘴型设计，而屏蔽罩型的设计适用于测点密集且不敏感角要求较高的总压测试环境。

为对试验结果更深入地分析，下一步将通过气动仿真模拟和气动机理分析，对这几种结构总压探针机理进行理论分析，使结论更好地作用于探针优化设计。