标定五孔气动探针的风洞及测控系统设计

张晶辉,布国亮,张旭悦,张 泽,王程远

(1.西安航空学院 飞行器学院，西安 710077；2.西安嘉业航空科技有限公司，西安 710089)

0 引言

气动探针广泛应用于各类风洞试验、旋转机械内流场的测量，具有响应速度快、测量精度高、结构紧凑、体积小、经济性好、使用方便、可靠性高以及维修性好等特点，可以测量气流的总压、静压、三维速度等气流参数[1]。三孔探针常用于二维流场或者仅需测量二维速度的三维流场，如航空发动机压气机/涡轮平面叶栅出口流场，五孔探针常用于三维流场，如航空发动机内流场。

金捷等[2]通过对五孔探针标定数据进行最小二乘法拟合，然后对实测数据进行插值，得到的气流角度和速度偏差均满足工程要求。钟兢军等[3]用最小二乘法建立标定系数和流场参数之间的显式关系，并进行风洞的自动化测量。廖安文等[4]在数据处理中引入表征马赫数变化的系数，提高了测量精度。王洪伟等[5]把人工神经网络的数据处理方法引入五孔探针的数据处理中，并与三维线性插值法进行了比较，证明了BP网络模型用来处理五孔探针数据的精度和可靠性更好，而且可扩展到其他多孔探针上。史远鹏等[6]设计了考虑马赫数的非线性三维插值方法，并基于最小二乘法进行曲线拟合，通过试验测量，证明了这种方法可以通过较少的标定数据点来实现高精度的标定结果。

五孔探针目前一般是采用手工方法制作，在夹具上固定不同尺寸的不锈钢管，然后经过钎焊、车削、磨削等工序制成，因此不能保证探针五个孔的分布呈现理想的对称性，每一支五孔探针在使用之前都要进行风洞标定试验，以获得角度系数、总压系数、静压系数等标定系数[7]。章鹏等[8]基于Labview虚拟仪器技术设计了用于七孔探针标定的数据采集及控制系统，该系统包含硬件系统和软件系统开发。低速探针标定用风洞一般是在测量风洞上把试验件换掉，改造成标定探针的旋转机构，因此标定前期准备工作量大。标定超跨音速探针一般是在专用的标定风洞上进行，所需风机功率很大。Gonsalez等[9]设计了用于超跨音速探针的标定风洞系统，风洞出口直径仅9 cm。Town等[10]设计了用于标定探针的二自由度旋转机构及软件控制系统，大大提高了标定效率。

本文首先设计了用于低速五孔探针标定的风洞及测控系统，包含硬件系统和软件系统，然后对风洞出口流场进行了测量，以验证出口流场的均匀性，最后在风洞上进行五孔探针的标定试验及数据处理，以评价五孔探针的测量精度。

1 标定风洞

风洞总体结构如图1所示，由过渡段、扩压段、蜂窝器整流网、稳压段、收缩段组成，左侧接离心风机(图中未画出)，选用不同的风机可以获得不同的出口流速。本文选用风机最大流量为1 410 m3/h，全压为3 507 Pa，通过变频器控制转速，改变风机的工作条件，试验测量出口流速最大为45 m/s。

图1 风洞总体结构图

收缩段采用双三次曲线

(1)

式中：D为轴向距离为x处的截面直径；D1为收缩段入口截面直径；D2为收缩段出口截面直径；L为收缩段长度。本文取D1=208 mm，D2=50 mm，L=200 mm，xm/L=0.4。

对风洞出口的总压进行测量，总压探针头部直径0.5 mm，水平X方向测量范围60.0 mm，竖直Y方向测量范围60.0 mm，间隔2.0 mm，测量截面位于出口10.0 mm处。测量截面的测量网格点如图2所示，图中的圆为风洞出口形状。

图2 风洞出口总压测量网格点

测量得到的测量截面总压(Pt)云图如图3所示。由图3可见，测量截面处的总压分布相对均匀，仅在靠近管壁的区域总压较小且在该区域内Pt的分布不均匀，这与流体与管壁的相互作用有关。由于流体与管壁间的摩擦力作用导致近管壁区域的流体流速较慢，因此该区域的总压较低。此外，由图3无法获知Pt在测量截面主流区域的压差分布情况。

图3 风洞出口总压分布

为描述风洞出口总压的不均匀性，计算当地总压与主流中心区域10 mm×10 mm的平均总压差值(ΔPt)，结果示于图4。由图4可知，主流区域的总压差小于1%。这说明设计的风洞性能较好，可以进行气动探针的标定。

图4 风洞出口总压不均匀性分布

2 硬件系统

探针标定测控系统硬件由压力传感器、二自由度旋转台、探针夹具、工控机、PCI数据采集卡、伺服电机及驱动器、运动控制卡组成。探针标定测控系统硬件流程如图5所示。

图5 测控系统硬件流程图

图6所示为探针标定测控系统硬件实物。

图6 风洞及测控系统实物

压力测量采用SMI差压传感器，一侧通大气，一侧接测量的气压管，测量范围为±1 kPa，非线性误差、正反行程迟滞误差、重复性误差的总误差小于3‰。传感器的气压压差和输出电压的关系

ΔP=k(U-U0)

(2)

式中：ΔP为差压传感器两侧压差；k为校准得到的系数；U为测量的电压；U0为压差为0时的电压(零点电压)。PCI数据采集卡为16通道差压方式(或32为单端方式)、采样频率高达500 kHz。

二自由度旋转台可实现探针俯仰角和偏转角的改变，采用蜗轮蜗杆机构，蜗杆由伺服电机驱动，传动比为180∶1，重复定位精度小于0.005°，伺服电机由光电编码器行程反馈，设置36 000个脉冲信号使电机(带动蜗杆)转1圈，引起的蜗轮转动误差为5×10-5°，可忽略脉冲信号引起的误差。二自由度旋转台的轴线相交，并设计固定探针的夹具，以使探针头部位于轴线相交处，这样改变探针俯仰角和偏转角时，探针头部在风洞出口的位置保持不变。

3 软件系统

采用Labview软件对探针标定过程进行编程，测控软件流程见图7。

图7 测控软件流程图

4 五孔探针特性

如图8所示为五孔探针结构，所标定五孔探针结构及偏转角和俯仰角的定义也示于图8。

图8 五孔探针结构

由图8可知，五孔探针头部直径为4.0 mm，孔内径为0.5 mm，采用不锈钢毛细管焊接而成，因此中心孔(孔1)周围的孔(孔2～5)并非均匀对称分布。

定义偏转角系数为

(3)

俯仰角系数为

(4)

式中：P1、P2、P3、P4、P5分别为1～5孔的压力；Pavg=(P2+P3+P4+P5)/4。标定偏转角α和俯仰角β的范围为-36°～36°，间隔为4°。通过对标定数据进行分析，判断探针的有效测量范围偏转角α和俯仰角β都为-24°～24°，如图9所示。由图9可知，所制作的五孔探针可以进行有效的线性插值获得俯仰角和偏转角。

图9 俯仰角系数和偏转角系数关系图

5 结论

为标定自制五孔气动探针，设计了小型低速风洞，改变探针俯仰角和偏转角的二自由度旋转台，并编制了基于Labview的测控软件，对所制探针头部直径4.0 mm，孔内径0.5 mm的五孔探针进行了标定试验。

(1)设计用于标定五孔气动探针的风洞出口主流区域的总压差值小于1%。

(2)设计的二自由度旋转台，编制的软件测控系统，标定自制五孔气动探针偏转角和俯仰角的有效测量范围可达到-24°～24°。

(3)所设计的风洞、二自由度旋转台、软件测控系统可进行探针的标定试验。