總壓探針性能結(jié)構(gòu)敏感性分析

萬(wàn)浩涵，趙儉，李亞晉

（航空工業(yè)北京長(zhǎng)城計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究所，北京 100095）

0 引言

總壓探針結(jié)構(gòu)是總壓探針設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮的關(guān)鍵問(wèn)題，結(jié)構(gòu)對(duì)總壓系數(shù)、不敏感角等性能影響很大［1-2］。

林其勛和游紹堃等人［3］研究了總壓探針不敏感角與氣流速度的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)在總壓探針感壓孔外面加引導(dǎo)管可以提高探針不敏感角，感壓孔有倒角的總壓探針不敏感角更大，并給出了L型、帶套型、球窩型等幾種典型總壓探針結(jié)構(gòu)及其不敏感角。

VENKATESWARAN S和WALL M M等人［4-5］發(fā)現(xiàn)臨壁測(cè)量時(shí)，壁面與探針的相互干擾會(huì)嚴(yán)重影響被測(cè)流場(chǎng)結(jié)構(gòu)，引起測(cè)量誤差。

王肖等［6］對(duì)單點(diǎn)和多點(diǎn)梳狀總壓探針的堵塞效應(yīng)進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)總壓探針的介入使被測(cè)流場(chǎng)流量減小，相比于探針結(jié)構(gòu)，堵塞效應(yīng)受堵塞比的影響更大。

李正［7］以二級(jí)低速軸流壓氣機(jī)為基礎(chǔ)，研究探針對(duì)壓氣機(jī)性能的影響，發(fā)現(xiàn)葉型探針幾乎不影響壓氣機(jī)平均流場(chǎng)結(jié)構(gòu)，探針尺寸越小對(duì)流場(chǎng)的影響越小。

以往研究多結(jié)合發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)，聚焦總壓探針結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)較少，且發(fā)動(dòng)機(jī)流場(chǎng)復(fù)雜，試驗(yàn)條件重復(fù)性低，不同車次試驗(yàn)工況相差較大，導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果不確定度大，難以準(zhǔn)確找到影響規(guī)律［8-12］。為了研究結(jié)構(gòu)對(duì)探針性能的影響，制作不同類型且不同關(guān)鍵尺寸的總壓探針，其中有凸嘴型總壓探針、帶套型總壓探針［3］。在校準(zhǔn)風(fēng)洞上對(duì)探針進(jìn)行校準(zhǔn)試驗(yàn)［14-15］，比較不同結(jié)構(gòu)探針的試驗(yàn)結(jié)果，研究總壓探針結(jié)構(gòu)對(duì)探針性能的影響。

1 凸嘴型總壓探針

凸嘴型是一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易加工的總壓探針結(jié)構(gòu)，引壓管直接從支桿伸出，引壓管口直對(duì)氣流［3］，結(jié)構(gòu)如圖1所示。凸嘴型總壓探針不敏感角可達(dá)10°～20°，迎風(fēng)面積小，適合需要密集排布的場(chǎng)合，如作為附面層探針使用。

圖1 凸嘴型探針結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of the convex-nosed probe

本次試驗(yàn)采用了不同的引壓管頭部長(zhǎng)徑比即l/d，引壓管倒角a，共加工了6支關(guān)鍵尺寸不同的凸嘴型總壓探針，結(jié)構(gòu)尺寸如表1。

表1 凸嘴型總壓探針尺寸表Tab.1 Dimensions of the convex-nosed total pressure probe

為了探究長(zhǎng)徑比l/d對(duì)于總壓探針性能影響，將1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)探針同時(shí)安裝在風(fēng)洞氣流核心區(qū)進(jìn)行總壓系數(shù)校準(zhǔn)試驗(yàn)［4］。試驗(yàn)馬赫數(shù)Ma為0.5，氣流偏轉(zhuǎn)角為0°，±10°，±15°，±20°，±25°，每次試驗(yàn)重復(fù)5次，結(jié)果取平均值。第一次凸嘴型探針總壓系數(shù)校準(zhǔn)試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

圖2 第一次凸嘴型探針總壓系數(shù)校準(zhǔn)試驗(yàn)結(jié)果Fig.2 Results of first calibration test of the total pressure coefficient of convex-nosed probe

從試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，1號(hào)探針不敏感角較小，在氣流偏角±10°內(nèi)總壓系數(shù)小于1‰，當(dāng)氣流偏角大于15°時(shí)，總壓系數(shù)較大；2號(hào)探針不敏感角大，在氣流偏角±15°內(nèi)，總壓系數(shù)小于1‰；3號(hào)探針不敏感角大，在氣流偏角±15°內(nèi)，總壓系數(shù)小于1‰，在負(fù)偏角氣流下，總壓系數(shù)小于2號(hào)探針；2號(hào)探針出現(xiàn)了正負(fù)偏角結(jié)果不對(duì)稱，可能由于加工誤差所致。由此看來(lái)，對(duì)于凸嘴型探針而言，長(zhǎng)徑比在5～10之間性能較好，長(zhǎng)徑比小于2時(shí)性能較差。

將2號(hào)、4號(hào)、6號(hào)探針同時(shí)安裝在風(fēng)洞氣流核心區(qū)進(jìn)行總壓系數(shù)校準(zhǔn)試驗(yàn)，探究凸嘴型探針倒角對(duì)總壓探針性能的影響規(guī)律。試驗(yàn)條件與第一次試驗(yàn)一致，第二次試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖3 第二次凸嘴型探針總壓系數(shù)校準(zhǔn)試驗(yàn)結(jié)果Fig.3 Results of second calibration test of the total pressure coefficient of convex-nosed probe

從試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，2號(hào)、4號(hào)、6號(hào)探針性能比較接近，不敏感角較大，在氣流偏角±15°內(nèi)總壓系數(shù)都小于1‰。考慮到加工誤差對(duì)于探針性能的影響，凸嘴型探針倒角a對(duì)總壓探針性能的影響不大，60°～90°都有不錯(cuò)的性能。

將2號(hào)、3號(hào)、4號(hào)、5號(hào)探針都安裝在風(fēng)洞氣流核心區(qū)，同時(shí)進(jìn)行總壓系數(shù)校準(zhǔn)試驗(yàn)，研究最佳凸嘴型總壓探針的關(guān)鍵尺寸。試驗(yàn)條件保持不變，得到結(jié)果如圖4所示。

圖4 第三次凸嘴型探針總壓系數(shù)校準(zhǔn)試驗(yàn)結(jié)果Fig.4 Results of third calibration test of the total pressure coefficient of convex-nosed probe

由圖4可見(jiàn)，5號(hào)探針性能最佳，不敏感角大，氣流偏角±15°內(nèi)總壓系數(shù)小于1‰，是凸嘴型探針中的最佳結(jié)構(gòu)。綜上，凸嘴型探針的長(zhǎng)徑比l/d選擇5～10、引壓管倒角為60°時(shí)，探針性能最佳。

2 帶套型總壓探針

為了提高總壓探針的不敏感角性能，在凸嘴型結(jié)構(gòu)探針試驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上，研究了兩種不同結(jié)構(gòu)的帶套型總壓探針，帶套型總壓探針是在引壓管外套上一個(gè)氣流罩，使氣流更加集中，可以提高總壓探針的不敏感角，但會(huì)增加迎風(fēng)面積，對(duì)測(cè)點(diǎn)間距要求較大［3］。

第一種帶套型探針是有后端出氣口的整流罩總壓探針，結(jié)構(gòu)如圖5。第二種帶套型總壓探針是屏蔽罩無(wú)出氣口的總壓探針，結(jié)構(gòu)如圖6，這種總壓探針比較適用于多點(diǎn)總壓耙，所需空間小，可以將測(cè)點(diǎn)間距布置得比較密集。

圖5 整流罩總壓探針Fig.5 Structure of the rectifier-type total pressure probe

圖6 屏蔽罩總壓探針Fig.6 Structure of the shield-type total pressure probe

針對(duì)整流罩型總壓探針的結(jié)構(gòu)，改變整流罩直徑與引壓管直徑d的比例即D/d、整流罩長(zhǎng)徑比l/D、以及倒角a，加工了不同結(jié)構(gòu)尺寸的帶套型總壓探針，結(jié)構(gòu)尺寸見(jiàn)表2。

表2 整流罩型總壓探針尺寸表Tab.2 Dimensionsof the rectifier-type total pressure probe

將1～6號(hào)整流罩型探針安裝在風(fēng)洞氣流核心區(qū)同時(shí)進(jìn)行總壓系數(shù)校準(zhǔn)試驗(yàn)，試驗(yàn)馬赫數(shù)Ma為0.5，氣流偏轉(zhuǎn)角度為0°，±10°，±15°，±20°，±25°，每次試驗(yàn)重復(fù)5次，結(jié)果取平均值，得到整流罩型探針總壓系數(shù)校準(zhǔn)試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。

圖7 整流罩型探針總壓系數(shù)校準(zhǔn)試驗(yàn)結(jié)果Fig.7 Calibration test results of the total pressure coefficient of rectifier-type probe

由圖7可見(jiàn)，整流罩型探針中4號(hào)性能最佳，不敏感角大，氣流偏角±20°內(nèi)總壓系數(shù)小于1‰，是整流罩型探針中的最佳結(jié)構(gòu)。對(duì)比1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)的試驗(yàn)結(jié)果，三者性能數(shù)據(jù)無(wú)顯著性差別，考慮到探針加工誤差對(duì)探針性能的影響，說(shuō)明D/d在1.5～3范圍內(nèi)，探針性能差異不大。進(jìn)一步對(duì)比2號(hào)、4號(hào)、5號(hào)探針，發(fā)現(xiàn)整流罩長(zhǎng)徑比l/D小的探針性能劣于長(zhǎng)徑比大的探針，說(shuō)明大長(zhǎng)徑比整流罩型總壓探針不敏感角更大。對(duì)比4號(hào)、6號(hào)的試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，兩只探針性能差別不大，考慮到探針加工誤差對(duì)探針性能的影響，說(shuō)明倒角60°和90°的整流罩型總壓探針不敏感角相差不大。

屏蔽罩型總壓探針的關(guān)鍵尺寸與整流罩型類似，加工了幾支不同結(jié)構(gòu)尺寸的屏蔽罩型總壓探針，如表3所示。將所有探針安裝在風(fēng)洞氣流核心區(qū)同時(shí)進(jìn)行總壓系數(shù)校準(zhǔn)試驗(yàn)，試驗(yàn)馬赫數(shù)Ma為0.5，氣流偏轉(zhuǎn)角度為0°，±10°，±15°，±20°，±25°，每次試驗(yàn)重復(fù)5次，結(jié)果取平均值。得到屏蔽罩型探針總壓系數(shù)校準(zhǔn)試驗(yàn)結(jié)果如圖8。

表3 屏蔽罩型總壓探針尺寸表Tab.3 Dimensions of the shield-type total pressure probe

圖8 屏蔽罩型探針總壓系數(shù)校準(zhǔn)試驗(yàn)結(jié)果Fig.8 Calibration test results of the total pressure coefficient of shield-type probe

從圖8看來(lái)屏蔽罩型探針中4號(hào)性能最佳，不敏感角大，氣流偏角在-20°時(shí)，總壓系數(shù)為1.1‰，是屏蔽罩型探針中的最佳結(jié)構(gòu)。對(duì)比1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)的試驗(yàn)結(jié)果，屏蔽罩直徑與引壓管直徑d之比D/d選擇2較為合適，當(dāng)D/d＜2時(shí)，總壓性能下降較多，當(dāng)D/d＞2時(shí)，總壓性能也會(huì)降低。對(duì)比2號(hào)、4號(hào)、5號(hào)的試驗(yàn)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)屏蔽罩型長(zhǎng)徑比l/D=5時(shí)不敏感角最大，當(dāng)l/D＜5時(shí)，總壓性能下降較多，當(dāng)l/D＞5時(shí)，總壓性能也會(huì)降低。對(duì)比4號(hào)、6號(hào)的試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，倒角為60°性能更好。綜合看來(lái)，在設(shè)計(jì)整流罩型總壓探針時(shí)，選擇D/d=2，l/D=5，倒角為60°的尺寸設(shè)計(jì)較為合適。

3 結(jié)論

綜合所有試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，整流罩型總壓探針性能最好，考慮到探針加工誤差，大長(zhǎng)徑比探針不敏感角更大，而整流罩倒角和整流套直徑與引壓管直徑d之比D/d對(duì)探針性能影響較小，其中D/d=2，l/D=5，倒角為60°的探針性能最佳，在氣流偏角±20°內(nèi)總壓系數(shù)小于1‰。屏蔽罩型總壓探針性能略差于整流罩型，氣流偏角在-20°時(shí)，總壓系數(shù)為1.1‰。凸嘴型探針性能較差，氣流偏角小于±15°時(shí)總壓系數(shù)小于1‰。

可見(jiàn)在設(shè)計(jì)總壓探針時(shí)選擇帶套型結(jié)構(gòu)優(yōu)于引壓管凸出的結(jié)構(gòu)，有后端出氣口的整流罩型最佳。但整流罩型總壓探針迎風(fēng)面積大，安裝工藝較復(fù)雜，如果不敏感角要求不高，而多測(cè)點(diǎn)密集排列的總壓探針可以采用凸嘴型設(shè)計(jì)，而屏蔽罩型的設(shè)計(jì)適用于測(cè)點(diǎn)密集且不敏感角要求較高的總壓測(cè)試環(huán)境。

為對(duì)試驗(yàn)結(jié)果更深入地分析，下一步將通過(guò)氣動(dòng)仿真模擬和氣動(dòng)機(jī)理分析，對(duì)這幾種結(jié)構(gòu)總壓探針機(jī)理進(jìn)行理論分析，使結(jié)論更好地作用于探針優(yōu)化設(shè)計(jì)。