一种高超声速风洞湍流度间接测量方法技术

一种高超声速风洞湍流度间接测量方法，涉及风洞湍流度测量。提供利用微型空速管测量高超声速风洞流场中的压力脉动，再根据压力脉动与速度脉动的关系换算间接得到湍流度的一种高超声速风洞湍流度间接测量方法。包括风洞数据采集和数据分析，风洞数据采集的过程是利用装有微型空速管的可调节装置测出风洞来流不同位置的脉动压力值，并用其他探针测得其他风洞数据。数据分析的方法是对已测得的压力脉动值和其他风洞数据进行分析，推导得到高超声速气流中压力脉动与速度脉动的函数关系式，从而计算得到高超声速风洞的湍流度。压力脉动和速度脉动之间的函数关系式简单明了，只需测得压力脉动并经简单计算就可得到高超声速风洞的湍流度，方便快捷。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及风洞湍流度测量领域，特别是涉及。
技术介绍
研究发现，湍流度对边界层转捩有着重要影响，其对气动测量的影响之严重可与雷诺数相比。同时，在利用CFD对流场进行数值仿真时，湍流度也起着非常关键的作用，人们往往需要在仿真前对湍流度进行测量或估计，湍流度测量值或估计值的准确度直接影响了仿真结果的准确度。目前，湍流度的测量一般使用热线风速仪(HWA)、激光多普勒测速仪(LDV)以及粒子图像测速系统(PIV)，它们都是通过测量流场中的速度脉动进而计算得到湍流度。HWA的基本原理是热平衡原理，将具有加热电流的细金属丝放置在流场中，风速的变化会使金属丝的温度产生变化，通过测量热线两端的电压从而可计算得到流速(E.L.D0UGHMAN.Development of a Hot-ffire Anemometer for Hypersonic Turbulent Flows[J].THEREVIEW OF SCIENTIFIC INSTRUMENTS.V0LUME43, NUMBER8, 1972)。LDV 的基本原理是对通过激光探头的示踪粒子的多普勒信号进行测量，然后根据速度与多普勒频率的关系换算得到速度。PIV技术建立在流场显示技术的基础上，其基本原理是在流场中加入一定的示踪粒子，用脉冲激光器所发出的激光照亮流场的测试段，并用CCD相机拍下测试段间流动粒子的图像，对图像进行分析处理之后得到流场中的速度分布(Pentti Saarenrinne, MikaPiirto and Hannu Eloranta.Experiences of turbulence measurement with PIV[J].MEASUREMENT SCIENCE AND TECHNOLOGY, 2001)。目前，国内外还未见关于能够准确测量高超声速风洞湍流度的方法的相关报道。以上三种测量方法在亚声速、跨声速或低超声速流场中有着广泛的应用，但它们并不适用于高超声速流场中的湍流度测量。HWA具有动态响应频率高，时间和空间分辨率高等优点，但热线容易断裂，在超高声速流场中，高温高速的环境对其来说是个严峻的考验。LDV和PIV都属于非接触流动显示技术，它们测量精度高，测速范围广，但是在高速流场中存在示踪粒子跟随性差，受激波影响大的缺点。
技术实现思路
本专利技术的目的旨在克服现有技术所存在的上述缺陷，提供利用微型空速管测量高超声速风洞流场中的压力脉动，再根据压力脉动与速度脉动的关系换算间接得到湍流度的。本专利技术包括以下步骤:一、采集风洞数据，具体方法如下:I)控制电机令空速管对准风洞出口中心，记录下第I个测点的平均总压i和脉动压力P’。；2)将空速管水平或竖直移动单位长度，记录下第2个测点的压力数据；3)不断重复步骤2)，记录下第三、四……个测点的数据，直到测得所有均匀分布在风洞出口截面的测点压力数据；4)在风洞出口截面附近沿壁面周向均匀布置4个测量静压的压差传感器和4个测量总温的热电偶，对测得的4个静压值和4个总温值取平均可得到平均静压;^和平均温度T ；二、对风洞数据的分析，具体方法如下:I)建立压力脉动p’ ^与速度脉动u’、密度脉动P ’间的函数关系；在步骤二的步骤I)中，所述建立压力脉动P’ ^与速度脉动u’、密度脉动P ’间的函数关系的具体方法可为:已知风洞中气流的总压表达式为:本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高超声速风洞湍流度间接测量方法，其特征在于包括以下步骤：一、采集风洞数据，具体方法如下：1)控制电机令空速管对准风洞出口中心，记录下第1个测点的平均总压和脉动压力p'0；2)将空速管水平或竖直移动单位长度，记录下第2个测点的压力数据；3)不断重复步骤2)，记录下第三、四……个测点的数据，直到测得所有均匀分布在风洞出口截面的测点压力数据；4)在风洞出口截面附近沿壁面周向均匀布置4个测量静压的压差传感器和4个测量总温的热电偶，对测得的4个静压值和4个总温值取平均可得到平均静压和平均温度二、对风洞数据的分析，具体方法如下：1)建立压力脉动p'0与速度脉动u'、密度脉动ρ'间的函数关系，具体方法为：已知风洞中气流的总压表达式为：p0=p+12Cpρu2---(1)]]>其中p0是总压，p是静压，表示动压，Cp是压力系数，ρ是空气的密度，u是空气的速度；压力系数Cp是与空气比热容比γ和马赫数M相关的量，其表达式为：Cp=4γ+1(1-1M2)---(2)]]>将变量表示为平均值与脉动量的和，即令p0=p0‾+p′0;p=p‾+p′;M=M‾+M′;ρ=ρ‾+ρ′;u=U+u′]]>其中是平均静压，p'是脉动静压，是平均马赫数，M'是马赫数脉动，是平均密度，U是平均速度，将M的表达式带入式(2)，则有Cp=4γ+1(1-1(M‾+M′)2)]]>由于在高超声速下M'很小，在这个函数关系式下M'对Cp的影响很小，因此将其忽略不计，从而压力系数Cp可表示为Cp=4γ+1(1-1M‾2)]]>在上式中，空气比热容比γ一般取1.40，平均马赫数有如下关系式：p‾p0‾=(1+γ-12M‾2)-γγ-1]]>上式中平均静压平均总压和空气比热容比γ均为已知，因此可计算得到从而可推得压力系数Cp的值；将式(1)中各变量表示为平均值与脉动量的和，式(1)可以表示为p0‾+p′0=p‾+p′+12Cp(ρ‾U2+ρ‾u′2+2ρ‾Uu′+ρ′u′2+2ρ′Uu′)]]>由于p0‾=p‾+12Cpρ‾u‾2]]>因此脉动压力可以表示为：p′0=p′+12Cp(ρ‾u′2+2ρ‾Uu′+ρ′U2+ρ′u′2+2ρ′Uu′)]]>考虑到一阶脉动量很小，二阶脉动量几乎可忽略不计，因而上述表达式可简化为：p′0=12Cp(2ρ‾Uu′+ρ′U2)]]>p′0U2=12Cp(2ρ‾u′U+ρ′)---(3)]]>在式(3)中，U=M‾c=M‾γRT‾,p0‾=ρ‾RT‾,]]>其中R是气体常数；2)建立速度脉动u'与密度脉动ρ'间的函数关系，具体方法为：根据Morkovin假设中提出的强雷诺比拟(SRA)关系，有如下关系式：ρ′ρ‾=(γ-1)M~2u′U---(4)]]>其中是局部马赫数或当地马赫数，其表达式为M~=u~c~]]>其中表示高速风洞中的声速，是速度的密度加权平均值，对u进行密度加权分解，则u可表示成其中表达式是u是1个速度微量；将的公式代入式(4)可得ρ′ρ‾=(γ-1)M~2u′U=(γ-1)(U+u′-u′′c~)2u′U]]>去除上述方程中的二阶小量，即M~=(U+u′-u′′c~)2≈(Uc~)2=M‾2]]>从而可得如下速度脉动u'与密度脉动ρ'间的函数关系式ρ...

【技术特征摘要】
1.一种高超声速风洞湍流度间接测量方法，其特征在于包括以下步骤: 一、采集风洞数据，具体方法如下: 1)控制电机令空速管对准风洞出口中心，记录下第I个测点的平均总压;P；和脉动压力P，O ; 2)将空速管水平或竖直移动单位长度，记录下第2个测点的压力数据； 3)不断重复步骤2)，记录下第三、四……个测点的数据，直到测得所有均匀...

【专利技术属性】
技术研发人员：尤延铖，欧阳智贤，腾健，李怡庆，潘成剑，胡斌，
申请(专利权)人：厦门大学，
类型：发明
国别省市：福建;35