氣動探針發(fā)展研究國內(nèi)外文獻綜述目錄TOC\o"1-3"\h\u20560氣動探針發(fā)展研究國內(nèi)外文獻綜述 135501.1國外概況 1111211.2國內(nèi)概況 312402參考文獻 41.1國外概況皮托管（PitotTube）是流體力學測試技術中最常用的測量工具，如圖1.9，1730年由法國工程師亨利·皮托發(fā)明，通過測量流體的總壓和靜壓，根據(jù)流體力學方程即可求出流體的速度、流量等，它結構簡單，成本低，測量精度也能滿足工程要求。在測速研究方面，Anderson和Mantzouranis[30]使用皮托管來研究氣液兩相流動，Banerjee[31]用皮托管測量瞬態(tài)蒸汽-水兩相流動的質(zhì)量流率，獲得了重復性的結果和良好的流動瞬態(tài)響應，皮托管的優(yōu)點在于它能很好地測量一維流場的平均速度和流量，但不適合流場三維特性的描述，也不適合高速流場的校測。圖1.9皮托管Fig.1.9Pitottube從皮托管發(fā)展而來的多孔探針，其基本原理和皮托管相同，但相比皮托管和其他測速方法而言，多孔探針能測量流體速度的矢量特性，速度的大小和方向、壓力等參數(shù)可以同時被測量出來，在流場參數(shù)獲取上也彌補了LDV和PIV等技術的不足，同時加工制造成本又遠低于后者，探針堅固耐用，測量高速氣流時能夠承受振動，使用壽命比一般熱線風速儀長，在葉輪機械、航空航天、風洞實驗領域的相關研究中，仍是倍受關注的技術之一。常用的多孔探針孔數(shù)有3、5、7等，如圖1.10。三孔探針通常用于測量二維流場，日本大阪大學的MurataSusumu等人[32]通過三孔壓力探針來測量沿葉輪內(nèi)周的總壓力分布，研究了性能曲線的形狀與貫流風機的流型之間的關系；DíazK.M.A.等人[33]提出了一種校準圓柱形三孔探針的新方法，采用了新的歸一化因子的定義，可以防止奇點出現(xiàn)在校準系數(shù)中，此方法獲得的探針測量角度范圍為±70°。圖1.10三孔探針、五孔探針和七孔探針Fig.1.10Three-holeprobe,five-holeprobeandseven-holeprobe五孔探針和七孔探針能獲得渦輪葉片、高速風洞等復雜流場的靜壓、總壓和三維速度分量的標量和矢量特性，因此比三孔探針應用范圍更廣。多孔探針使用前需要進行校準，以減小系統(tǒng)誤差。有關五孔探針的校準技術最早可追溯到1979年Treaster和Yocum[34]提出的理論校準方法。盡管該方法應用起來簡單方便，但當需要校準大俯仰角或大偏航角時，校準數(shù)據(jù)常常會出現(xiàn)奇點，因此五孔探針的校準被限制在可接受的校準角度范圍內(nèi)，新南威爾士大學的Pisasale和Ahmed[35]給出了擴大校準角度范圍的理論依據(jù)，隨后基于奇點問題提出了一種新的校準方法[36]，本質(zhì)上是對Treaster提出的校準程序的調(diào)整，成功地克服了傳統(tǒng)方法存在的奇點問題，而且新的校準方法可以很容易地將測量角度范圍擴展到±75°。賓夕法尼亞州立大學的Sitaram等學者[37]利用五孔探針、球形皮托管等傳統(tǒng)探針測量軸流式壓縮機和葉片通道內(nèi)的相對流量，指出五孔探針是一種獲取轉(zhuǎn)子通道內(nèi)三維流場有效參數(shù)的簡單方法，實驗結果表明雷諾數(shù)對探針精度的影響很小，同時由于附壁效應而產(chǎn)生的誤差小于1%。五孔探針的發(fā)展一直專注于減小探針尺寸和確定探針尖端的最佳幾何形狀，探頭的外形對探針的性能有直接影響，其種類繁多，按形狀可分為球形、半球形、圓錐形和金字塔形等，Sitaram等人[38]研究了探針尖端倒角對探針性能的影響，在30°到60°的倒角范圍內(nèi)，對6種不同形式的探頭進行了實驗，研究發(fā)現(xiàn)校準系數(shù)的值隨著倒角角度的增加而增加，實驗結果指出，當要測量的氣流在偏航角和俯仰角上有較大的變化時，30°倒角的探頭可測量的角度范圍更大。七孔探針于1980年由Gallington和Sisson[39]首次提出，用于測量流速矢量以及總壓和靜壓的定量信息，隨后七孔探針被應用到流場測量的各個領域。Gerner等人[40]提出了一種三元多項式的擬合算法，精確地將七孔探針的校準擴展到可壓縮狀態(tài)，并且成功測量了亞聲速可壓縮流中高達70°流動方向角的局部總壓、靜壓和相對流角。等人比較了二維四階多項式插值和直接從校準曲線線性插值的結果，發(fā)現(xiàn)直接進行線性插值更能減小誤差，測出的角度誤差在0.8°以內(nèi)。弗吉尼亞理工大學的Wenger等人[41]開發(fā)了用于七孔探針的兩步校準和測量程序，該方法基于傳統(tǒng)的最小二乘法校準方案增加了額外的步驟，可以進行簡單而準確的實時處理計算。五孔探針、七孔探針等多孔氣動探針，以其顯著的優(yōu)點在氣速測量應用中經(jīng)久不衰，二者都是用來研究三維流場的主要工具，均滿足一般的氣流測速的精度需求，但是七孔探針無論是加工、校準還是使用過程都更繁瑣復雜，因此考慮時間、經(jīng)濟和人力成本，使用五孔探針測速更為合適。然而在應用中還需考慮氣流的可壓縮性問題，根據(jù)氣體動力學知識，必須要知道氣流的總溫才能計算可壓縮流體的速度，但目前結合總溫的多孔探針測速研究較少，對高速氣流的速度測量方法研究目前還不夠完善。1.2國內(nèi)概況國內(nèi)關于氣動探針的研究和應用基本開始于上世紀八十年代，隨著我國航空航天事業(yè)、風洞技術以及葉輪機械領域的逐漸發(fā)展，多孔探針測試技術也在不斷進步，在今天仍是一種很有前景的速度測量方法。目前，國內(nèi)學者在五孔探針的制作加工、校準標定、測速應用等方面均有大量的研究成果。姜健等人[42]給出了探針的加工工序，按照該方法制作出來的探針質(zhì)量較好，測量精度高。楊國才[43]研制了一種旋流五孔探針，采用四棱形的探針尖端形式，這種探針實際上是一種改進的金字塔形探針，氣動綜合性能好，豐富了探針的結構形式。在探針的校準研究方面，符澄[44]等人給出了一種用于亞聲速氣流中五孔探針校準方法，風洞測試的結果表明，校準過程滿足精度要求。北京航空航天大學的李志強和李正強[45]基于非對向測量法，針對復雜流場的使用條件，采用分段擬合的方法，建立了五孔探針的數(shù)學模型，實驗結果顯示該模型具有很高的數(shù)值精度。陸華偉[46]等人提出了一種基于變馬赫數(shù)的五孔探針三維插值方法，與傳統(tǒng)的二維校準方法不同，這種校準方法考慮了馬赫數(shù)的變化，將探針在不同馬赫數(shù)下的校準曲線繪制在同一三維坐標系中，如圖1.11，只需得到幾個標準馬赫數(shù)下的校準曲線，通過三維插值過程，就可以得到所求馬赫數(shù)的校準曲線，它改善了傳統(tǒng)插值方法的精度問題，同時也避免了復雜繁瑣的校準過程?；诖朔椒?，可以將校準曲線適當外推至更高馬赫數(shù)，有效節(jié)省高速風洞校準的時間和經(jīng)濟成本，因此適合跨聲速、超聲速氣流的速度測量。目前國內(nèi)研究主要涉及探針的加工和標定問題，以及在葉輪機械等領域的使用，在高速氣流測速方面，尤其是跨聲速和超聲速流場測量方面應用比較少。圖1.11三維校準圖Fig.1.11Mapofthree-dimensionalcalibration參考文獻[1]周志華.三杯式風速計特性分析與實驗研究[D]哈爾濱工業(yè)大學,2007.[2]MartínezA.,VegaE.,PindadoS.,etal.Deviationsofcupanemometerrotationalspeedmeasurementsduetosteadystateharmonicaccelerationsoftherotor.[J].2016,90:483-490.[3]PindadoS.,PerezJ.,Avila-SanchezS.OnCupAnemometerRotorAerodynamics.[J].2012,12(5):6198-6217.[4]PindadoS.,CubasJ.,Sorribes-PalmerF.Thecupanemometer,afundamentalmeteorologicalinstrumentforthewindenergyindustry.ResearchattheIDR/UPMInstitute.[J].2014,14(11):21418-21452.[5]KovasznayL.S.G.TURBULENCEINSUPERSONICFLOW.[J].1953,20(10):657.[6]KovasznayL.S.G.THEHOT-WIREANEMOMETERINSUPERSONICFLOW.[J].1950,17(9):565.[7]WalkerD.A.,NgW.F.,WalkerM.D.EXPERIMENTALCOMPARISONOF2HOT-WIRETECHNIQUESINSUPERSONIC-FLOW.[J].1989,27(8):1074-1080.[8]SmitsA.J.,MuckK.C.Constanttemperaturehot-wireanemometerpracticeinsupersonicflows.[J].1984,2(1):33-41.[9]盛森芝,莊永基,劉宗彥.一種新型熱線熱膜流速計.[J].2009,23(01):89-93.[10]莊永基,盛森芝.預移相型恒溫熱線(膜)流速計的動態(tài)響應方程.[J].1992,(01):49-56.[11]劉年凱.我經(jīng)歷的激光測速研究——清華大學沈熊教授訪談錄.[J].2020,41(02):241-250.[12]YehY.,CumminsH.Z.LOCALIZEDFLUIDFLOWMEASUREMENTSWITHANHE-NELASERSPECTROMETER1(E).[J].1964,4(10):176.[13]CostesJ.,CoudercJ.P.STUDYBYLASERDOPPLERANEMOMETRYOFTHETURBULENT-FLOWINDUCEDBYARUSHTONTURBINEINASTIRREDTANK-INFLUENCEOFTHESIZEOFTHEUNITS.1.MEANFLOWANDTURBULENCE.[J].1988,43(10):2751-2764.[14]PedersenN.,LarsenP.S.,JacobsenC.B.Flowinacentrifugalpumpimpelleratdesignandoff-designconditions-PartI:Particleimagevelocimetry(PIV)andlaserDopplervelocimetry(LDV)measurements.[J].2003,125(1):61-72.[15]TomokiT.,TomoakiK.,ShunsukeA.,etal.OpticalvisualizationofbloodshearstressusinglaserDopplervelocimetrycombinedwithacousto-opticmodule.[J].2021,483.[16]SachsJ.,KottapalliS.N.,FischerP.,etal.CharacterizationofactivematterindensesuspensionswithheterodynelaserDopplervelocimetry.[J].2020,(prepublish).[17]RinkevichyusB.S.,TolkachevA.V.,KharchenkoV.N.MeasurementsofthevelocityfieldofahypersonicflowbyalaserDopplervelocimeter.[J].1976,9(4).[18]LeeS.J.,ChungM.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