可压缩流体恒温热线风速仪校准方法.pdf

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1、航空学报ActaAerOnauticaetAstrOnauticaSinicaJun．252017VoI．38No．6SSN1000．6893CN11-1929／VhttD：∥hkxb．buaa．edu．cnhkxb@buaa．edu．cn可压缩流体恒温热线风速仪校准方法杜钰锋，林俊*，马护生，梁锦敏中国空气动力研究与发展中心，绵阳621000摘要：开展了恒温(CT)热线风速仪校准方法的研究，以满足可压缩流体中湍流度测量需求。将对数函数与多元回归技术相结合，建立了恒温热线风速仪校准的数学模型，并进行了风洞湍流度测量试验验证。在马赫数地一O．3～O．55范围内进行了校准试验，根据建立的数学模型对

2、试验数据进行拟合，拟合优度R2=o．99982，平均绝对速度偏差△“=o．18m／s，基本满足了恒温热线风速仪校准精度要求。对马赫数M乜一o．55条件下流场进行了湍流度测量，速度测量偏差为o．034％，流场湍流度T“一o．14％。试验结果证明了恒温热线风速仪应用于可压缩流体速度测量的可行性。关键词：恒温热线风速仪；可压缩流体；数学模型；校准；湍流度测量中图分类号：V211．71文献标识码：A文章编号：1000一6893(2017)06—120600—08热线测速技术(Hot—WireAnemometer，HwA)是基于热线风速仪的一种非常重要的测量流体速度的技术，已经有100多年的研究历史，在

3、20世纪60年代以后的一段时间内几乎垄断了湍流脉动测速领域，后来随着脉动压力传感器及激光多普勒测速等技术的发展，使其面临着一定的挑战，但由于其具有的诸多优点，在今天依然是风洞中湍流度测量的最佳手段。根据热线热平衡原理可以将热线分为恒流热线风速仪(ConstantCurrentAnemometer，CCA)和恒温热线风速仪(ConstantTemperatureAne—mometer，cTA)，由于恒温热线风速仪热滞后效应很小、频率响应很宽等特点均优于恒流热线风速仪，因此恒温热线风速仪在实际应用中比恒流热线风速仪更加实用。恒温热线风速仪的原理是：用直径为微米量级的金属丝作为测量传感元件置于流场中

4、，用惠斯通电桥电路将金属丝以小电流加热，故称之为“热线”，气体流过热线时热线被冷却，通过测量热线两端输出电压值，计算出热线所损失的热量，从而计算出测量点的流体速度。热线风速仪的主要优势在于：热线的惯性非常小，频响高，能够实现流速的实时连续测量，而且能分离和测量三维流场速度分量及其脉动量，灵敏度很高，经济性好。由于这种方法的传统、经典和实用，热线风速仪作为一种接触式测量方法仍能得到广泛的应用L1]。有关热线风速仪的研究最早可追溯到1914年，King研究了细小圆柱体在流体中的对流传热规律，奠定了热线对流换热的理论基础[2]。热线风速仪在1930年首次被Dryden和Kuethe应用于测量气流速度

5、的脉动值，并通过改善试验布局，改进了当时困扰人们的热线热惯性的问题，成功应用于低频、低速、低脉动值的测量[3]。1943年，Weske利用惠斯通电桥，将热线放在电桥的一个支路上，并利用负反馈电路使热线保持恒温、恒阻，建立了恒温热线风速仪模式，很大程度上解决收稿日期：2们6—07—12；退修日期：2016—10—11：录用日期：2016—10-29；网络出版时间：2016．11-2114：39网络出版地址：wwwcnki．net／kcms／detail／111929V20161121．1439．008．html*通讯作者．E-mail=1415776643@qq．com引用格武t杜钰锋，林俊．马

6、护生．等．可压缩流体恒温热线风速仪校准方法￡Jj．靛空学报．2017。38(6)：120600．DUYF．uNJ．MAHs．eta

7、．ca

8、渺rationmethodfofconstanllemperaturehol-w

9、reanemometefforcompresslb

10、enuid￡五．AclaAeronaulicaelAs—tronauticas{n

11、ca．2017．38(6)：120600i120600．1航空学报了热线热惯性的问题[4

12、。1950年，Kovasznay首次利用热线风速仪对马赫数接近2的湍流进行了测量，并通过试验数据总结出了超声速领域热线对流换热的公式，为后续的理论研究提

13、供了试验数据基础[5

14、。1952年，Laurence和Landes对恒温式热线风速仪的附属设备及技术进行了研究，并分别对层流和湍流进行了测量[6]。至此，热线测速技术的理论基础、试验设备、校准与测量方法、数据处理技术已经基本成型，随着后续电子信息行业和制造业的发展，热线测速技术日趋完善，并在近些年来开始应用于发动机内流、低温流动等复杂、特殊流动状态中m1

15、。国内对于热线测速技术的研究与应用起步较晚