[发明专利]一种适用于超声速/高超声速流道的流量测试系统及测试方法

说明书

技术领域

本发明涉及空气动力学实验测试领域，特别是针对在超声速/高超声速范围工作的进气道、扩压器等内流装置的流量测量方法。

背景技术

对于进气道、扩压器而言，流量的大小反映了其流量捕获能力，将直接影响发动机推力的大小，因此准确地测量流量至关重要。由于超声速/高超声速风洞实验运行时间很短，因此流量计必须具有快速的响应特性，另一方面流量计的外轮廓横截面不能太大，否则易影响风洞自身超声速流场的建立，而流量计内流道尺寸不能太小，不能有大尺度的障碍物，否则将影响实验模型内流道超声速流场的建立。对于亚声速流动，常见的流量测量方法包括孔板流量计、浮子流量计、涡轮流量计、涡街流量计等装置，这些测量装置在亚声速流量测量方面得到了广泛的应用，但这些流量计由于响应速度太慢，尺寸太大，而且流量计内部含有大尺寸的零件，将对流道形成堵塞，因此不适合将其放置在超声速风洞内进行吹风实验。在航空航天领域，另外一种常用的亚声速流道流量测量方法是在测量截面布置8个总压耙，每个耙上按照等环面积分布安装5只总压探针，直接利用这些探针测量的结果，按照每个单元积分即可获得流量，因此在风洞实验和飞行试验中，这种方式都得到的广泛的应用。由于总压探针有限，对于米字耙这种测量方法要得到较好的测量精度需要满足以下两个条件：1、测量截面流速必须为亚声速，2、畸变不能太大，截面流动均匀性要好，否则误差较大。当测量截面是超声速(1<马赫数M<5)，甚至是高超声速时(M>5)，在每只探针前方都存在一道脱体激波，探针测得的是经过脱体激波之后的总压，而不是当地的总压，因此在超声速流动中米字耙的测量方式失效。为了在超声速流道中继续使用总压耙的测量方式，中国空气动力研究与发展中心超高速所的张绍武(高超声速风洞进气道流量系数测量精度影响因素研究，《推进技术》，第34卷第4期)采用在“十字形”总压耙下游布置节流装置，通过节流产生的激波将总压探针上游的气流降至亚声速。但是这种方式，由于在超声速流道中安装了4个耙体和多达29只总压探针和4个静压测点，测点太多，而且这些耙体和探针对超声速流体本身也有节流作用，如果耙体太多，占据的面积太大，设计的不合理，甚至有可能影响进气道或扩压器超声速流场的建立，这在风洞试验中是决不允许的。其余的流量计装置，譬如ASME喷嘴流量计，由于需要将超声速气流减速至声速，而且其喉道截面不可调节，因此只能测量唯一的一个超声速马赫数状态的流量，不仅如此，对于超声速来流条件下，其喉道截面太小，将直接影响进气道或扩压器的起动。可见，现有的流量测量装置很难直接应用于对超声速/高超声速流体流量的高精度测量。文丘里流量计也是一种常用的标准流量计，适用于亚声速流体的流量测量，具有精度高，重复性好，压力损失小，是所有标准流量计中对前、后等直段长度要求最小，压力损失最小。由于其流量测量的原理是基于平直段和喉道截面的静压差，根据伯努利方程和连续方程得出的，并不要求喉道截面到达声速，所以其喉道面积较ASME喷嘴流量计大得多，不至于影响进气道/扩压器超声速流场的建立，因此在进气道/扩压器的风洞实验中具有很强的应用潜力。但文丘里流量计同样只能针对亚声速流体的流量测量，如何将文丘里流量计的测量范围拓展至超声速，并且本身不对超声速流道形成堵塞是本发明要解决的关键问题。

发明内容

为解决上述问题，本发明的适用于超声速/高超声速流道的流量测试系统，能够将文丘里流量计的测量范围拓展至超声速，并且本身不对超声速流道形成堵塞。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种适用于超声速/高超声速流道的流量测试系统，包括文丘里流量计、节流模块和整流模块；所述的节流模块包括堵锥和直线步进电机；所述的整流模块包括前整流段和后等直整流段；文丘里流量计位于前整流段和后等直整流段之间，且文丘里流量计的前端连接前整流段而后端连接后等直流段；所述节流模块中的堵锥自后向前插入后等直整流段中；通过前整流段和实验模型相连；所述的流量测试系统需采集的信号包括前整流段内设置的总压探针的压力信号、文丘里流量计中的平直段测点的压力信号、文丘里流量计中的平直段测点和喉道测点的压差信号、文丘里流量计中的喉道测点的温度信号以及实验模型上内通道入口或者喉道附近测点的压力信号。

而上述适用于超声速/高超声速流道的流量测试系统的测试方法，可以采用如下技术方案，包括如下步骤：