一种适用于亚声速流道的流量测试系统及测试方法

技术领域

本发明涉及空气动力学实验测试领域，特别是针对在亚声速范围工作的进气道等内流装置的一种流量测试系统及测试方法。

背景技术

在吸气式推进系统的研发过程中，地面实验是前期关键环节，需要先针对各个气动部件进行单独的测试，获得部件的性能曲线为后续风洞实验以及全机实验提供数据与指导。进气道作为吸气式推进系统的关键气动部件之一，肩负着推进系统流量的捕获与调节、来流动能转化与利用等多项功能，直接影响推进系统的推力、工作效率与工作包线等，因此进气道地面实验数据的准确性和工况测试范围对于推进系统的研发至关重要。在实验过程中，通常测试进气道的出口流量来反映其对来流的捕获能力。常见的亚声速流道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、文丘里流量计等装置。孔板流量计采用法兰连接并通过内孔锐角线来保证精度，因此流量泄漏及长期使用下的测试精度下降问题无法避免，需要较大的维护工作量；浮子流量计在用于测试不同于出厂标定流体的流体流量时，如不同的流体密度、粘度，流量偏离原分度值，需要进行换算修正，因此使用上相对复杂；涡街流量计对实验模型的震动敏感，高亚声速流量实验可能会对其精度造成较大的影响；涡轮流量计对于粘度较大或杂质过多的介质并不适用。除此之外，由于内部含有大尺寸的零件，一方面零件惯性运动导致此类流量计的响应速度慢，另一方面气流容易在流道内形成壅塞，因此不适用于进气道流量测试。文丘里流量计不同于上述标准流量计，流道内无大尺寸零件，响应迅速，但由于喉道处密流函数最大，流体对喉道的冲刷和磨损严重，无法保证长期测量精度，并且经典文丘里流量计的结构长度必须按规定制造，使得它的流量测量范围有限，最大、最小流量比很小，一般在3至5之间，这使得文丘里流量计很难满足流量变化幅度大的流量测量。

另外一种常用的流量测试方法是米字耙流量计，通过在测量截面均布8个总压耙，在每个耙上按照等环面积分布安装5只总压探针，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，然而由于总压探针有限，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畸变不能太大，截面流动均匀性要好，否则误差较大。

综上所述，对于进气道流量测试实验，现有的流量计无法满足其响应快、流量测试范围大和避免内流道拥塞等要求，因此针对亚声速流道流量测试实验，如何实现测试系统响应快、测量精度高、装置易于维护、流量测量范围大以及避免内流道壅塞是本发明要解决的关键问题需要一种新的技术方案以解决该问题。

发明内容

发明目的：本发明提供一种适用于亚声速流道的流量测试系统，所要解决的技术问题是，针对亚声速流道流量测试实验，如何实现测试系统响应快、测量精度高、装置易于维护、流量测量范围大以及避免内流道壅塞。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种适用于亚声速流道的流量测试系统，包括亚声速流道的标准模型、过渡段、整流段、节流模块、滞止模块以及真空腔；所述的标准模型、过渡段、整流段依次相连，标准模型、过渡段、整流段的内型面依次相切构成流量测试系统内流道，内流道各截面面积相等；所述整流段包括前整流段和后整流段；所述后整流段内设有整流格栅使截面气流各参数分布均匀；所述节流模块整流段内部，并且位于前整流段和后整流段之间；所述的滞止模块位于后整流段下游，滞止模块整体为一个空腔，滞止模块与后整流段相接处为突扩流道；所述的真空腔位于滞止模块下游，真空腔与滞止模块相接处为突缩流道，真空腔与滞止模块相接处设有一个快速阀；所述的流量测试系统用以采集标准模型出口处第一测点的总压信号和第二测点的静压信号、节流模块下游第三测点的总压信号和第四测点的静压信号、滞止模块内壁面上预置的若干第五测点的动态压力信号和第六测点的温度信号；所述第一测点与第二测点位于标准模型同一截面上，第一测点位于标准模型的内壁面上，第二测点位于标准模型的腔内；所述第三测点与第四测点位于节流模块同一截面上，第三测点位于节流模块的腔内上，第四测点位于节流模块的内壁面上；若干第五测点分布在滞止模块内壁面上用以测量滞止模块内壁面各位置受到的动态压力值，第六测点位于滞止模块内用以测量滞止模块内部的温度值。

进一步的，标准模型为前端带唇口的等面积圆形管道，唇口内型面为双纽线设计。

进一步的，过渡段上游连接标准模型，下游连接前整流段。

进一步的，前整流段、后整流段、节流模块、滞止模块以及真空腔、快速阀均位于风洞之外；前整流段长度不小于5倍流道内型面直径。

进一步的，节流模块由蝶阀构成，节流模块启闭件是一个圆盘形的蝶板，围绕阀轴旋转，达到启闭或调节节流通道面积，从而控制实验模型出口马赫数并在节流通道处形成超声速流场。

进一步的，滞止模块为一个尺寸较大的空腔，前后各有一个贯通圆孔分别与后整流段和真空腔相连。前后贯通圆孔直径分别取决于后整流段流道内径与真空腔流道内径。

进一步的，快速阀位于滞止模块与真空腔之间，在流场建立之前，快速阀始终保持打开，使节流模块前后落压比足够大，流场正常建立后，节流模块下游为超声速流场。

进一步的，所有的压力信号采用高频响微型动态压力传感器采集，传感器应靠近测点，且距离不超过50mm。

进一步的，测点采用高精度热电偶监测滞止模块内温度信号。

本发明还提供了使用上述适用于亚声速流道的流量测试系统的测试方法，包括如下步骤：

(1)、为提高测量精度，首先对适用于亚声速流道的流量测试系统进行标定，用标准模型进行标定实验；在标准模型的出口附近及蝶阀下游布置压力测；

(2)、待通道内流场建立之后，通过流量测试系统中的第一测点的总压和第二测点的静压，根据总静压关系式得到模型出口马赫数：

其中，p

(3)、监测节流模块下游第三测点的总压和第四测点的静压，通过总静压关系式得到节流模块后马赫数，如果大于1，则说明已经在节流模块后建立了超声速流场，下游扰动将不会传递给标准模型出口，如果小于1，则改变真空腔的压力进而改变节流模块前后落压比，直至节流模块下游马赫数大于1；

(4)、将快速阀关闭，内流场气流滞止，通过测量滞止模块壁面处若干第五测点的静压p′的动态变化和滞止模块内第六测点处的温度，根据气体状态方程以及流量计算公式计算质量流量：

其中p′为滞止模块壁面处测点静压，R为气体常数，V为滞止模块体积，t为时间，T为滞止模块内温度。

本发明通过下游真空腔形成的大落压比使得在流体节流模块下游形成超声速流场，防止下游的扰动向上游传播从而影响进气道内的亚声速流场。通过整流格栅在气流滞止前对流体进行整流，使得滞止模块内压力变化均匀。通过快速阀和滞止模块将气流迅速滞止，通过监测滞止模块内的压力变化，换算得到进气道出口流量，同时也避免了以往流量计自身对实验流道产生堵塞的问题。通过使用高频响微型动态压力传感器对整个流量测试系统中所有压力信号进行采集，保证测试系统的响应速度。本发明结构简单，尺寸小，响应速度快，测量精度高，节流模块可根据实验所需管流速度对节流程度进行调节，故适用工况范围宽广；所需压力测点少，避免了标准流量计、传统米字耙等流量测试方法对实验流道形成的壅塞，测量精度对流道内气流的非均匀性不敏感，特别适合于来流为亚声速的进气道、扩压器等复杂内流装置的流量测量。

附图说明

图1是本发明亚声速流道流量测试系统的结构示意图。

具体实施方式

本发明公开了一种适用于亚声速流道流量测试系统与测试方法。请参阅图1，为一种适用于亚声速流道的流量测试系统，包括亚声速流道的标准模型1、过渡段2、整流段、节流模块7、滞止模块5和压力腔6。所述的标准模型1、过渡段2、整流段依次相连，部件内型面依次相切构成流量测试系统内流道，内流道各截面面积相等，各截面形状为圆形。所述整流段包括前整流段3和后整流段4。所述节流模块7位于整流段内，并位于前整流段3和后整流段4之间。所述后整流段4内设有整流格栅8使截面气流各参数分布均匀。所述的滞止模块5位于后整流段4下游，滞止模块5整体为一个空腔，与后整流段4相接处为突扩流道。所述的真空腔6位于滞止模块5下游，与滞止模块5相接处为突缩流道，设有一个快速阀9。所述的流量测试系统需要采集的信号包括标准模型1出口处第一测点11的总压信号和第二测点10的静压信号、节流模块7下游第三测点13的总压信号和第四测点11的静压信号，滞止模块5内壁面上预置的若干第五测点(图1中第五测点三个标号为14、15、16)的动态压力信号和第六测点17的温度信号；所述第一测点11与第二测点10位于标准模型1同一截面上，第一测点11位于标准模型1的内壁面上，第二测点10位于标准模型1的腔内；所述第三测点13与第四测点12位于节流模块7同一截面上，第三测点13位于节流模块7的腔内上，第四测点12位于节流模块7的内壁面上；若干第五测点分布在滞止模块5内壁面上用以测量滞止模块5内壁面各位置受到的动态压力值，第六测点17位于滞止模块5内用以测量滞止模块5内部的温度值。

参考图1，实验过程中，待内流场建立之后，通过监测标准模型1出口的总压测点11的压力p

如果出口马赫数未达到设定值，则进一步调节蝶阀开度直至满足为止；随后监测节流模块7第三测点13与第四测点12的压力信号，通过总静压关系式得到节流模块7下游马赫数，如果大于1，则说明已经在节流模块7下游建立了超声速流场，下游扰动将不会传递到标准模型出口，如果小于1，则继续改变真空腔6的压力进而改变节流模块7前后落压比，直至节流模块7下游马赫数大于1；随后将快速阀9关闭，内流场气流滞止，通过测量节流模块7壁面处第五测点的静压p′变化和滞止模块内第六测点17的温度，根据气体状态方程以及流量计算公式计算质量流量：

其中p′为滞止模块壁面处测点静压，R为气体常数，V为滞止模块体积，t为时间，T为滞止模块内温度。