CN110618293B - 一种十字型热线风速仪的校准方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种十字型热线风速仪的校准方法,包括:测定十字型热线探针与气流方向的夹角θ;开始数据采集;曲面拟合,计算得到十字型热线探针的冷却常数k,校准常数A,B和n;进行十字型热线探针有效冷却速度U e的计算等步骤。具有极大提高试验数据的质量并节省试验时间的优势。
Description
技术领域
本发明涉及空气动力领域,具体涉及一种十字型热线风速仪的校准方法。
背景技术
由于热线风速仪具有高时间和空间分辨率,故热线比粒子图像测速(PIV)、激光多普勒仪(LDV)等更适合湍流流场的测量。热线的能量损失主要有三种方式:对流、辐射和传递。纵横比(长度与直径之比)大于200的热线主要以自由对流方式耗散能量。由于大部分热线的纵横比大于200,在分析中只考虑强制对流热传递能量损失。
热线风速测量方法的基本原理为:通过常温风速电路(CTA)加热微型金属线,风速变化带走热量,惠斯通电桥对其进行补偿,补偿电阻上的电压变化反应了风速的变化。利用电压-风速之间的校准关系就可以得到流速的测量结果。
使用热线风速测量仪测量流速的一个主要误差来源是由于环境温度的变化导致的热线校准系数的变化。过去常用的温度校正方法是由Brunn提出的,Brunn提出的方法假定环境温度变化足够小(5摄氏度以下),流体性质保持不变,适用在低雷诺数条件下。在高雷诺数条件下,温度变化较大时,这种假设会导致明显误差。
十字型热线通常用于二维湍流流场的测量,根据十字型热线的几何关系,二维速度场可以被分解为轴向和切向两个分量。二维热线的校准包括两个方面:角度和速度校准。对于新制造或修复的十字型热线,需要进行一次角度校准,角度校准对于获得冷却参数k很重要,必须要注意的是:k表示冷却常数,κ(kappa)表示热传导系数。就十字型热线的校准而言,角度和速度校准常常同时进行,这将使得校准过程耗时。在某些情况下,大气压力和温度在很短的时间内变化很大,例如缺乏冷却设备的回流式风洞流场测量,或者对结冰风洞中的湍流流场进行测量,十字型热线的校准参数可能发生大的变化。因此,为实现精确的二维流场测量,需要一种新的校正方法。
发明内容
本发明提供一种十字型热线风速仪的校准方法。
为了达到上述发明目的,本发明采用的技术方案为:
提供一种十字型热线风速仪的校准方法,包括如下步骤:
步骤1:将十字型热线探针安装在可调角度的校准器上,并测定十字型热线探针与气流方向的夹角θ;
步骤2:设定常温风速仪的过热比,利用数据卡将常温风速仪的模拟输出转化为数值量;
步骤3:设定采样率和采集时间,开启校准器和常温风速仪,开始数据采集;记录物理量:常温风速仪的电压输出量E、校准器的风速值U∞和气流的温度T、压力P和湿度H;
步骤4:改变热线探针与气流方向的角度θ,重复步骤3;
步骤5:进行曲面拟合,计算得到十字型热线探针的冷却常数k,校准常数A,B和n;
步骤6:根据冷却常数k,十字型热线探针热线丝和十字型热线探针轴线的角度a,计算速度场的恢复系数f,g;
步骤7:进行十字型热线探针有效冷却速度Ue的计算;
步骤8:进行二维湍流流场试验测量,得到十字型热线探针的电压-时间测量数据E,同时记录气流温度变化T;
步骤9:计算得到二维流场的轴向和切向速度分量Uc和Vc。
进一步的,所述步骤2中根据热线丝、探针支架、连接线缆的电阻值设定常温风速仪的过热比。
进一步的,所述步骤5采用公式
实验时,使用热线风速校准器对一只新修复的TSI十字型热线探针进行了校准。在校准过程中,使用Dantec公司的常温风速仪记录十字型热线探针的电压模拟量输出,并用NI数据卡将模拟量转换为数值量,采样率设置为50Hz,采样时间是20秒。
热线风速仪的探针就是电阻,电阻做功满足欧姆定律,所以强制对流效应在热线电阻上产生的焦耳热可以用以公式一表示:
式中Iw和E分别表示热线上的电流和电压。R,d和L分别表示电阻、热线的直径和长度。h=Nu·ζ/d表示对流热传导系数。Nu表示努塞尔数,ζ是流体的导热系数。
气体的努塞尔数Nu与雷诺数Re之间的关系可用公式二表示:
式中T表示气流的温度。A,B和n是经验常数,需要通过实验进行确定。对于典型的微米量级直径的热线本式在雷诺数Re=0.01~140范围内是成立的。
本发明的优点在于:本方法可以在温度变化相对较大条件下的热线风速仪输出电压的校正,大大减少热线测量过程中的校准次数,可以极大提高试验数据的质量并节省试验时间。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解,构成本申请的一部分,并不构成对本发明实施例的限定。在附图中:
图1为二维热线风速仪探针的结构示意图;
图2为标准气压下原始数据的示意图;
图3为标准气压下Brunn数据的示意图;
图4为标准气压下本发明数据的示意图;
图5为高压条件下原始数据的示意图;
图6为高压条件下Brunn数据的示意图;
图7为高压条件下本发明数据的示意图。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述,以便于本技术领域的技术人员理解本发明,但应该清楚,本发明不限于具体实施方式的范围,对本技术领域的普通技术人员来讲,只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内,这些变化是显而易见的,一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
实施例1
在标准大气压条件下,分别取平均环境温度为21℃和25℃时,测得两个校准数据集。其中,境温度为25℃时包含11个倾斜角度(从-30°到30°,步长为6°)和每个角度测点上包含30个流速值(从5m/s到80m/s);境温度为21℃时包含11个倾斜角度和每个角度测点上包含15个流速值。
该十字型热线风速仪的校准方法,包括如下步骤:
步骤1:将十字型热线探针安装在可调角度的校准器上,并测定十字型热线探针与气流方向的夹角θ;
步骤2:使用万用表测得热线丝、探针支架、连接线缆的电阻值,根据电阻值设定常温风速仪的过热比,利用数据卡将常温风速仪的模拟输出转化为数值量;
步骤3:设定采样率和采集时间,开启校准器和常温风速仪,开始数据采集;记录物理量:常温风速仪的电压输出量E、校准器的风速值U∞和气流的温度T、压力P和湿度H;
步骤4:改变热线探针与气流方向的角度θ,重复步骤3;
步骤6:根据冷却常数k,十字型热线探针热线丝和十字型热线探针轴线的角度a,计算速度场的恢复系数f,g;
步骤8:进行二维湍流流场试验测量,得到十字型热线探针的电压-时间测量数据E,同时记录气流温度变化T;
实施例2
在HRTF高雷诺数(最高压力238atm)回流式风洞中,。
该十字型热线风速仪的校准方法,包括如下步骤:
步骤1:将十字型热线探针安装在可调角度的校准器上,并测定十字型热线探针与气流方向的夹角θ;
步骤2:使用万用表测得热线丝、探针支架、连接线缆的电阻值,根据电阻值设定常温风速仪的过热比,利用数据卡将常温风速仪的模拟输出转化为数值量;
步骤3:设定采样率和采集时间,开启校准器和常温风速仪,开始数据采集;记录物理量:常温风速仪的电压输出量E、校准器的风速值U∞和气流的温度T、压力P和湿度H;
步骤4:改变热线探针与气流方向的角度θ,重复步骤3;
步骤6:根据冷却常数k,十字型热线探针热线丝和十字型热线探针轴线的角度a,计算速度场的恢复系数f,g;
步骤8:进行二维湍流流场试验测量,得到十字型热线探针的电压-时间测量数据E,同时记录气流温度变化T;
对照例1
在标准大气压下,取平均环境温度为21℃和25℃时,使用Brunn提出的方法进行校准,其中,Ewc,Ew分别表示热线上的校准电压和测量电压。Tw表示热线的工作温度(对于镀铂钨丝热线,推荐Tw=250℃),Ta表示环境温度。
对照例2
在HRTF高雷诺数(最高压力238atm)回流式风洞中,使用Brunn提出的方法进行校准,其中,Ewc,Ew分别表示热线上的校准电压和测量电压。Tw表示热线的工作温度(对于镀铂钨丝热线,推荐Tw=250℃),Ta表示环境温度。
结果分析:
图2~7为不同温度条件下热线上风速与电压的关系。
其中,曲线1代表环境温度为25℃时的曲线,曲线2代表环境温度分别为21℃时的曲线,曲线3代表环境温度为33℃时的曲线,曲线4代表环境温度为39℃时的曲线,曲线5代表环境温度为45℃时的曲线,曲线6代表环境温度为48℃时的曲线。
如图2所示,在标准大气压下,同一条热线在不同温度下未经修正的校准结果是不同的,曲线1和曲线2存在差异,且流动速度较高差异越大。
如图3所示,在标准大气压下,取参考温度Tr=25℃(曲线1),使用Brunn的方法修正21℃下获得的校准数据,可以发现曲线1和曲线2重叠。表明Brunn的方法可以有效纠正温度效应。
如图4所示,在标准大气压下,取参考温度Tr=25℃(曲线1),使用本发明的方法修正21℃下获得的校准数据,同样发现曲线1和曲线2重叠。表明本发明的方法和Brunn方法一样可以有效纠正温度效应。
如图5所示,在高压环境中,取参考温度T=33℃(曲线3),在未经修正的情况下,可以看出热线的输出电压随气流温度变化而变化。
如图6所示,在高压环境中,取参考温度T=33℃(曲线3),使用Brunn的方法修正后曲线3、曲线4、曲线5和曲线6仍然不重合,说明Brunn的方法在此环境中已经失效。
如图7所示,在高压环境中,取参考温度T=33℃(曲线3),使用本发明的方法修正后曲线3、曲线4、曲线5和曲线6重合,这表明温度变化对热线测量的影响可以被准确地修正。
结论:
与传统的Brunn方法相比,本文提出的方法无论是在在低雷诺数条件下,还是在高雷诺数条件下,都可以对热线进行准确地修正,提高了应用范围。同时极大减少热线测量过程中的校准次数,提高试验数据的质量并节省试验时间。
Claims (7)
1.一种十字型热线风速仪的校准方法,包括如下步骤:
步骤1:将十字型热线探针安装在可调角度的校准器上,并测定十字型热线探针与气流方向的夹角θ;
步骤2:使用万用表测得热线丝、探针支架、连接线缆的电阻值,根据电阻值设定常温风速仪的过热比,利用数据卡将常温风速仪的模拟输出转化为数值量;
步骤3:设定采样率和采集时间,开启校准器和常温风速仪,开始数据采集;记录物理量:常温风速仪的电压输出量E、校准器的风速值U∞和气流的温度T、压力P和湿度H;
步骤4:改变热线探针与气流方向的角度θ,重复步骤3;
步骤5:进行曲面拟合,计算得到十字型热线探针的冷却常数k,校准常数A,B和n;
步骤6:根据冷却常数k,十字型热线探针热线丝和十字型热线探针轴线的角度a,计算速度场的恢复系数f,g;
步骤7:进行十字型热线探针有效冷却速度Ue的计算;
步骤8:进行二维湍流流场试验测量,得到十字型热线探针的电压-时间测量数据E,同时记录气流温度变化T;
步骤9:计算得到二维流场的轴向和切向速度分量Uc和Vc。
2.根据权利要求1所述的十字型热线风速仪的校准方法,其特征在于:所述步骤2中根据热线丝、探针支架、连接线缆的电阻值设定常温风速仪的过热比。
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