CN114814284B - 一种反射式安装的超声阵列测量叶栅流场的方法与装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种反射式安装的超声阵列测量叶栅流场的方法，包括以下步骤：步骤1，在平面叶栅通道正上方布置二维超声波换能器阵列，当气体从叶栅通道中流过时，超声测量***发射并接收超声波，并获取超声波顺、逆流状态下的渡越时间信号波形；步骤2，采用信号处理方法对渡越时间信号波形进行处理，得出超声波到达接收换能器的渡越时间，通过渡越时间重建二维速度场。其中，在平面叶栅通道内相邻两叶片的通道正上方垂直布置M×N个超声波换能器，且超声波换能器的匹配层需与叶片的上表面平齐。本发明还公开了一种反射式安装的超声阵列测量叶栅流场的装置。本测量方法及装置结构和原理简单，可实现非接触式的在线测量，且对流场不造成干扰。
Description
技术领域
本发明涉及流场测量技术领域，具体涉及一种反射式安装的超声阵列测量叶栅流场的方法与装置。
背景技术
影响叶栅流场的因素繁多且复杂，有几何因素：稠度、几何安装角等，有气动因素：来流马赫数、激波边界层干扰等。压气机中气流为扩压流动，因而易出现流动分离从而触发叶片的失速颤振或引起压气机喘振，造成严重的事故。燃气轮机中，由于多级叶栅之间会产生增压加速、涡流等现象，影响燃气轮机燃烧室中燃烧效率，进而影响整台燃气轮机的性能。解决这些问题的关键均为掌握叶栅内的流场分布。所以，流场测量技术是了解叶栅性能的基础。通过流场测量可以了解复杂的流动现象，探索其复杂的物理机制，为人们建立并发现新的流动现象，为建立新的概念和物理模型提供依据。
现有的测量方式主要分为接触式测量与非接触式测量。接触式测量主要为压力探针与气动探针，其特点是成本低、信噪比高但只能单点测量且对流场影响大。非接触式测量主要为粒子图像测速法PIV(Particle Image Velocimetry),但测量时需要在流场中布撒示踪粒子，在高速气流下示踪粒子的均匀性无法得到保证且会与流道壁面发生碰撞，从而造成磨损。
发明内容
本发明是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种反射式安装的超声阵列测量叶栅流场的方法与装置。
本发明提供了一种反射式安装的超声阵列测量叶栅流场的方法，具有这样的特征，包括以下步骤：步骤1，在平面叶栅通道正上方布置二维超声波换能器阵列，当气体从叶栅通道中流过时，超声测量***发射并接收超声波，并获取超声波顺、逆流状态下的渡越时间信号波形；步骤2，采用信号处理方法对渡越时间信号波形进行处理，得出超声波到达接收换能器的渡越时间，通过渡越时间重建二维速度场。其中，步骤1中，二维超声波换能器阵列包括多个超声波换能器。在平面叶栅通道内相邻两叶片的通道正上方垂直布置M×N个超声波换能器，且超声波换能器的匹配层需与叶片的上表面平齐。
在本发明提供的反射式安装的超声阵列测量叶栅流场的方法中，还可以具有这样的特征：其中，步骤1中，M和N的具体数值根据超声波换能器的压电晶片尺寸、超声波换能器频率、两叶片间的空间大小情况确定。二维超声波换能器阵列与来流方向垂直布置时，超声波换能器在声束角的范围发射超声波，经过叶栅根部的反射面反射后继续传播，到达接收换能器，被其接收。
在本发明提供的反射式安装的超声阵列测量叶栅流场的方法中，还可以具有这样的特征：其中，声束角α的大小由超声波换能器的压电晶片尺寸和超声波换能器频率共同决定：
α/2＝arcsin 1.22λ/Ds＝70λ/Ds
式中，λ表示超声波的波长，DS表示超声波换能器的压电晶片的尺寸，在确定M和N时，保证最远端的两个换能器之间能互相接收到信号。
在本发明提供的反射式安装的超声阵列测量叶栅流场的方法中，还可以具有这样的特征：其中，步骤2具体包括以下步骤：步骤2-1，用高精度测温计测量出实验环境的温度，根据公式计算出环境温度下的空气中的声速c，在风速为0的工况下采集(M+N)×(M+N-1)组静态数据多次，得到超声波到达接收换能器的时间，
式中T表示实验的环境温度，T0＝273.16K，c0＝331.45m/s，c表示温度T对应的空气中声速大小，超声在静态工况下的理论传播时间为：
式中T表示超声波的传播时间，L表示超声波传播路程，c表示实际声速，将测量得到的时间取平均值与理论时间对比作差以消除静态误差；步骤2-2，在风洞送风的工况下采集(M+N)×(M+N-1)组波形数据，求出超声波到达接收换能器的渡越时间；步骤2-3，将(M+N)×(M+N-1)个有效渡越时间导入流场重建程序，得出二维速度场。
在本发明提供的反射式安装的超声阵列测量叶栅流场的方法中，还可以具有这样的特征：其中，步骤2-2的具体过程为：上游换能器A发射信号被下游换能器B接收，同时，下游换能器B发射信号被上游换能器A接收。由于流体流速的影响，超声波在顺、逆流的传输时间不同：
tup＝L/(c+vcosθ)
tdown＝L/(c-vcosθ)
式中，tup为超声波在流体中顺流传播的时间，即换能器A发射超声波，换能器B接收超声波；tdown为超声波在流体中逆流传播的时间，即换能器B发射超声波，换能器A接收超声波；c超声波传播速度；L为超声波在流场中传播的距离；θ为超声波传播路径与流体轴向的夹角；v为流体流速。由以上两式可得出速差法公式为：
在重建流场的程序中，基于该公式对平面叶栅二维流场进行重建。
在本发明提供的反射式安装的超声阵列测量叶栅流场的方法中，还可以具有这样的特征：其中，步骤2-3中的重建过程为：根据换能器之间的距离和平面叶栅的叶高计算出不同换能器之间的夹角cosθ值，在两个叶片间的测量区内构建平面网格，将利用公式计算得出的速度值分解为x与y两个方向，在叶栅通道中的不同超声波传播路径产生声程交点，计算声程交点处的速度，最后，以超声换能器之间测得的已有速度数据为基础进行拉格朗日法插值，满足流场的测量分辨率。
在本发明提供的反射式安装的超声阵列测量叶栅流场的方法中，还可以具有这样的特征：其中，步骤2-3中，计算声程交点处的速度的方法为：若声程交点处由两声程交叉而成，则该点x方向速度大小由两个声程的x方向速度相加后取均值获得，y方向速度大小由两个声程的y方向速度相加后取均值获得。若声程交点处由更多声程相交而成，则以此类推。
本发明提供了一种反射式安装的超声阵列测量叶栅流场的装置，具有这样的特征，包括：数据生成部，在平面叶栅通道正上方布置二维超声波换能器阵列，当气体从叶栅通道中流过时，超声测量***发射并接收超声波，获取超声波顺、逆流状态下的渡越时间信号波形；数据采集处理部，采用信号处理方法对渡越时间信号波形进行处理，得出超声波到达接收换能器的渡越时间，通过渡越时间重建二维速度场。其中，数据生成部中，二维超声波换能器阵列包括多个超声波换能器。在平面叶栅通道内相邻两叶片的通道正上方垂直布置M×N个超声波换能器，且超声波换能器的匹配层需与叶片的上表面平齐。
发明的作用与效果
根据本发明所涉及的反射式安装的超声阵列测量叶栅流场的方法，因为具体步骤为：步骤1，在平面叶栅通道正上方布置二维超声波换能器阵列，当气体从叶栅通道中流过时，超声测量***发射并接收超声波，并获取超声波顺、逆流状态下的渡越时间信号波形；步骤2，采用信号处理方法对渡越时间信号波形进行处理，得出超声波到达接收换能器的渡越时间，通过渡越时间重建二维速度场。其中，步骤1中，二维超声波换能器阵列包括多个超声波换能器。在平面叶栅通道内相邻两叶片的通道正上方垂直布置M×N个超声波换能器，且超声波换能器的匹配层需与叶片的上表面平齐。
因此，本发明所涉及的反射式安装的超声阵列测量叶栅流场的方法与装置的结构和原理简单，可实现非接触式的在线测量，且对流场不造成干扰。
附图说明
图1是本发明的实施例中反射式安装的超声阵列测量叶栅流场的方法流程图；
图2为本发明的实施例中M×N反射式超声阵列示意图；
图3为本发明的实施例中超声波发射与接收原理示意图；
图4是本发明的实施例中二维流场测量装置示意图；
图5是本发明的实施例中2×4反射式超声阵列示意图；
图6是本发明的实施例中超声时差法原理示意图；
图7是本发明的实施例中流场重建流程图；
图8为本发明的实施例中10m/s工况下的流场重建结果。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，以下实施例结合附图对本发明一种反射式安装的超声阵列测量叶栅流场的方法与装置作具体阐述。
在本实施例中，提供了一种反射式安装的超声阵列测量叶栅流场的方法。
图1是本发明的实施例中反射式安装的超声阵列测量叶栅流场的方法流程图。
如图1所示，本实施例所涉及的反射式安装的超声阵列测量叶栅流场的方法包括以下步骤：
步骤S1，在平面叶栅通道正上方布置二维超声波换能器阵列，当气体从叶栅通道中流过时，超声测量***发射并接收超声波，并获取超声波顺、逆流状态下的渡越时间信号波形。
图2为本发明的实施例中M×N反射式超声阵列示意图。
如图2所示，在叶栅内相邻两叶片a和b通道正上方垂直布置M×N个超声波换能器，组成反射式超声阵列c，且超声波换能器匹配层需与叶片上表面平齐，避免换能器安装对流场造成影响。
根据换能器压电晶片尺寸、超声波换能器频率、两叶片间的空间大小等情况，确定M和N的具体数值。超声阵列与来流方向垂直布置时，超声波换能器在声束角的范围发射超声波，经过叶栅根部的反射面反射后继续传播，到达接收换能器，被其接收。而声束角α的大小由换能器压电晶片尺寸和超声波换能器频率共同决定：
α/2＝arcsin 1.22λ/Ds＝70λ/Ds
上式中，λ表示超声波的波长，DS表示超声波换能器压电晶片的尺寸。在确定M和N时，应考虑最远端的两个换能器之间能互相接收到信号。
图3为本发明的实施例中超声波发射与接收原理示意图。
如图3所示，工控机界面中含有人机交互界面，可以直观的展现超声信号的发射与接收波形图。***运行过程如下：首先，工控机受激产生超声波信号；接着，根据人机交互界面上的波形情况可人为调节信号的幅值至合理大小；而后，超声波通过超声波换能器逆压电效应发射到叶栅通道空间中传播，由接收换能器通过压电效应接收到信号。最后，通过采集卡将信号数据保存至工控机中。以上完成一次信号的发射与接收，该装置***可实现一个换能器发射信号，其余换能器接收信号，且完成后可以迅速自动切换下一个发射的换能器。完成一整组(M+N)×(M+N-1)信号的采集和保存时间较短，约为1s。
图4是本发明的实施例中二维流场测量装置示意图。
图5是本发明的实施例中2×4反射式超声阵列示意图。
如图4所示，本实施例中，二维流场测量装置100以2×4个超声波换能器为例，在叶栅10内相邻两叶片通道正上方垂直布置2×4个超声波换能器20，且超声波换能器匹配层需与叶片上表面平齐，避免换能器安装对流场造成影响，具体安装方式如图5。然后在风洞30送风的工况下采集波形数据。
步骤S2，用信号处理方法对渡越时间信号波形进行处理，得出超声波到达接收换能器的渡越时间，通过渡越时间重建二维速度场。具体包括以下步骤：
步骤S2-1，用高精度测温计测量出实验环境的温度，根据公式计算出环境温度下的空气中的声速c，在风速为0的工况下采集7×8组静态数据多次，得到超声波到达接收换能器的时间，
式中T表示实验的环境温度，T0＝273.16K，c0＝331.45m/s，c表示温度T对应的空气中声速大小，超声在静态工况下的理论传播时间为：
式中T表示超声波的传播时间，L表示超声波传播路程，c表示实际声速，将测量得到的时间取平均值与理论时间对比作差以消除静态误差。
步骤S2-2，在风洞送风的工况下采集7×8组波形数据，求出超声波到达接收换能器的渡越时间。
图6是本发明的实施例中超声时差法原理示意图。
如图6所示，上游换能器A发射信号被下游换能器B接收，同时，下游换能器B发射信号被上游换能器A接收。由于流体流速的影响，超声波在顺、逆流的传输时间不同：
tup＝L/(c+vcosθ)
tdown＝L/(c-vcosθ)
式中，tup为超声波在流体中顺流传播的时间，即换能器A发射超声波，换能器B接收超声波；tdown为超声波在流体中逆流传播的时间，即换能器B发射超声波，换能器A接收超声波；c超声波传播速度；L为超声波在流场中传播的距离；θ为超声波传播路径与流体轴向的夹角；v为流体流速。由以上两式可得出速差法公式为：
与传统的时差法相比，速差法得出的速度与温度无关，即不需要测量出流场内部的温度情况。在重建流场的程序中，基于该公式对平面叶栅二维流场进行重建。
步骤S2-3，将(M+N)×(M+N-1)个有效渡越时间导入流场重建程序，得出二维速度场。
利用时间信号流场重建过程：根据换能器之间的距离和平面叶栅的叶高计算出不同换能器之间的夹角cosθ值。在两个叶片间的测量区内构建平面网格，将利用公式计算得出的速度值分解为x与y两个方向。在叶栅通道中，由于不同超声波传播路径会产生交点(称为声程交点)，则该点处计算速度的方式略有不同。若该点处由两声程交叉而成，则该点x方向速度大小由两个声程的x方向速度相加后取均值获得，y方向速度大小由两个声程的y方向速度相加后取均值获得。若该点处由更多声程相交而成，则以此类推。
图7是本发明的实施例中流场重建流程图。
如图7所示，本实施例中，流场重建步骤为：
步骤S2-3-1，计算出cosθ,L等基本参数后，将56个声时数据导入计算出路径中的速度。
步骤S2-3-2，寻找出换能器之间的声程交叉点并判断是否在测量区内，若在测量区，则计算该点处的速度，若不在则剔除该点。
步骤S2-3-3，利用拉格朗日法插值重建出二维流场。
二维流场的x和y方向速度大小以及矢量速度大小及角度数据见表1。
表1为10m/s工况下流场重建结果，负数表示与坐标轴正方向相反，正数表示与坐标轴正方向一致。
表1
图8为本发明的实施例中10m/s工况下的流场重建结果。
本实施例还提供了一种反射式安装的超声阵列测量叶栅流场的装置。
本实施例中的反射式安装的超声阵列测量叶栅流场的装置包括：
数据生成部，利用本实施例中步骤S1的方法获取超声波顺、逆流状态下的渡越时间信号波形。
数据采集处理部，利用本实施例中步骤S2的方法重建二维速度场。
实施例的作用与效果
根据本实施例所涉及的反射式安装的超声阵列测量叶栅流场的方法，因为具体步骤为：步骤1，在平面叶栅通道正上方布置二维超声波换能器阵列，当气体从叶栅通道中流过时，超声测量***发射并接收超声波，并获取超声波顺、逆流状态下的渡越时间信号波形；步骤2，采用信号处理方法对渡越时间信号波形进行处理，得出超声波到达接收换能器的渡越时间，通过渡越时间重建二维速度场。其中，步骤1中，二维超声波换能器阵列包括多个超声波换能器。在平面叶栅通道内相邻两叶片的通道正上方垂直布置M×N个超声波换能器，且超声波换能器的匹配层需与叶片的上表面平齐。
因此，本实施例所涉及的反射式安装的超声阵列测量叶栅流场的方法与装置的结构和原理简单，可实现非接触式的在线测量，且对流场不造成干扰。
上述实施方式为本发明的优选案例，并不用来限制本发明的保护范围。
Claims (2)
1.一种反射式安装的超声阵列测量叶栅流场的方法，其特征在于，
所述反射式安装的超声阵列测量叶栅流场的方法使用反射式安装的超声阵列测量叶栅流场的装置进行，所述反射式安装的超声阵列测量叶栅流场的装置包括：
数据生成部，在平面叶栅通道正上方布置二维超声波换能器阵列，当气体从叶栅通道中流过时，超声测量***发射并接收超声波，获取超声波顺、逆流状态下的渡越时间信号波形；
数据采集处理部，采用信号处理方法对所述渡越时间信号波形进行处理，得出超声波到达接收换能器的渡越时间，通过所述渡越时间重建二维速度场，其中，所述数据生成部中，所述二维超声波换能器阵列包括多个超声波换能器，在所述平面叶栅通道内相邻两叶片的通道正上方垂直布置M×N个所述超声波换能器，且所述超声波换能器的匹配层需与所述叶片的上表面平齐，
所述反射式安装的超声阵列测量叶栅流场的方法，包括以下步骤：
步骤1，在平面叶栅通道正上方布置二维超声波换能器阵列，当气体从叶栅通道中流过时，超声测量***发射并接收超声波，并获取超声波顺、逆流状态下的渡越时间信号波形；
步骤2，采用信号处理方法对所述渡越时间信号波形进行处理，得出超声波到达接收换能器的渡越时间，通过所述渡越时间重建二维速度场，
其中，步骤1中，所述二维超声波换能器阵列包括多个超声波换能器，
在所述平面叶栅通道内相邻两叶片的通道正上方垂直布置M×N个所述超声波换能器，且所述超声波换能器的匹配层需与所述叶片的上表面平齐，
步骤1中，M和N的具体数值根据所述超声波换能器的压电晶片尺寸、超声波换能器频率、两叶片间的空间大小情况确定，
所述二维超声波换能器阵列与来流方向垂直布置时，所述超声波换能器在声束角的范围发射所述超声波，经过叶栅根部的反射面反射后继续传播，到达所述接收换能器，被其接收，
声束角α的大小由所述超声波换能器的所述压电晶片尺寸和所述超声波换能器频率共同决定：
α/2＝arcsin1.22λ/Ds＝70λ/Ds
式中，λ表示超声波的波长，DS表示超声波换能器的压电晶片的尺寸，在确定M和N时，保证最远端的两个换能器之间能互相接收到信号，
步骤2具体包括以下步骤：
步骤2-1，用高精度测温计测量出实验环境的温度，根据公式计算出环境温度下的空气中的声速c，在所述声速c为0的工况下采集(M+N)×(M+N-1)组静态数据多次，得到所述超声波到达所述接收换能器的时间，
式中T表示实验的环境温度，T0＝273.16K，c0＝331.45m/s，c表示温度T对应的空气中声速大小，超声在静态工况下的理论传播时间为：
式中T表示超声波的传播时间，L表示超声波传播路程，c表示实际声速，将测量得到的时间取平均值与理论时间对比作差以消除静态误差；
步骤2-2，在风洞送风的工况下采集(M+N)×(M+N-1)组波形数据，求出超声波到达接收换能器的渡越时间；
步骤2-3，将(M+N)×(M+N-1)个有效渡越时间导入流场重建程序，得出所述二维速度场，
步骤2-2的具体过程为：
上游换能器A发射信号被下游换能器B接收，同时，下游换能器B发射信号被上游换能器A接收，
由于流体流速的影响，超声波在顺、逆流的传输时间不同：
tup＝L/(c+vcosθ)
tdown＝L/(c-vcosθ)
式中，tup为超声波在流体中顺流传播的时间，即换能器A发射超声波，换能器B接收超声波；tdown为超声波在流体中逆流传播的时间，即换能器B发射超声波，换能器A接收超声波；c超声波传播速度；L为超声波在流场中传播的距离；θ为超声波传播路径与流体轴向的夹角；v为流体流速，
由以上两式可得出速差法公式为：
在重建流场的程序中，基于该公式对平面叶栅二维流场进行重建，
步骤2-3中的重建过程为：
根据换能器之间的距离和平面叶栅的叶高计算出不同换能器之间的夹角cosθ值，在两个叶片间的测量区内构建平面网格，将利用公式计算得出的速度值分解为x与y两个方向，在叶栅通道中的不同超声波传播路径产生声程交点，计算所述声程交点处的速度，最后，以超声换能器之间测得的已有速度数据为基础进行拉格朗日法插值，满足流场的测量分辨率。
2.根据权利要求1所述的反射式安装的超声阵列测量叶栅流场的方法，其特征在于：
其中，步骤2-3中，计算所述声程交点处的速度的方法为：
若所述声程交点处由两声程交叉而成，则该点x方向速度大小由两个声程的x方向速度相加后取均值获得，y方向速度大小由两个声程的y方向速度相加后取均值获得，
若所述声程交点处由更多声程相交而成，则以此类推。
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