摘要:采用不转动法校准 L 型七孔压力探针，使用二维插值算法得到插值结果，并与真实值比较，结果表明，风洞采用七孔压力探针可以准确地测量三维大角度流场内的速度分布。
Calibration Technology of Seven-hole Pressure Probe for Wind Tunnel
Abstract: L type seven-hole pressure probe is calibrated using non-rotating method, and interpolation result is got by two-dimensional interpolation algorithm , comparing with real value. The result shows, the velocity distribution in three-dimensional wide-angle flow field will be measured accurately using seven-hole pressure probe for Wind Tunnel.

1 引言

　　在航空航天的流场测量中，经常遇到复杂的三维大角度流动情况，如燃气轮机涡轮叶片尾缘，飞机翼型附近的复杂流场。通常用 3 种测量工具来测量流场中的速度分布：三孔压力探针，五孔压力探针和热线探头。但是由于探针只能在俯仰角和侧滑角不超过时才能准确测量，而热线探头则容易被空气中的尘土颗粒碰断，并且测量的是空间平面的平均速度分布，并非是空间一点速度分布。所以为了测量大角度的复杂三维流场采用七孔压力探针（简称七孔针）。尽管采用七孔针测量流场需要大量时间，并且校验方法也极其复杂，但是可以对大角度流场进行准确的测量。

　　国外有一些关于使用七孔针测量流动分布和七孔针校准技术的研究[1-3]。国内关于七孔压力探针校准技术却很少。本文主要讨论七孔针的校准技术并对校准结果进行分析，发现七孔针可以准确地测量大角度三维流场。

2 试验装置及校准过程
2.1 校准坐标系

2.2 试验装置

　　七孔针的校准工作是在我校吹气式风洞内完成的。风洞出气口直径为Φ75mm ，风洞出口截面湍流度 <0.3% 。该风洞可以校准的 Ma 数范围为0.1 ～ 0.8在风洞稳定段内采用蜂窝器和整流孔板以保证进气流场均匀，同时使用维托辛斯基曲线设计收缩喷管以保证喷口出口截面上速度分布均匀。探针安装在由步进电机控制的自动坐标架上，坐标架能使探针在俯仰，侧滑，前后，左右和上下 5 个方向运动。探针针头始终正对风洞出气口的湍流核心区。压力测量系统包括七孔针，压力变送器，PC 和使用步进电机控制的自动坐标架，其中压力变送器的精度为 0.1％。校准的 L 型七孔针由我校传热试验室制造，探针圆锥形针头外径为Φ2.5mm ，每个测压管直径Φ0.8mm ，针头锥半角为60°，探针具体尺寸见图 3 。

2.3 校准过程

　　当来流与七孔针角度较小时，探针上每个测压孔均可以正确感受压力，如图 4a ，可以使用 7 个测压孔测得的压力数据来计算角度系数和压力系数；但是当气流方向与探针角度较大时（>25°），气流流经探头时将会发生分离 , 使一部分测压孔得到的数据不正确，如当来流正对 4 孔并与探针轴线方向夹角大于30°时，气流在1孔附近将会发生分离（图4b）。所以，选取偏离气流方向最小的测压孔（即压力读数最大的孔）及其两侧的测压孔和中心孔得到的数据计算压力系数和角度系数，此时，七孔针则变成 6 个四孔针。图5按上述情况将校准区域分成7个区，每个区内校准点即为相应的孔压力读数最大。

　　对于小角度区先固定－个α，然后转动β，逐一进行校准，直到全场扫遍为止；对于大角度区依据圆周角θ和锥角φ ，通过坐标变换 [式（1）,（2）] 得到相应的俯仰角α和侧滑角β，由于每个校准点俯仰角α和侧滑角β均不同，所以每校准一个点都需要改变俯仰角α和侧滑角β。校准的角度范围是：，对于小角度区校准点俯仰角α和侧滑角β角度间隔5°，对于大角度区校准点圆周角θ和锥角φ角度间隔5°；校准 Ma 数为 0.17 （速度为 60m/s ）。图 6 为校准点数及按校准后依据压力读数最大值划分的实际各个区位置的真实分布，不同的颜色表示不同的区域。可以看到虽然实际分区与理想分区略有差别，但是实际分区的分界线与理想分区的位置很接近，这说明探针的制造非常理想。