[发明专利]一种十字型热线风速仪的校准方法

说明书

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。

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U_e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U_c和V_c。

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。