基于钟形口流量管速度分布模型的空气流量测量方法与流程

1.本发明属于航空发动机进气流量测量领域，涉及一种基于钟形口流量管速度分布模型的空气流量测量方法。


背景技术：

2.航空发动机的进气流量测量结果常用于对发动机整机和部件性能评定、状态监测，目前最常用的测量方案就是依靠钟形口流量管配备总静压探针进行测量，而这种测量方法现有以下两种实施方案。
3.一种是为了测量简单，设置的测点较少，通过少数测点的平均情况得到管内流量。这种方案无法反映管内真实的压力与速度分布，从而导致测量结果不准确。
4.另一种是通过环形面积法得到管内的空气流量。这种方法是以管道截面圆心为中心，将管道截面分割成中心圆和多个圆环，如图2所示。在每个圆环内测得速度值与圆环面积相乘，再将所有结果相加，即可得到管内的体积流量(见图3)。从理论上来说，这种测量方法中，只要将测点布置得足够密集，就可以得到准确的管内流量值。因此，在这种方案内，为了测量结果准确，将通过增加测点数来得到管内的真实速度分布情况。通常需要制作更多更密集测点的压力测量耙，或者是通过人工手段去进行管内测量探针的移测。这两种情况都会大大提高人工、时间以及工艺制作上的成本，在实际的现场测量中难以实现。
5.因此，本发明针对这个问题，提供了一种通过管内少数点的测量，即可得到管内完整速度分布的方法，可以方便快捷地得到准确的管内流量。


技术实现要素：

6.为了解决测点布置较多以及人工、时间、工艺等成本较高的问题，本发明的主要目的是提供一种基于钟形口流量管速度分布模型的流量测量方法，根据管内速度分布模型确定试验中测量截面上压力测量耙的布点范围，再对测量截面上进行少数点的数据测量，得到管内完整的速度分布模型，对得到的管内完整速度分布模型进行积分计算，得到管内的空气流量，实现对航空发动机进气流量测量，提高流量测量精度和测量效率。
7.本发明的目的是通过下述技术方案实现的。
8.本发明公开的基于钟形口流量管内速度分布模型的空气流量测量方法，包括如下步骤：
9.步骤一、针对钟形口流量管，建立管内速度分布模型，根据建立的三段式管内速度分布模型确定速度分布模型各段上的测点布置范围，即确定试验中的压力测量耙测点布置范围以及测点个数。
10.步骤1.1：管内的速度分布模型如下式(1)，其中，d为流量管直管段的管道直径；v
ave
、k1、k2、a与b均为待定函数系数；r1、r2与r3则为不同函数段区间的边界位置点。
[0011][0012]
步骤1.2：所述管内速度分布模型为三段式速度分布模型，针对三段式速度分布模型，确定试验中的压力测量耙测点布置范围以及测点个数分别为：常数段(核心区)、线性段(过渡段)、对数段分别设置两个测点。所述常数段指0至0.39d～0.45d，线性段指0.39d～0.45d至0.4625d～0.465d，对数段指0.4625d～0.465d至0.5d。
[0013]
步骤二、针对步骤一中确定的测点布置范围以及测点个数进行编号，对任一流动状态下的管内压力分布进行测量，通过大气压以及温度测量装置测量试验环境下的大气压力与绝对温度。
[0014]
步骤2.1：针对步骤一中确定的测点布置范围设置测点，在距流量管入口型面段末端1.5d处的测量截面上安装总压测量装置，其中：核心区的总压测点编号i＝1、2，过渡段的总压测点编号i＝3、4，对数段的总压测点编号i＝5、6。
[0015]
步骤2.2：对任一流动状态下的管内压力分布进行测量，采集时间至少为1min，得到每个测点上的总压测量值：核心区测得两组数据为(r1,p1*)、(r2,p2*)，过渡段测得两组数据为(r3,p3*)、(r4,p4*)，对数段测得两组数据为(r5,p5*)、(r6,p6*)；同时，在测量截面上，通过静压测量装置得到该截面上的静压值p
t
。
[0016]
步骤2.3：通过大气压以及温度测量装置测量试验环境下的大气压力p0与绝对温度t。
[0017]
步骤三、对测得数据进行处理，得到试验条件下的空气密度、各测点总压平均值、测量截面上的静压平均值、各测点速度值。
[0018]
步骤3.1：计算得到试验条件下的空气密度：
[0019][0020]
其中，
[0021]
p0为大气压力，pa；
[0022]
n为空气的摩尔质量，28.965294g/mol；
[0023]
r为气体常数，8.3144621j/(mol
·
k)；
[0024]
t为绝对温度，k。
[0025]
步骤3.2：计算各测点总压平均值：
[0026][0027]
其中，
[0028]
为总压测点编号为i的总压平均值，pa；
[0029]
m为采集时间内测得总压数据的组数；
[0030]
n为采集时间内测得总压数据的组数编号，值为1～m的整数；
[0031]
为总压测点编号i处，第n组数据的总压测量值，pa。
[0032]
步骤3.3：计算测量截面上的静压平均值：
[0033][0034]
其中，
[0035]
p
t-ave
为静压平均值，pa；
[0036]
m’为采集时间内测得静压数据的组数；
[0037]
n’为采集时间内测得静压数据的组数编号，值为1～m’的整数；
[0038]
p
t-n'
为静压第n’组数据的测量值，pa。
[0039]
步骤3.4：计算得到各个测点处的速度值：
[0040][0041]
其中，vi是试验中测点编号为i处的速度值，m/s。
[0042]
步骤四、将步骤三处理后的各测点数据代入步骤一建立的管内速度分布模型，计算待定系数。
[0043]
步骤4.1：针对管内核心区常数段部分，速度分布模型为其中r1为核心区的边界，通过求核心区与过渡段速度分布模型的交点得到。
[0044]
步骤4.2：针对过渡线性段部分，将(r3,v3)与(r4,v4)两组数据带入速度分布模型v(r,θ)＝k1r k2,r∈[r1,r2)，求解出待定系数k1与k2的值，其中r2为对数段的边界，通过求线性过渡段与对数段速度分布模型的交点得到。
[0045]
步骤4.3：针对对数段部分，将(r5,v5)与(r6,v6)两组数据带入速度分布模型求解出待定系数a与b的值；根据对数函数性质，通过令拟合函数的速度值为0求得积分边界r3的位置坐标。
[0046]
步骤五、对步骤四得到的待定系数建立管内完整的速度分布模型，对管内完整速度分布模型进行积分计算，得到管内的空气流量，实现对航空发动机进气流量测量，提高流量测量精度和测量效率。
[0047]
步骤5.1：根据步骤四中计算得到的计算待定系数，管内完整速度分布模型化为式(6)：
[0048][0049]
步骤5.2：根据管内完整速度分布模型，通过式(7)积分得到管内的质量空气流量，即实现对航空发动机进气流量测量，提高流量测量精度和测量效率。
[0050][0051]
其中，b为积分区间，即管道上的测量截面。
[0052]
有益效果：
[0053]
1、本发明公开的基于钟形口流量管速度分布模型的流量测量方法，根据管内速度分布模型确定试验中测量截面上压力测量耙的布点范围，再对测量截面上进行少数点的数据测量，得到管内完整的速度分布模型，对得到的管内完整速度分布模型进行积分计算，得到管内的空气流量，实现对航空发动机进气流量测量，提高流量测量精度和测量效率。
[0054]
2、本发明公开的基于钟形口流量管速度分布模型的流量测量方法，通过大量试验和数据分析，将管内速度分布模型划分为常数段、线性段、对数段，针对速度分布模型的常数段(核心区)、线性段(过渡段)、对数段速度分布特点，分段选取用于标定管内速度分布模型的测量截面上压力测量耙的布点范围及布点数量，实现测点精准布设，并能够减少测点数量，在保证对航空发动机进气流量测量精度的前提下，提高流量测量精度和测量效率。
附图说明
[0055]
图1本发明公开的基于钟形口流量管速度分布模型的流量测量方法流程示意图；
[0056]
图2测量截面区域分割示意图；
[0057]
图3环形面积法测管内流量示意图。
具体实施方式
[0058]
下面结合实施例对本发明做进一步说明。
[0059]
实施例1：
[0060]
为了解决使用钟形口流量管准确测量空气流量时，测点较多的问题，这里将以管道直径d＝400mm，型面段为双扭线型面，双扭线极坐标公式ρ2＝r2cos 2θ中r取0.637d，翻边结构为40mm的钟形口流量管进行举例，对使用该款钟形口流量管进行现场空气流量测量过程进行说明。同时使用环形面积法，在相同流动状态下测得空气流量，对两个结果进行比对分析。
[0061]
如图1所示，本实施例公开的基于钟形口流量管速度分布模型的流量测量方法，具体实现步骤如下：
[0062]
步骤一、针对使用的钟形口流量管，建立管内速度分布模型，确定速度分布模型各段上的测点布置范围，即确定试验中压力差测量耙测点布置的范围以及测点个数。
[0063]
1、管内的速度分布模型如下式(8)，其中，v
ave
、k1、k2、a与b均为待定函数系数；r1、r2与r3则为不同函数段区间的边界位置点。
[0064][0065]
2、针对三段速度分布模型，确定试验中的压力测量耙上的测点布置范围以及测点个数分别为：常数段(核心区)布点范围为0～0.178m，设置2个测点位置为0.0688m与0.1562m；线性段(过渡段)布点范围为0.178m～0.185m，设置2个测点位置为0.1805m与
0.1845m；对数段布点范围为0.185m～0.2m，设置2个测点位置为0.1865m与0.1985m。
[0066]
步骤二、针对步骤一中确定的测点布置范围以及测点个数进行编号，对任一流动状态下的管内压力分布进行测量，通过大气压以及温度测量装置测量试验环境下的大气压力与绝对温度。
[0067]
1、针对步骤一中确定的测点布置范围设置测点，在距流量管入口段型面段末端1.5d(0.6m)处的测量截面上安装总压测量装置，其中：核心区的总压测点编号i＝1、2，过渡段的总压测点编号i＝3、4，对数段的总压测点编号i＝5、6。
[0068]
2、这里对主流速度50m/s左右的流动状态下的管内压力分布进行测量，采集时间为99s，采集频率为1hz，得到每个测点上的总压测量值：核心区测得两组数据为(r1,p1*)、(r2,p2*)，线性段测得两组数据为(r3,p3*)、(r4,p4*)，对数段测得两组数据为(r5,p5*)、(r6,p6*)；同时，在测量截面上，通过静压测量装置得到该截面上的静压值p
t
。
[0069]
3、通过大气压以及温度测量装置测量试验环境下的大气压力p0＝101150pa与绝对温度t＝284.5k。
[0070]
步骤三、对测得数据进行处理，得到试验条件下的空气密度、各测点总压平均值、测量截面上的静压平均值、各测点速度值。
[0071]
1、计算得到实验条件下的空气密度：
[0072][0073]
2、计算各测点总压平均值：
[0074][0075]
则计算得到的各测点平均总压如下表所示。
[0076]
总压测点编号i123456测点位置/m0.06880.15620.18050.18450.18650.1985平均总压/pa101166101154101102101075101054100605
[0077]
3、计算测量截面上的静压平均值：
[0078][0079]
4、计算得到各个测点处的速度值：
[0080][0081]
总压测点编号i123456测点位置/m0.06880.15620.18050.18450.18650.1985速度值/(m/s)46.946.745.845.345.036.0
[0082]
步骤四、将步骤三处理后的各测点数据代入步骤一建立的管内速度分布模型式(8)，计算待定系数；
[0083]
1、针对管内核心区常数段部分，速度分布模型为
[0084]
2、针对过渡线性段部分，将(r3,v3)与(r4,v4)两组数据带入速度分布模型v(r,θ)＝k1r k2,r∈[r1,r2)，求解出待定系数k1＝-125与k2＝68.3625。此时，可以解出r1＝0.1725m。
[0085]
3、针对对数段部分，将(r5,v5)与(r6,v6)两组数据带入速度分布模型求解出待定系数a＝4.0961与b＝62.6339。此时，可以解出r2＝0.1862m，r3＝0.19999977m。
[0086]
步骤五、对步骤四得到的待定系数建立管内完整的速度分布模型，对管内完整速度分布模型进行积分计算，得到管内的空气流量，实现对航空发动机进气流量测量，提高流量测量精度和测量效率。
[0087]
1、根据步骤四中的计算结果可知，速度分布式可化为下式：
[0088][0089]
2、通过下式计算得到管内的质量空气流量：
[0090][0091]
计算结果为qm＝7.152kg/s。
[0092]
与此同时，针对同一种流动状态，采用环形面积法进行空气流量的测量。这里将在管内布置14个测点，得到的计算结果为：q
m’＝7.120kg/s。以q
m’为标准流量，可以得到本发明的测量结果与标准流量值之间的相对误差是：0.44％。本发明使用6个测点，即可得到与标准流量的相对误差在0.5％以内的流量测量结果，解决现有航空发动机进气流量测量中测点布置较多以及人工、时间、工艺等成本较高的问题。
[0093]
以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。