单丝热线速度和方向特性的校准方法

　　热线测量技术由于具有惯性小、频率响应范围宽、灵敏度高和使用方便等特点,因此,近年来热线风速仪在紊流场测量中的应用愈来愈广泛.热线测量的准确性在很大程度上取决于它校准的准确性.热线校准分为动态校准和静态校准两种.动态校准是为了使热线风速仪工作在测量精度所允许的最宽、最适当的频率响应范围,对热线风速仪系统的频率进行最佳化调节.静态校准则是确定热线风速仪输出电压与气流速度之间的关系,从而获得每个具体热线探针的真实响应关系.静态校准通常又分为两部分,即速度校准和方向特性的校准.笔者对单丝热线应用于三维紊流场测量时速度和方向特性的校准方法进行了研究,并对一离心式压缩机无叶扩压器内的流场进行了测量,结果表明该方法是可靠的.

　　1　速度校准

　　热线校准方程建立了热线输出电压E和气流速度v之间的关系,校准方程的形式较多[1],最常见的是King公式[2].

　　系数A,B和指数n由热线校准确定.校准时将热丝垂直于校准气流,通过改变气流速度,便可得到一组不同速度值及所对应的热线输出电压(Ei,vi).为了获得足够的精度,校准时在所选择的速度范围内,取i=10～20个校准点.以标准偏差Ev最小为评判原则:

式中vci校准后的计算值

　　vi校准时的测量值

　　N校准测量点个数

　　通常的校准方法是校准气流方向垂直于热丝并与热线探杆轴线相平行,即热线顺流安置.然而,在实际流场测量时,由于流道结构条件的限制,热线不能顺流安置,只能横流安置,如图1所示.热线探针在流场中安置方向不同,即使在同一气速下两者的热线响应也是不一样的.以型号为1210-T1.5的热线为例,在TSI公司生产的1125型热线校准器上进行校准.校准结果如表1.从表1可以看出,在同一流速下,热线的输出电压是不同的.因此,在进行速度校准时,应根据热线在流场中是顺流还是横流安置而进行不同的校准.

　　2　方向特性的校准

　　利用单丝热线进行三维紊流场的测量一般都需要通过转动热线探针来获得空间各方向的气流信息.这样热丝与来流形成一定的角度,速度方向不垂直于热丝,此时,仅需考虑垂直热丝的有效冷却速度.对有限长的热线,实践表明,终端的热损耗对来流方向极为敏感.考虑来流倾角的影响及热线探杆、热线叉杆的影响,在三维空间工作的热线,Jorgensen提出了计算有效冷却速度ve的计算公式[3]:

式中vN位于热线坐标N-T平面并垂直于热丝的分速度

　　vT平行热丝的速度

　　vB垂直N-T平面的速度

　　如图2所示,k和h分别为偏航系数和俯仰系数,统称为方向敏感系数.它们由热丝长度、直径、气流的偏航角A和俯仰角B来确定.根据有效冷却速度的概念,King公式又可以写为