旋转单斜丝热线测量叶轮机出口流场

　　1　前言

　　对于三维非定常速度场的测量一直是困扰工程技术人员的复杂问题之一,目前已发展了热线、动态压力传感器、LDA、PIV等多项技术。激光技术虽然对流场没有干扰,但是价格昂贵且存在粒子跟随性问题。采用热线测量技术有惯性小、频响宽、灵敏度高和使用方便等优点。用热线风速仪测量三维流场归纳起来有三丝头和通过转动进行测量的单丝探头或X探头。这两种方法都需采用锁相采样和平均技术,以便从所测得的信号中分解出周期性和随机分量。三丝探头可以测量流动的瞬间值,测量简便,时间短。三丝探头有三根热丝和六根支杆,每一个热丝都要分别校准方向感应,而且热丝之间的交叉作用影响结果的精确度,加上丝探头所占体积比较大,对流场的干扰大、维护费用较高。因此如果相对流动平稳的话,采用旋转单斜丝测量技术测量三维流场就有优势。单斜丝热线探头绕自身轴线在空间旋转若干角度,以代替空间分布的三根热丝。与三丝探针测量技术相比,单斜丝测量技术有效空间体积要小的多,而且空间分辨率高,测量技术简单。其主要缺点是进行三维流动测量的时间较长,且测量紊流的精度不高。用单斜丝旋转热线测量时,必须保证测量的流动是稳定的,因为测量的信号不是同时得到的,如果不稳定,就无法关联得到的信号结果。

　　本文结合热线测量的一般方法及周期性采样平均技术,推导出旋转单丝斜探头测量叶轮机出口周期性三维流场的方法,借助于Matlab的程序实现非线性L-M最小二乘法求解三维速度平均量,测量了叶轮机出口三维周期性非定常流场。

　　2　实验设备和测量系统

　　实验是在上海交通大学涡轮机实验室轴流风机实验台上进行的,如图1所示,试验叶轮为通用T35轴流风机,叶轮直径500mm,轮毂比0.35,转速1440r/min,叶片数为5,试验装置按照GB/T1236-2000(工业通风机用标准化风道进行性能试验标准)搭建。实验采用丹麦DANTEC公司的55P12型单斜丝探针,经Streamline热线单元,由Lightweigh位移旋转单元,UEI-WIN30/DS A/D板及PC机组成高速数据采集系统;采用红外探头和FG110放大表,为锁相平均采样技术提供触发信号。

　　3　旋转单斜丝探针测量三维速度场

　　3.1　测量方法

　　单斜丝技术测量三维速度场利用了热丝对于气流速度大小和方向的感受性。如图2所示,当气流不垂直于热丝时,单斜丝热线风速仪的输出电压取决于热丝所感受到的与流速大小和方向有关的有效冷却速度Ve。两者的关系可以由king公式有:

　　对于热线的有效冷却速度与气流速度的关系,本文参照文献[1]所示的方法由不同坐标系下的速度关系得到气流速度的大小和方向,图2所示为单斜丝探头坐标系和实验室固定坐标系的相对关系,在单斜丝探头坐标系的角度感应遵从Jorgensen方程: