压力扫描阀：大梯度低速流场中多孔探针测量误差修正方法研究

多孔探针作为一种流场参数测量设备，能够测量测点处的速度大小、方向、总压和静压等参数，在水利工程、航空航天等领域应用广泛，其测量结果较为准确和稳定，在多数使用工况下均可获得满意结果。

与其他流场测试技术相比，多孔探针的最大优势在于能够获得测点处的压力信息。然而，多孔探针的测量原理限制了其在梯度流场中的应用，梯度的存在会导致探针测量产生较大的误差。

针对该误差的解决方法，一般有2种。一是采用更小直径的探针，减小梯度影响，将测量误差降至可以接受的范围。二是根据误差的产生原因，建立误差与流动因素的数学关系，利用这一关系对误差进行修正。

五孔探针基于伯努利方程和势流理论，通过测量探针头部各孔处压力，对绕流驻点位置与滞止压力进行预测，从而获取待测流场某空间点处的气流 角、速度大小、总压和静压。

为验证误差修正方法的可靠性，利用校准风洞构建梯度流场，在该流场中进行探针测量，验证误差修正方法的可靠性。

校准风洞通过稳定段和喷管产生均匀已知射流，并可模拟速度梯度

探针校准和修正方法验证的实验系统图如上，以离心风机为气源，空气被压缩后经供气管道进入校准风洞，在校准风洞出口喷入大气，形成自由淹没射流，射流总压可在稳定段测得，静压为淹没环境压力，即大气压。

校准风洞由小角度扩张段、稳定 段和喷管等部分组成。稳定段内装有孔板、蜂窝板及密网，待气流变得稳定、均匀且达到低速条件后， 在此测量总压和总温；气流再经由具有特殊曲面设计的喷管喷出，从而提供均匀、稳定、低湍流度的已 知射流。通过在喷管出口加装多孔板，可以在喷管 出口形成带速度梯度的射流。

多孔板样式如上图所示，2个多孔板可分别产生水平方向（y 方向）和竖直方向（z 方向）的速度梯度。喷管外装有5自由度坐标架，可实现探针3个维度的直线移动和2个方向 的转动，保证探针位于射流核心区或特定梯度区，并固定气流角。 

实验选择的探针为锥形探针，支杆为蛇形结构，整体为圆柱状，可通过夹具固定在三维坐标架上，引压管从支杆内部引出。五孔探针结构参数如图所示，其中头部感压孔直径为0.5mm，两侧 感压孔间距为1.5mm。 

在验证实验中，校准风洞采用直径75mm的喷管，在喷管外加装多孔板生成梯度流场，通过监测稳定段总压一致，保证喷管出口流动的稳定；采用电子压力扫描阀同时测量五孔探针各孔的压力。以喷管中心为原点，周围30 mm区域为测量区域，测点间距为2mm。

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验证实验前，首先保持校准风洞出口畅通，确保出口外形成流动参数均匀的射流核心区，选用不可压缩流动风速（45 m/s）在核心区内进行探针校准，获取探针的基础特性数据。之后在风洞出口加装多孔板，通过不同开孔布置的多孔板，形成风洞出口下游不同速度梯度的流场，完成 c(β) 、c(α) 的校准。带速度梯度流场的最大速度与 校准风速相同，均为45m/s。每种开孔设有2种孔排布置方向，分别用于形成探针偏航和俯仰方向的速度梯度。带速度梯度的流场由热线风速仪测量其具体参数，以避免速度梯度对测量的影响。该流场可控且参数已知，选择其中一组作为验证流场。

针对五孔探针在大梯度流场中的测量结果修正问题，本文分析了气流角、速度梯度等因素对角度与速度测量的影响，提出了相应的测量误差修正方法，并通过实验验证了该方法的有效性。主要结论如下：

01）在梯度流场中，角度测量误差同时受气流角和无量纲速度梯度 k 的影响；在速度梯度较大的区域，来流角的影响更为显著，而较大的气流角也会增强无量纲速度梯度对测量结果的影响。

02）速度测量误差虽受气流角与速度梯度的共同作用，但其影响程度远小于对角度测量的影响。在常见梯度范围内（Δv/v = −0.3～0.3），速度测量误差较小，通常可忽略。

03）本文所提出的修正方法综合考虑了气流角和无量纲速度梯度的影响，能够有效减小梯度流场中气流角的测量误差。