探针系统反应特性与参数选择研究

　　1　引　　言

　　多孔探针测量流场针头移至新测点时,头部感应部位针孔压力变化。由于连接管、测压管(见图1(a))弹性及水柱高度变化,部分水体流入或流出针孔,而连接管特别是针杆内的针管直径很小(0.4～1.0mm),测量空气场压力传递反应较快,而测量水流场时流动阻力很大,系统反应缓慢,测量压力需要较长时间才能趋于与测点针孔实际压力一致。流场测量需要测定数十点至数百点的流动参数,需花费大量时间。若测量压力反应或稳定不充分就读数或采样,则会造成较大的测量误差。本文将对三种探针系统测定水流场和空气场的反应特性进行全面研究分析并给出合理的系统参数。

　　2　三种探针测试系统

　　按针孔压力测量方法,探针测试系统分为三类。

        系统一,采用连接管将测压管与探针尾部针管相连,测量针孔压力。连接管一般采用透明塑料管,以便观察存气及排气。由于水银差压计误差较大,一般采用水柱测压管。测量水流场时,只需将连接管延长作为测压管,根据所测压力确定测压板高度,将管内水面控制在观测范围内,如图1(a);测量气流场时,用“U”型水柱差压管,如图1(b)。

　　系统二,将外接的连接管与压力传感器[1]连接测量压力,压力值可读取或计算机采样。

　　系统三,将微型压力传感器在探针杆内部[2]或尾部[3]直接与针管连接,设备费用高。

　　3　针孔压力反应时间计算

　　3.1　测定水流场反应时间

　　如图1(a)系统一,针头移至新测点针孔压力增大hm,系统针管、连接管、测压管长度、内径、壁厚及材料拉压弹性模量分别为li、di、δi、Ei(i=1,2,3),其中测压管内水柱高度:

　　设水体容重为γ,求得第i管段任意截面水体流速为:

　　针孔与测压管液面的能量方程为(管内流速很小,局部水头损失和流速水头不计):

　　式中:μ为水动力粘滞系数。将式(4)右边展开,将式(1)代入整理得:

　　将式(5)积分,并将h(0)=0代入得测压管液面升高h(t)所需时间为:

　　用类似方法推导出系统二(连接管与压力传感器连接)传感器压力升高h(t)所需时间为:

　　系统三(压力传感器直接与针管连接)传感器压力升高h(t)所需时间为:

　　3.2　测定空气流场反应时间

　　如图1(b),针头移至新测点压力增加pm,此时连接管一侧半支差压管上部空气柱高为ha3,t时刻差压管内压力增大p(t),则连接管一侧空气柱高度增加(差压管内水面下降)值为:

　　式中:ρa为空气密度;λai为第i段管空气沿程阻力系数;λ4为差压管水体沿程阻力系数,λai、λ4按层流计算;uw为差压管内水体流速,即为差压管内水面下降速度,由式(11)或式(9)得: