靠背式测速探头感受特性的数值模拟研究

　　一、引言

　　在进行叶栅吹风试验、压气机或涡轮部件试验、燃烧室回流区试验研究时，不但要测出气流速度的大小，而且还要测出气流的方向。为了测准气流的方向，则要求感受器对气流方向的变化特别敏感，这与总、静压感受器的要求正好相反。

　　为了用一个感受器同时测出气流的速度(总压与静压)及气流的方向，可以根据气流绕圆柱体时的压力分布情况，设计圆柱形三孔测压探针以测二元气流的速度与方向;设计球形五孔测压探针以测三元气流的速度与方向。关于圆柱体三孔探针和球形五孔探针测压孔位置的设计与测量的方法在文献〔’〕有详细的论述，但是对于测量微小区域流场分布，以上两种感受器的体积实在是太大了。针对以上感受器的缺点，本文设计出一种新型靠背式测速探头，并通过数值的手段模拟了靠背式测速探头的不同切向角对气流流向的感受特性。

　　二、计算方法

　　计算几何模型如图l所示(限于篇幅，图1中未画出气流通道)。靠背式测速探头结构如图l所示:针状感测头由两根相同的金属管背向背连接在一起构成，端部的迎压孔、背压孔背向对称分布。计算中迎压孔和背压孔的内孔直径定R=1.5~，高h=50~。迎压引出管、背压引出管作用为引出迎压孔和背压孔各自的压力。如图1所示的三个靠背式测速探头，其不同之处在于:迎压孔切面与中心截面的切向角分别为6二150、300和450。

　　为了测试不同切向角的靠背式测速探头对气流流向的感受特性，本文利用数值的手段增加气流通道的方法为靠背式测速探头提供同一速度的气流来流。

　　为了消除人为设置的边界条件对流场和传热的影响，用于计算的几何模型在x和y坐标方向都取到了足够的长度。所有的模型均采用非结构化的网格，在流场参数变化比较显著的区域如靠背式测速探头的迎压孔处和背压孔附近区实施了网格局部加密。

　　本文利用商业软件月丈甩NT对靠背式测速探头进行数值模拟，故必须进行网格独立性的验证，本文网格独立性验证方法参照文献[2]。

　　本文中气流通道的进口给定人口速度。Re，0】ds数定义为Re二uD/，，其中“为空气进口速度，。为空气的运动粘度，D为空气气流通道的直径(本文中为定值:刀=40~)，计算中靠背式测速探头选用铝合金材料其密度p为:2719k岁衬，空气密度为1.2k岁衬(温度为20度时)，空气气流Re数的变化范围从2.5xl护变化到70xl护。因为计算区域出口边界离所研究的靠背式测速探头的端部区域足够远，故可定义为单向性的边界条件。

　　计算中采用三维稳态湍流常物性强制对流模型，采用标准k一:两方程模型，壁面用壁面函数法进行处理，忽略粘性耗散的影响。在网格生成方面，采用GAMB仃网格自动生成功能，生成非结构化的四面体网格。在直角坐标系下建立如下控制方程通用的通用形式: