3m×2m結(jié)冰風洞總壓探針和皮托管研制

祖孝勇，張 林，肖 斌，朱世民

3m×2m結(jié)冰風洞總壓探針和皮托管研制

祖孝勇1，＊，張 林1，肖 斌1，朱世民2

（1.中國空氣動力研究與發(fā)展中心，四川綿陽 621000；2.成都凱天電子股份有限公司，成都 610091）

針對國內(nèi)首座大型結(jié)冰風洞的調(diào)試和運行，設(shè)計了具有防除冰功能的總壓探針和皮托管。采用了新的制造工藝在內(nèi)腔狹小的管內(nèi)盤繞布置加熱器，并通過合理分配加熱器密度，解決了新工藝帶來的加熱器易受損和局部過熱問題；使用電源可調(diào)壓技術(shù)，在不同試驗狀態(tài)下調(diào)節(jié)加熱功率，避免整體過熱或防除冰能力不足。靜態(tài)測試、校準和風洞試驗數(shù)據(jù)表明，研制的總壓探針和皮托管可有效用于結(jié)冰風洞特殊環(huán)境。

結(jié)冰風洞；防除冰；總壓探針；皮托管；可靠性；絕緣性

0 引 言

3m×2m結(jié)冰風洞是中國空氣動力研究與發(fā)展中心設(shè)計建設(shè)的中國首座以結(jié)冰試驗為主、兼顧高空低雷諾數(shù)試驗的生產(chǎn)型風洞，是飛行器結(jié)冰試驗研究和防（除）冰技術(shù)驗證的重要基礎(chǔ)設(shè)施。結(jié)冰試驗條件下，風洞內(nèi)測試儀器的防（除）冰設(shè)計是一項關(guān)鍵技術(shù)。試驗過程中模型堵塞度的變化會引起試驗段風速的變化，需要對風速進行實時精確控制、采集，做為風洞重要測試設(shè)備的總壓探針和皮托管發(fā)揮著必不可少的重要作用［1－2］。目前，結(jié)冰風洞總壓探針和皮托管的研制及使用情況還未見國內(nèi)外有關(guān)文獻的公開報道。就所知的結(jié)冰引導風洞（試驗段橫截面尺寸很?。﹣碚f，因為和生產(chǎn)型風洞功能不同，在結(jié)冰條件下采用的是穩(wěn)風扇轉(zhuǎn)速的方式進行試驗，所使用的總壓探針不具備加熱功能。

結(jié)冰風洞中使用的總壓探針和皮托管不僅應滿足通常意義上的接觸測量型壓力傳感器具有的直徑小、精度高、強度好等特點［3］，還必須具備在所有結(jié)冰試驗狀態(tài)下都有足夠的防除冰能力［4］。因此在總壓探針和皮托管的設(shè)計與研制過程中，需要解決它們的可靠性和絕緣性問題。另外，如果試驗中加熱功率設(shè)置不當，過高的熱量積累在風速低、環(huán)境散熱較差的情況下可能會造成加熱器燒毀，因此，如何解決加熱功率的適配調(diào)節(jié)問題，也變得非常重要。

為滿足3m×2m結(jié)冰風洞的使用需要，研制了具有防除冰功能的總壓探針和皮托管，并進行了試驗驗證。

1 設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計

設(shè)備組成及原理如圖1所示。綜合考慮對流場的影響、設(shè)備強度及加熱器布置等因素，設(shè)計了總壓探針（外形如圖2所示），探頭外徑為Φ8mm，長度為100mm。皮托管外形如圖3所示，因為要同時引出總、靜壓導管，故探頭外徑設(shè)計為Φ10mm，長度150mm?？倝禾结樅推ね泄芫ㄟ^支臂將探頭伸出以遠離附面層影響區(qū)，安裝法蘭固定在風洞壁上使探頭斷面正對來流［5］?？倝禾结樦П圯^長，采用翼型支板增加強度。加熱部分材料為黃銅（H62－Y2），支撐部分材料為不銹鋼（0Cr18Ni9）。經(jīng)計算，最大應力產(chǎn)生于支臂和安裝法蘭連接處，其值為66.8MPa，遠小于0Cr18Ni9材料205MPa的條件屈服強度，滿足使用要求。

圖1 設(shè)備組成及原理Fig.1 Components and working principle

圖2 總壓探針外形Fig.2 Total pressure probe configuration

圖3 皮托管外形Fig.3 Pitot tube configuration

探頭前段通過隔板將內(nèi)部腔體隔開，前部空腔為總壓室，開有排水孔排除積水，并通過導管將總壓從內(nèi)部引出。后部腔體在尾部出口密封作為皮托管靜壓室，在靜壓室表面開有靜壓孔，并從密封處引出靜壓導管。加熱器呈螺旋狀焊接于總壓探針和皮托管內(nèi)壁上，使得總、靜壓孔影響區(qū)內(nèi)均不至于結(jié)冰［6］。

為確定靜壓孔合適的開孔位置，對皮托管在不同Ma（0.2、0.4、0.6）下進行了CFD氣動仿真［7］，以便均勻創(chuàng)建壓力數(shù)據(jù)采集點。計算了表面的壓力分布特征，仿真結(jié)果見圖4～6。由結(jié)果綜合分析可知，距管頭77～92mm壓力最穩(wěn)定，因此在距管頭80mm處表面沿周向設(shè)置6個靜壓孔。

圖4 表面壓力計算云圖（Ma＝0.4）Fig.4 Contours of the calculated surface pressure（Ma＝0.4）

圖5 仿真數(shù)據(jù)散點圖（Ma＝0.2）Fig.5 Calculated scatter plot（Ma＝0.2）

圖6 仿真數(shù)據(jù)散點圖（Ma＝0.6）Fig.6 Calculated scatter plot（Ma＝0.6）

2 技術(shù)難點及解決措施

（1）可靠性和絕緣性。現(xiàn)空速管生產(chǎn)最小外徑一般為Φ16mm，而總壓探針和皮托管外徑僅分別為Φ8和Φ10mm，壁厚1.2mm，內(nèi)腔直徑過小，空速管制造經(jīng)驗已無法借鑒。經(jīng)多次分析、試驗，確定了先布置加熱器，再彎制，最后高頻焊接的新技術(shù)工藝。同時還需注意：彎制時拐角段內(nèi)側(cè)加熱器受到擠壓，會導致加熱器密度加大，在局部可能會形成過高溫度，造成加熱器燒斷，可靠性降低；加熱器不銹鋼保護層容易受擠壓損壞，產(chǎn)生微小裂縫，導致潮氣侵入使得絕緣性能下降。

結(jié)合仿真結(jié)果，對比空速管結(jié)冰風洞試驗發(fā)現(xiàn)，處于迎風面的總壓進氣口和支臂處（圖4中紅色區(qū)域）最容易結(jié)冰。對皮托管內(nèi)加熱器進行布置，如圖7所示，保證了彎制時加熱器不受擠壓，從而解決拐角內(nèi)側(cè)的局部過熱和絕緣性問題?？倝禾结槦o靜壓孔，不需考慮支臂結(jié)冰影響，因此只在頭部80mm范圍內(nèi)布置加熱器。加熱器和電源導線焊接處采用玻璃燒結(jié)方式固定并密封處理，避免了和電源導線連接處的加熱器芯線在制造過程中斷裂，提高了設(shè)備生產(chǎn)合格率，同時防止水汽進入加熱器絕緣層使絕緣性受到影響。

（2）加熱功率的適配調(diào)節(jié)。風洞中溫度、模擬高度、風速和液態(tài)水含量等組合成不同的結(jié)冰試驗狀態(tài)。固定功率在某種試驗狀態(tài)下合適，但相對于其他狀態(tài)來說可能顯得過高或者過低，出現(xiàn)過熱或者防除冰效果不足的現(xiàn)象，需要進行調(diào)節(jié)達到合適功率。

圖7 皮托管加熱電纜布置示意圖Fig.7 Diagrammatic sketch of the heating cable twined around the pitot tube

考慮到空速管能滿足飛行時自然條件下的防除冰要求，皮托管采用空速管常用的加熱器，即正溫度系數(shù)的PTC鎧裝電阻式加熱器，其總長度為1800mm，主要特點是電阻值隨溫度升高而升高，發(fā)熱功率隨溫度升高而逐漸減小至穩(wěn)定功率300W?？倝禾结橆^部布置的加熱器長930mm，因此，其功率穩(wěn)定后約為930／1800×300≈155W。

為滿足所有試驗狀態(tài)下的防除冰要求，研制了0～115V可調(diào)電壓電源作為皮托管和總壓探針的供電電源。在每個結(jié)冰狀態(tài)首次試驗中，將電源電壓從0緩慢上調(diào)，觀察到測試的壓力數(shù)據(jù)穩(wěn)定后，此時即為該狀態(tài)所能除冰的最低電壓。這樣可以根據(jù)不同結(jié)冰試驗狀態(tài)調(diào)節(jié)電壓來調(diào)整加熱功率，使結(jié)冰和除冰速度達到動態(tài)平衡，既有較好的防除冰效果又能防止整體過熱。

3 防除冰能力分析

通過計算總壓探針、皮托管加熱部分各段表面功率密度，與已定型某型空速管［8］結(jié)冰風洞試驗結(jié)果進行防除冰性能對比。表面功率密度公式為：

式中：E為計算部分表面功率密度，l為計算部分加熱器長度，l0為加熱器總長，P為加熱器穩(wěn)定功率，S為計算部分表面積。在AC115V電壓下，計算結(jié)果見表1。

表1 與某型空速管防除冰性能對比表（AC 115V）Table 1 Comparison among pitot tubes

由表可見，在電壓、壁厚一致的情況下，總壓探針和皮托管的材料傳熱系數(shù)和加熱各段表面功率密度均高于參考空速管，防除冰能力可以滿足使用要求。

4 靜態(tài)測試及校準

為驗證可靠性，各選取一件成品進行測試，結(jié)果表明，在表面加熱溫度250℃的情況下至少可工作500h。經(jīng)檢測，所有設(shè)備絕緣電阻均為無窮大（測試電壓500V），滿足大于20MΩ的要求。同時進行了環(huán)境適應性測試、通氣性和氣密性測試［9］，均滿足要求。

馬赫數(shù)0.3以上的皮托管校準在亞聲速探針校準裝置中進行，其開口射流試驗段口徑為Ф80mm，采用中壓氣源驅(qū)動，馬赫數(shù)范圍為0.3～0.8，馬赫數(shù)控制精度ΔMa＜0.01，探針支撐裝置為五自由度機構(gòu)。低速范圍內(nèi)的校準在聲學引導風洞中進行，其開口射流試驗段截面為0.55m（寬）×0.4m（高），風速范圍8～100m／s，動力系統(tǒng)為一臺軸流式風扇。具體的校準系數(shù)ξ求解見文獻［10］。

在每個風速下，采用精度為0.05%的掃描閥連續(xù)采集7次，皮托管總壓誤差Δp0最大值為0.0034q，其中q為校準裝置氣流動壓；靜壓誤差Δps最大值為0.0009q。它們分別滿足國軍標GJB836－90中Δp0不大于±0.005q和Δps不大于±0.002q的精度要求。就校準系數(shù)的結(jié)果看，標準“L”型皮托管系數(shù)一般在0.99～1.01之間，而此次研制的皮托管系數(shù)略大，可能是小直徑布置加熱器導致制造難度增大而引起的制造誤差略大，經(jīng)過校準系數(shù)修正后，并不影響皮托管的使用。在風速大于20m／s后，皮托管校準系數(shù)變化不大，差值最大為0.007，而經(jīng)修正后，系數(shù)對其風速測量精度影響較?。?1］，為使用方便，取平均值作為校準結(jié)果，以滿足全速度范圍的使用要求。校準結(jié)果見表2。

表2 皮托管校準系數(shù)Table 2 Calibration coefficients of the pitot tube

5 風洞驗證

圖8給出了主試驗段溫度－25℃、濕度100%、風速105m／s試驗狀態(tài)下，穩(wěn)定段總壓探針測得的總壓、試驗段入口皮托管測得的靜壓和由此計算出的風速數(shù)據(jù)?？梢钥闯?，在結(jié)冰情況下，總壓探針和皮托管啟動加熱后，總、靜壓由結(jié)冰堵塞狀態(tài)下的靜止壓力變化至試驗壓力，規(guī)律合理，試驗過程中壓力數(shù)據(jù)穩(wěn)定。總壓探針和皮托管除冰功能正常。

圖8 主試驗段穩(wěn)定段總壓、試驗段入口靜壓和試驗段風速Fig.8 Flow characteristics measured with the total pressure probe and the pitot tube

圖9 給出了NACA 0012翼型在溫度－23℃、風速67m／s、液態(tài)水含量0.5g／m3、平均水滴直徑25μm、迎角3°典型試驗條件下的結(jié)冰試驗結(jié)果。

根據(jù)結(jié)冰試驗結(jié)果繪制了冰形，與國外多座結(jié)冰風洞試驗結(jié)果［12］對比一致性良好，重復性試驗結(jié)果好（如圖10所示）。說明結(jié)冰試驗狀態(tài)下，風速控制的精度和準度達到試驗要求，總壓探針和皮托管的應用是成功的。

圖9 NACA 0012翼型結(jié)冰風洞試驗結(jié)果Fig.9 Testing result of NACA 0012in 3m×2micing wind tunnel

圖10 結(jié)冰驗證性試驗結(jié)果與國外參考結(jié)果冰形對比Fig.10 Comparison of test results with foreign references

6 結(jié) 論

根據(jù)3m×2m結(jié)冰風洞的調(diào)試和運行要求，研制了總壓探針和皮托管，解決了可靠性、絕緣性和加熱功率的適配調(diào)節(jié)問題。從靜態(tài)測試和風洞調(diào)試結(jié)果看，防除冰功能正常，試驗結(jié)果合理，能夠滿足目前所有結(jié)冰條件下的使用需求。

由于總壓探針和皮托管直徑非常小，無法預埋熱電阻或熱電偶監(jiān)測加熱溫度。另外，在每個結(jié)冰狀態(tài)首次試驗時，均需手動調(diào)試出合適的電壓，使用不夠方便，以后將研究增加控制系統(tǒng)加以改進。

［1］Edward A，Haering Jr Airdata.Measurement and calibration［P］.NASA Technical Memorandum 104316，1995.

［2］王勛年.低速風洞試驗［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2002.

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［10］國家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局.JJG518－1998皮托管檢定規(guī)程［S］.北京：中國計量出版社，1998

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Study and development of total pressure probe and pitot tube in 3m×2micing wind tunnel

Zu Xiaoyong1，＊，Zhang Lin1，Xiao Bin1，Zhu Shimin2
（1.China Aerodynamics Reserch and Development Center，Mianyang Sichuan 621000，China；2.Chengdu Aero－Instrument Corporation，Chengdu 610091，China）

The total pressure probe and the pitot tube with the anti－icing／deicing functions are important measurement equipment in icing wind tunnels for which the aerodynamic design is critical.Taking a cue from some airspeed head’s manufacture，the total pressure probe and the pitot tube are designed，by using new techniques and deploying the proper heated cable distribution.They show reasonable results in the ground－based static testing，calibration and experiment in the icing wind tunnel with high reliability and insulating property according to China national military standard.

icing wind tunnel；anti－icing／deicing system；total pressure probe；pitot tube；reliability；insulating property

V211.752

：A

（編輯：李金勇）

1672－9897（2016）04－0076－05

10.11729／syltlx20160006

2016－01－08；

2016－06－28

＊通信作者E－mail：376745137＠qq.com

Zu X Y，Zhang L，Xiao B，et al.Study and development of total pressure probe and pitot tube in 3m×2micing wind tunnel.Journal of Experiments in Fluid Mechanics，2016，30（4）：76－80.祖孝勇，張 林，肖 斌，等.3m×2m結(jié)冰風洞總壓探針和皮托管研制.實驗流體力學，2016，30（4）：76－80.

祖孝勇（1974－），男，湖北當陽人，高級工程師。研究方向：試驗空氣動力學。通信地址：四川省綿陽市二環(huán)路南段6號18信箱（621000）。E－mail：376745137＠qq.com