祖孝勇，張 林，肖 斌，朱世民

3m×2m結(jié)冰風(fēng)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(dòng)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(duì)國內(nèi)首座大型結(jié)冰風(fēng)洞的調(diào)試和運(yùn)行，設(shè)計(jì)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(yàn)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(cè)試、校準(zhǔn)和風(fēng)洞試驗(yàn)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(fēng)洞特殊環(huán)境。

結(jié)冰風(fēng)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(fēng)洞是中國空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心設(shè)計(jì)建設(shè)的中國首座以結(jié)冰試驗(yàn)為主、兼顧高空低雷諾數(shù)試驗(yàn)的生產(chǎn)型風(fēng)洞，是飛行器結(jié)冰試驗(yàn)研究和防（除）冰技術(shù)驗(yàn)證的重要基礎(chǔ)設(shè)施。結(jié)冰試驗(yàn)條件下，風(fēng)洞內(nèi)測(cè)試儀器的防（除）冰設(shè)計(jì)是一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。試驗(yàn)過程中模型堵塞度的變化會(huì)引起試驗(yàn)段風(fēng)速的變化，需要對(duì)風(fēng)速進(jìn)行實(shí)時(shí)精確控制、采集，做為風(fēng)洞重要測(cè)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(fēng)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(xiàn)的公開報(bào)道。就所知的結(jié)冰引導(dǎo)風(fēng)洞（試驗(yàn)段橫截面尺寸很?。﹣碚f，因?yàn)楹蜕a(chǎn)型風(fēng)洞功能不同，在結(jié)冰條件下采用的是穩(wěn)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的方式進(jìn)行試驗(yàn)，所使用的總壓探針不具備加熱功能。

結(jié)冰風(fēng)洞中使用的總壓探針和皮托管不僅應(yīng)滿足通常意義上的接觸測(cè)量型壓力傳感器具有的直徑小、精度高、強(qiáng)度好等特點(diǎn)［3］，還必須具備在所有結(jié)冰試驗(yàn)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(jì)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(yàn)中加熱功率設(shè)置不當(dāng)，過高的熱量積累在風(fēng)速低、環(huán)境散熱較差的情況下可能會(huì)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(fēng)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(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。

1 設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

設(shè)備組成及原理如圖1所示。綜合考慮對(duì)流場(chǎng)的影響、設(shè)備強(qiáng)度及加熱器布置等因素，設(shè)計(jì)了總壓探針（外形如圖2所示），探頭外徑為Φ8mm，長(zhǎng)度為100mm。皮托管外形如圖3所示，因?yàn)橐瑫r(shí)引出總、靜壓導(dǎo)管，故探頭外徑設(shè)計(jì)為Φ10mm，長(zhǎng)度150mm?？倝禾结樅推ね泄芫ㄟ^支臂將探頭伸出以遠(yuǎn)離附面層影響區(qū)，安裝法蘭固定在風(fēng)洞壁上使探頭斷面正對(duì)來流［5］?？倝禾结樦П圯^長(zhǎng)，采用翼型支板增加強(qiáng)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(jì)算，最大應(yīng)力產(chǎn)生于支臂和安裝法蘭連接處，其值為66.8MPa，遠(yuǎn)小于0Cr18Ni9材料205MPa的條件屈服強(qiáng)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(dǎo)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(dǎo)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(duì)皮托管在不同Ma（0.2、0.4、0.6）下進(jìn)行了CFD氣動(dòng)仿真［7］，以便均勻創(chuàng)建壓力數(shù)據(jù)采集點(diǎn)。計(jì)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(gè)靜壓孔。

圖4 表面壓力計(jì)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(diǎn)圖（Ma＝0.2）Fig.5 Calculated scatter plot（Ma＝0.2）

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

2 技術(shù)難點(diǎn)及解決措施

（1）可靠性和絕緣性?，F(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(yàn)已無法借鑒。經(jīng)多次分析、試驗(yàn)，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(shí)還需注意：彎制時(shí)拐角段內(nèi)側(cè)加熱器受到擠壓，會(huì)導(dǎo)致加熱器密度加大，在局部可能會(huì)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(hù)層容易受擠壓損壞，產(chǎn)生微小裂縫，導(dǎo)致潮氣侵入使得絕緣性能下降。

結(jié)合仿真結(jié)果，對(duì)比空速管結(jié)冰風(fēng)洞試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，處于迎風(fēng)面的總壓進(jìn)氣口和支臂處（圖4中紅色區(qū)域）最容易結(jié)冰。對(duì)皮托管內(nèi)加熱器進(jìn)行布置，如圖7所示，保證了彎制時(shí)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(dǎo)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(dǎo)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(shí)防止水汽進(jìn)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(fēng)洞中溫度、模擬高度、風(fēng)速和液態(tài)水含量等組合成不同的結(jié)冰試驗(yàn)狀態(tài)。固定功率在某種試驗(yàn)狀態(tài)下合適，但相對(duì)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(jìn)行調(diào)節(jié)達(dá)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(shí)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(zhǎng)度為1800mm，主要特點(diǎn)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(zhǎng)930mm，因此，其功率穩(wěn)定后約為930／1800×300≈155W。

為滿足所有試驗(yàn)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(gè)結(jié)冰狀態(tài)首次試驗(yàn)中，將電源電壓從0緩慢上調(diào)，觀察到測(cè)試的壓力數(shù)據(jù)穩(wěn)定后，此時(shí)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(yàn)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(dá)到動(dòng)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(jì)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(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行防除冰性能對(duì)比。表面功率密度公式為：

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

表1 與某型空速管防除冰性能對(duì)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(cè)試及校準(zhǔn)

為驗(yàn)證可靠性，各選取一件成品進(jìn)行測(cè)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(cè)，所有設(shè)備絕緣電阻均為無窮大（測(cè)試電壓500V），滿足大于20MΩ的要求。同時(shí)進(jìn)行了環(huán)境適應(yīng)性測(cè)試、通氣性和氣密性測(cè)試［9］，均滿足要求。

馬赫數(shù)0.3以上的皮托管校準(zhǔn)在亞聲速探針校準(zhǔn)裝置中進(jìn)行，其開口射流試驗(yàn)段口徑為Ф80mm，采用中壓氣源驅(qū)動(dòng)，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(jī)構(gòu)。低速范圍內(nèi)的校準(zhǔn)在聲學(xué)引導(dǎo)風(fēng)洞中進(jìn)行，其開口射流試驗(yàn)段截面為0.55m（寬）×0.4m（高），風(fēng)速范圍8～100m／s，動(dòng)力系統(tǒng)為一臺(tái)軸流式風(fēng)扇。具體的校準(zhǔn)系數(shù)ξ求解見文獻(xiàn)［10］。

在每個(gè)風(fēng)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(zhǔn)裝置氣流動(dòng)壓；靜壓誤差Δps最大值為0.0009q。它們分別滿足國軍標(biāo)GJB836－90中Δp0不大于±0.005q和Δps不大于±0.002q的精度要求。就校準(zhǔn)系數(shù)的結(jié)果看，標(biāo)準(zhǔn)“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(dǎo)致制造難度增大而引起的制造誤差略大，經(jīng)過校準(zhǔn)系數(shù)修正后，并不影響皮托管的使用。在風(fēng)速大于20m／s后，皮托管校準(zhǔn)系數(shù)變化不大，差值最大為0.007，而經(jīng)修正后，系數(shù)對(duì)其風(fēng)速測(cè)量精度影響較小［11］，為使用方便，取平均值作為校準(zhǔn)結(jié)果，以滿足全速度范圍的使用要求。校準(zhǔn)結(jié)果見表2。

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

5 風(fēng)洞驗(yàn)證

圖8給出了主試驗(yàn)段溫度－25℃、濕度100%、風(fēng)速105m／s試驗(yàn)狀態(tài)下，穩(wěn)定段總壓探針測(cè)得的總壓、試驗(yàn)段入口皮托管測(cè)得的靜壓和由此計(jì)算出的風(fēng)速數(shù)據(jù)?？梢钥闯觯诮Y(jié)冰情況下，總壓探針和皮托管啟動(dòng)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(yàn)壓力，規(guī)律合理，試驗(yàn)過程中壓力數(shù)據(jù)穩(wěn)定?？倝禾结樅推ね泄艹δ苷?。

圖8 主試驗(yàn)段穩(wěn)定段總壓、試驗(yàn)段入口靜壓和試驗(yàn)段風(fēng)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(fēng)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(yàn)條件下的結(jié)冰試驗(yàn)結(jié)果。

根據(jù)結(jié)冰試驗(yàn)結(jié)果繪制了冰形，與國外多座結(jié)冰風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果［12］對(duì)比一致性良好，重復(fù)性試驗(yàn)結(jié)果好（如圖10所示）。說明結(jié)冰試驗(yàn)狀態(tài)下，風(fēng)速控制的精度和準(zhǔn)度達(dá)到試驗(yàn)要求，總壓探針和皮托管的應(yīng)用是成功的。

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

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

6 結(jié) 論

根據(jù)3m×2m結(jié)冰風(fēng)洞的調(diào)試和運(yùn)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(cè)試和風(fēng)洞調(diào)試結(jié)果看，防除冰功能正常，試驗(yàn)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(yù)埋熱電阻或熱電偶監(jiān)測(cè)加熱溫度。另外，在每個(gè)結(jié)冰狀態(tài)首次試驗(yàn)時(shí)，均需手動(dòng)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(jìn)。

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

［2］王勛年.低速風(fēng)洞試驗(yàn)［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2002.

［3］孫志強(qiáng)，周孑民，張宏建，等.皮托管測(cè)量影響因素分析Ⅱ：全壓孔與靜壓孔的影響［J］.傳感器技術(shù)學(xué)報(bào)，2007，20（4）：941－944.

Sun Z Q，Zhou J M，Zhang H J，et al.On the influence factors in a pitot tube measurement II：influence of total and static ports［J］.Chinese Journal of Sensors and Actuators，2007，20（4）：941－944.

［4］Jost M，Schwegmann F，Kohler T.Flush air data system an advanced air data system for the aerospace industry［C］.AIAA Guidance，Navigation，and control Conference and Exhibit.AIAA 2004－5028.

［5］孫志強(qiáng)，周孑民，張宏建，等.皮托管測(cè)量影響因素分析I.檢測(cè)桿與安裝角的影響［J］.傳感器技術(shù)學(xué)報(bào)，2007，20（3）：690－693.Sun Z Q，Zhou J M，Zhang H J，et al.On the influencing factors in a pitot tube measurement I.influence of air horn and mounting angle［J］.Chinese Journal of Sensors and Actuators，2007，20（3）：690－693.

［6］國防科學(xué)技術(shù)工業(yè)委員會(huì).GJB1623－93總、靜壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)和安裝通用規(guī)范［S］.北京：中國航空綜合技術(shù)研究所，1993.

［7］鄭劉，陳志敏.飛機(jī)機(jī)頭氣動(dòng)補(bǔ)償空速管的設(shè)計(jì)［J］.航空學(xué)報(bào)，2011，32（7）：1189－1194.Zheng L，Chen Z M.Design of an aircraft nose aerodynamic compen pitot－static tube［J］.Acta Aeronautica et Astronautica Sinica，2011，32（7）：1189－1194.

［8］鄭莉.某型空速管冰風(fēng)洞試驗(yàn)報(bào)告［R］.武漢航空儀表公司，2013.Zheng L.Experimental report of some airspeed head in the icing wind tunnel［R］.Wuhan Aviation Instrument Co.Ltd.，2013.

［9］國防科學(xué)技術(shù)工業(yè)委員會(huì).GJB836－90補(bǔ)償式總、靜壓受感器通用規(guī)范［S］.北京：中國航空綜合技術(shù)研究所，1990.

［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(jì)量出版社，1998

［11］王敏，魏根寶，馬錦國，等.二等皮托管測(cè)風(fēng)誤差分析及偏差模擬計(jì)算［J］.氣象科技，2013，41（5）：843－846 Wang M，Wei G B，Ma J G，et al.Measurement error analysis and deviation simulation of second－class pitot tube［J］.Meteorological Science and Technology，2013，41（5）：843－846.

［12］Icing wind tunnel interfacility comparison tests［R］.SAE Aerospace Information Report：AIR5666，2012.

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(fēng)洞總壓探針和皮托管研制.實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)，2016，30（4）：76－80.

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