本发明属于气流场测试领域，更具体地，涉及一种七孔探针气流场风速风向测量方法及装置。
背景技术：
多孔探针测量速度场的方式，根据孔的数目不同，又分为三孔、五孔。并且随着加工工艺的进步，探针直径也越来越小，目前七孔探针孔直径达到4mm，后续发展直径将到达2mm。
七孔探针是头部具有七个压力测量孔的一种方向探针，图1展示的为七孔探针的实物图，其中，图1中(a)为七孔探针实物图，(b)为探针输出孔示意图，(c)为从迎风面观察的七孔位置关系。如图1所示，探针在头部共7个测压孔，分别定义为1～7号孔，其中，中心孔定义为7号测压孔。使用时，根据探针头部7个测压孔的压力值，可以进行精确计算获得来流的风速、风向的信息。
但是由于七孔探针压力方向孔的孔数多，其测量范围逐渐增加，但是其校准和测量原理也变得十分复杂。
技术实现要素：
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提出了一种七孔探针气流场风速风向测量方法及装置，由此解决由于七孔探针压力方向孔的孔数多，导致的测量范围逐渐增加，进而使得校准和测量原理也变得十分复杂的技术问题。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种七孔探针气流场风速风向测量方法，包括：
获取七孔探针输出的七个孔的瞬时压力值；
确认气流场来流对应的七孔探针的分区，根据各孔的瞬时压力值及所述分区对应的校准系数得到俯仰角、方位角及和风速相关的总压系数和静压系数；
由所述俯仰角和所述方位角得到风向角，由所述风速相关的总压系数和静压系数得到气流场的风速。
优选地，由pj＝max{p1、p2、p3、p4、p5、p6、p7}确认气流场来流对应的七孔探针的分区，其中，p1表示第一个孔的瞬时压力值，p2表示第二个孔的瞬时压力值，p3表示第三个孔的瞬时压力值，p4表示第四个孔的瞬时压力值，p5表示第五个孔的瞬时压力值，p6表示第六个孔的瞬时压力值，p7表示第七个孔的瞬时压力值，j＝1或2或3或4或5或6或7。
优选地，若j＝1，则迎风区在第一分区，由
优选地，若j＝2，则迎风区在第二分区，由
优选地，若j＝3，则迎风区在第三分区，由
优选地，若j＝4，则迎风区在第四分区，由
优选地，若j＝5，则迎风区在第五分区，由
优选地，若j＝6，则迎风区在第六分区，由
优选地，若j＝7，则迎风区在第七分区，由
优选地，所述气孔探针为4mm气孔探针。
按照本发明的另一个方面，提供了一种七孔探针气流场风速风向测量装置，包括：
传感器模块，用于将气孔探针的七个孔的瞬时压力值转换为对应的七个直流电压信号；
压力信号采集模块，用于将各所述直流电压信号转换为对应的七个数字信号，其中，每个数字信号对应一个孔的瞬时压力值；
数据处理模块，用于确认气流场来流对应的七孔探针的分区，根据各孔的瞬时压力值及所述分区对应的校准系数得到俯仰角、方位角及和风速相关的总压系数和静压系数；由所述俯仰角和所述方位角得到风向角，由所述风速相关的总压系数和静压系数得到气流场的风速。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
气流场测试技术经过了多年的发展，产生了多种可用于流场测试的技术，然而综合比较而言，工程应用最为广泛的依然是七孔探针。4mm七孔探针是一种高性能的流场测试仪器，可以得到流场中三维速度及压力信息，最大可测流动角可达80°，为复杂气流场的测量提供了有力的实验手段。通过测量七个孔的压力值，能够精确地确定空间三维气流场的速度大小和方向、总压、静压等参数。与热线风速仪、激光多普勒测速仪相比，4mm七孔探针测量风速风向具有设备费用低、使用方便、不易损坏、精度高等优点，测量方法科学，可提高测量效率和测量结果可靠性，可用于高效快速准确测量气流场风速风向，规范测量流程，提高工作效率，减小不确定度影响因数。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种七孔探针模型示意图，其中，(a)为七孔探针实物图，(b)为探针输出孔示意图，(c)为从迎风面观察的七孔位置关系；
图2是本发明实施例提供的一种小流动角(内区)与大流动角(外区)分区图；
图3是本发明实施例提供的一种小流动角(内区)与大流动角(外区)流动特性示意图，其中，(a)为小流动迎角，(b)为大流动迎角；
图4是本发明实施例提供的一种七孔探针气流场风速风向测量方法流程示意图；
图5是本发明实施例提供的一种七孔探针气流场风速风向测量装置的结构示意图。
图6是本发明实施例提供的一种七孔探针在坐标系中α、β、θ、
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
在本发明实例中，“第一”、“第二”、“第三”等是用于区别不同的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。
尽管流体流场测量已步入复杂而昂贵的光、电设备测量时代，例如激光多普勒测速仪(laserdopplervelocimetry，ldv)，粒子图像测速仪(particleimagevelocimetry，piv)、热线风速仪(hotwireanemometer，hwa)等，但在某些测量场合下，特别是测量平均速度，多孔压力探头仍是主要选择之一。在三维测量情况下，一个经过仔细设计、精良制造、严格校准的七孔探针，其测速精度可超过三维热线，在可以忽略接触式测量对流场的干扰的场合(例如外场实物全尺寸测量)，往往优先考虑简单实用的七孔探针，来测量速度压力，而不选用调试操作复杂的三维激光测速仪。
七孔探针可以得到流场中三维速度及压力信息。其主要应用有：
1)钝体尾迹复杂流动测量；
2)前体涡、边条涡、大后掠角机翼的前缘涡；翼尖涡、后体涡的定量测量；
3)进气道内流测量、叶栅流场测量；
4)风洞流场品质校测。
在钝体尾流场的测量中，由于流动的复杂性，气流有较大的偏角。尽管五孔探针、三维热线也可以测量尾流场局部点的三维速度分量，但都不能测量大于45°流动角的气流(气流相对于探头体轴线)，特别是三维旋涡复杂流动时，局部气流偏角往往超过45°。因此采用五孔探针、三维热线进行测量时误差很大，并且这种误差由于无法甄别是否为系统误差而无法进行修正。而七孔探针可测量气流偏角为78°的大偏角流动，测试精度为1％，并且可以得到空间流场某点的总压、静压。为提高测量效率，利用多根七孔探头制成耙，可以同时测量空间多个点的气动参数。而利用数控坐标架也可以提高测量效率。
七孔探针能够实现大角度的测量与其构造和测量原理是分不开的。七孔探针头部的7个测压孔将测量区域划分为7个区域，如图2所示。同时，定义中心孔所在的为内区，边孔所在的区域为外区。其中，第七孔所在的流动空间成为内区，其它六个区成为外区，每个区各占60°的扇形空间。关于探针的孔位定义如图1所示，其中，图1中的孔顺序及标号还可以按照其它方式进行标号，图1中的孔标号方式不应理解为对本发明的唯一性限定，相应的，图2中的分区号也不应理解为对本发明的唯一性限定。
内区与外区的定义与气流绕探针头部的流动状态密切相关，如图3所示，其中，(a)为小流动迎角，(b)为大流动迎角。
当气流在与探针体轴呈小角度范围(不大于24°)时，探针头部七个测压孔对气流角度的测量均有贡献，因此，对于这种小角度流动，定义为内区流动；在较大角度绕流(大于24°)时，气流在探针头部出现流动分离现象，仅有迎风面的压力孔对角度测量有贡献，因此，定义边孔所在的区域为大角度外区流动。
七孔探针对于角度的测量依赖于由探针头部所得压力数据，压力数据处理后的无量纲参数即敏感系数，与气流角度有对应的函数关系，与探针内区与外区的流动特性有关。
其中，七孔探针压力校准系数矩阵通过实验室校准得到，在利用七孔探针测量风速风向时，测量过程步骤和校准系数矩阵数据利用是准确测量气流场风速风向的关键和难点，在本发明实施例中，优选通过4mm七孔探针测量气流场的压力值，利用自适应算法准确得到气流场的风速风向大小。
如图4所示是本发明实施例提供的一种七孔探针气流场风速风向测量方法流程示意图，具体包括以下步骤：
s1：获取七孔探针输出的七个孔的瞬时压力值；
s2：确认气流场来流对应的七孔探针的分区，根据各孔的瞬时压力值及所述分区对应的校准系数得到俯仰角、方位角及和风速相关的总压系数和静压系数；
s3：由俯仰角和方位角得到风向角，由风速相关的总压系数和静压系数得到气流场的风速。
以下对各步骤的具体实施方式进行详细说明：
1)七孔探针测试原理是通过测量七个孔的压力值，利用校准系数矩阵和特定测量模型解算出流场方向、总压和静压，最后利用总压和静压求解流场速度。
2)测量采集
将4mm七孔探针安装在支架上，调整位置，测量未知的气流场，七孔探针输出七个瞬时压力值(p1、p2、p3、p4、p5、p6、p7)至7个相应的压力传感器，压力传感器输出相应电信号至压力信号采集模块和数据处理模块。
3)按自适应算法进行综合计算：
数据处理模块进行综合数据处理，根据自适应算法确认气流场来流对应的七孔探针的分区并提取校准系数计算矩阵对应系数，通过分区按特定的测量模型计算风速、风向；
自适应算法如公式(1)所示，确认气流场来流对应的七孔探针的分区：
pj＝max{p1、p2、p3、p4、p5、p6、p7}(1)
其中，j＝1或2或3或4或5或6或7。
符号说明：
如图6所示为七孔探针在坐标系中α、β、θ、
定义：
若j＝1，说明迎风区在1区：
利用p1、p2、p6、p7(此时压力孔3、4、5在背风区，不予采用)的压力数据带入公式(4)，即可计算此时的cθ1、
由于此时风向在1区，所以此时使用1区的校准系数
将θ1和
由公式(5)、(6)、(7)即可计算出来流风速v，其中，ρ表示空气密度，
未知气流场的风速v和风向角α和β即可准确记录显示。
若j＝2，说明迎风区在2区：
利用p1、p2、p3、p7的压力数据带入公式(8)，即可计算此时的cθ2、
由于此时迎风区是2区，所以此时使用2区的校准系数
将θ2和
将p∝l、pol代入公式(7)即可计算出来流风速v。
未知气流场风速v和风向角α和β即可准确记录显示。
若j＝3，说明迎风区是3区：
利用p2、p3、p4、p7的压力数据带入公式(11)，即可计算此时的cθ3、
由于此时迎风区是3区，所以此时使用3区的校准系数
将θ3和
将p∝l、pol代入公式(7)即可计算出来流风速v。
未知气流场风速v和风向角α和β即可准确记录显示。
若j＝4，说明迎风区是4区：
利用p3、p4、p5、p7的压力数据带入公式(14)，即可计算此时的cθ4、
由于此时迎风区是4区，所以此时使用4区的校准系数
将θ4和
将p∝l、pol代入公式(7)即可计算出来流风速。
未知气流场风速v和风向角α和β即可准确记录显示。
若j＝5，说明迎风区是5区：
利用p4、p5、p6、p7的压力数据带入公式(17)，即可计算此时的cθ5、
由于此时迎风区是5区，所以此时使用5区的校准系数
将θ5和
将p∝l、pol代入公式(7)即可计算出来流风速v。
未知气流场风速v和风向角α和β即可准确记录显示。
若j＝6，说明迎风区是6区：
利用p1、p5、p6、p7的压力数据带入公式(20)，即可计算此时的cθ6、
由于此时迎风区是6区，此时使用6区的校准系数
将θ6和
将p∝l、pol代入公式(7)即可计算出来流风速v。
未知气流场风速v和风向角α和β即可准确记录显示。
若j＝7，说明迎风区是7区：
利用p1～p7的压力数据带入公式(23)、(24)，即可计算此时的cα7、cβ7；
其中，p1、p2、p3、p4、p5、p6、p7分别表示第1区至第7区的压力值，
由于此时迎风区是7区，此时使用7区的校准系数[kα]15×1、[kβ]15×1、
θ7＝[c7][kα]15×1，
由此，可得到θ7和
将θ7和
将p∝l、pol代入公式(7)即可计算出来流风速v。
未知气流场风速v和风向角α和β即可准确记录显示。
如图5所示，“七孔探针”接收7路风速、风向信号后输出至压力传感器模块，压力传感器模块将信号转换为直流电压信号，输出至压力信号采集模块，压力信号采集模块将电压信号采集后编码成数字信号，数据处理模块将数字信号进行处理、存储、显示等。
具体地，传感器模块，用于将气孔探针的七个孔的瞬时压力值转换为对应的七个直流电压信号；
压力信号采集模块，用于将各所述直流电压信号转换为对应的七个数字信号，其中，每个数字信号对应一个孔的瞬时压力值；
数据处理模块，用于确认气流场来流对应的七孔探针的分区，根据各孔的瞬时压力值及所述分区对应的校准系数得到俯仰角、方位角及和风速相关的总压系数和静压系数；由所述俯仰角和所述方位角得到风向角，由所述风速相关的总压系数和静压系数得到气流场的风速。
其中，各模块的具体实施方式可以参考方法实施例的描述，本发明实施例将不再复述。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
1.一种七孔探针气流场风速风向测量方法，其特征在于，包括：
获取七孔探针输出的七个孔的瞬时压力值；
确认气流场来流对应的七孔探针的分区，根据各孔的瞬时压力值及所述分区对应的校准系数得到俯仰角、方位角及和风速相关的总压系数和静压系数；
由所述俯仰角和所述方位角得到风向角，由所述风速相关的总压系数和静压系数得到气流场的风速。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，由pj＝max{p1、p2、p3、p4、p5、p6、p7}确认气流场来流对应的七孔探针的分区，其中，p1表示第一个孔的瞬时压力值，p2表示第二个孔的瞬时压力值，p3表示第三个孔的瞬时压力值，p4表示第四个孔的瞬时压力值，p5表示第五个孔的瞬时压力值，p6表示第六个孔的瞬时压力值，p7表示第七个孔的瞬时压力值，j＝1或2或3或4或5或6或7。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，若j＝1，则迎风区在第一分区，由
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，若j＝2，则迎风区在第二分区，由
5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，若j＝3，则迎风区在第三分区，由
6.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，若j＝4，则迎风区在第四分区，由
7.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，若j＝5，则迎风区在第五分区，由
8.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，若j＝6，则迎风区在第六分区，由
9.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，若j＝7，则迎风区在第七分区，由
10.一种七孔探针气流场风速风向测量装置，其特征在于，包括：
传感器模块，用于将气孔探针的七个孔的瞬时压力值转换为对应的七个直流电压信号；
压力信号采集模块，用于将各所述直流电压信号转换为对应的七个数字信号，其中，每个数字信号对应一个孔的瞬时压力值；
数据处理模块，用于确认气流场来流对应的七孔探针的分区，根据各孔的瞬时压力值及所述分区对应的校准系数得到俯仰角、方位角及和风速相关的总压系数和静压系数；由所述俯仰角和所述方位角得到风向角，由所述风速相关的总压系数和静压系数得到气流场的风速。
技术总结