考虑压缩性的五孔探针球坐标系测量不确定度评估方法与流程

1.本发明属于实验空气动力学领域，具体涉及一种考虑压缩性的五孔探针球坐标系测量不确定度评估方法。


背景技术：

2.飞行器推进系统进气道、发动机、喷管等内部结构紧凑、空间狭小、流动结构复杂，流动精细化测量十分困难。五孔探针由于其测量精度高、结果可信度高、使用便捷等诸多优点，是目前航空发动机内流点流向测量的主要手段，具有非常广泛的应用空间和价值，应用五孔探针可以同时获得测量点气流速度大小和方向、总压、静压等关键流场信息，为复杂流场流动结构分析提供了有力的测试手段。
3.由于五孔探针的测压孔在加工制造过程中无法保证理想的一致性和对称性，每一支五孔探针都具有其独特的机械构造特性和气动特性，因此，无法使用完全相同的数学模型来描述五孔探针的响应特性，而探针校准试验是获得五孔探针响应函数、保证五孔探针获得正确流场数据的关键环节。
4.目前，可查的文献资料均为针对五孔探针在直角坐标系下测量数据的校准与应用方法，即改变探针俯仰角、偏航角来获得探针不同姿态下的响应数据，但是未考虑压缩性的影响。而作为五孔探针设计、制造、校准及应用龙头企业的美国aeroprobe公司所提供的五孔探针校准数据却是基于球坐标系给出的，由于球坐标系下测量数据的校准与应用方法未公开，导致了五孔探针使用者往往只能通过支付高额租金租用aeroprobe公司的程序来使用球坐标系校准的五孔探针，严重制约了五孔探针技术发展，并在一定程度上造成了科研经费浪费。不仅如此，目前暂无文献资料提供可用于五孔探针球坐标系测量结果不确定度评估的方法，严重制约了五孔探针球坐标系测量结果精细化评估。
5.当前，亟需发展一种考虑压缩性的五孔探针球坐标系测量不确定度评估方法。


技术实现要素：

6.本发明所要解决的技术问题是提供一种考虑压缩性的五孔探针球坐标系测量不确定度评估方法。
7.本发明的考虑压缩性的五孔探针球坐标系测量不确定度评估方法使用的五孔探针为圆管型探针，中心压力孔的编号为1，右侧压力孔的编号为2，左侧压力孔的编号为3，下方压力孔的编号为4，上方压力孔的编号为5。
8.本发明的考虑压缩性的五孔探针球坐标系测量不确定度评估方法包括以下步骤：s10.五孔探针地面校准；s11．利用地面校准设备对五孔探针开展校准试验，地面校准设备具有极角和方位角机构，，；获得五孔探针校准数据集，包括马赫数、极角、方位角、总压、静压以及五孔探针五个压力孔对应的压力值
；s12．在每个马赫数下，分别计算以下校准系数，获得每个马赫数下五孔探针的校准系数集：极角校准系数：，方位角校准系数：，总压校准系数：，静压校准系数：，其中，，根据获得的每个马赫数下五孔探针的校准系数集，获得每个马赫数下的五孔探针极角特性校准曲线、方位角特性校准曲线、总压特性校准曲线、静压特性校准曲线；s20.待测流场的五孔探针测量试验；将校准后的五孔探针放置在待测流场中，获得五个压力孔的压力测量值；s30.待测流场参数求解；s31.计算获得极角校准系数与方位角校准系数；根据步骤s20中获得的五孔探针压力测量值，计算获得极角校准系数、方位角校准系数：
，其中，；s32.设定待测流场马赫数迭代初始值及计算精度；假设流场马赫数迭代值为，n为迭代计数变量，初始值n=0，马赫数迭代计算精度为；s33.插值获得马赫数迭代值下校准曲线；根据步骤s12获得的每个马赫数下的五孔探针极角特性校准曲线、方位角特性校准曲线、总压特性校准曲线、静压特性校准曲线，插值获得马赫数迭代值下极角特性校准曲线、方位角特性校准曲线、总压特性校准曲线、静压特性校准曲线；s34.插值获得极角迭代值与方位角迭代值；根据步骤s33获得的马赫数迭代值下极角特性校准曲线与方位角特性校准曲线，插值获得极角校准系数与方位角校准系数对应的极角迭代值与方位角迭代值；s35.插值获得总压校准系数迭代值与静压校准系数迭代值；根据步骤s33获得的马赫数迭代值下总压特性校准曲线与静压特性校准曲线，插值获得极角迭代值与方位角迭代值对应的总压校准系数迭代值与静压校准系数迭代值；上述内容中，角标带n的为对应变量的迭代值，为总压校准系数变量，则为总压校准系数迭代值；为静压校准系数变量，则为静压校准系数迭代值；s36.计算获得马赫数迭代值；根据等熵关系式，计算总压校准系数迭代值和静压校准系数迭代值
对应的马赫数迭代值：；s37.迭代计算获得待测流场参数；判断与的大小关系：若，则计算结束，待测流场马赫数；若，则令，重复步骤s33~s36，直至满足；计算结束，待测流场马赫数，待测流场极角，待测流场方位角，待测流场总压，待测流场静压；s40.待测流场参数不确定度评估；利用蒙特卡洛模拟方法评估待测流场参数不确定度；s41.构造五孔探针压力测量值的概率密度模型；五孔探针在待测流场中压力测量值的不确定度为由压力扫描阀的量程和精度决定；；五孔探针五个孔的压力测量值符合：均值为测量值、标准差为对应不确定度1/3的正态分布，即符合“3σ”原则；s42.概率密度模型的随机抽样；利用matlab软件生成符合步骤s41中正态分布的五孔探针五个孔压力测量值的随机数组，每个数组的数据量为n，五个随机数组分别记作，为符合步骤s41中正态分布的五孔探针每个孔压力测量值随机数组的数据量；；s43.待测流场参数计算；以作为五孔探针在待测流场中五个压力孔的压力测量值；重复步骤s30，获得待测流场马赫数数组、极角数组、方位角数组、总压数组、静压数组；s44.待测流场参数不确定度评估；
分析步骤s43获得的待测流场参数数组统计特性，得到上述待测流场参数数组的标准差：待测流场马赫数数组标准差，极角数组标准差，方位角数组标准差，总压数组标准差，静压数组标准差，根据“3σ”原则，待测流场参数不确定度分别为：待测流场马赫数不确定度，待测流场极角不确定度，待测流场方位角不确定度，待测流场总压不确定度，待测流场静压不确定度。
9.本发明的考虑压缩性的五孔探针球坐标系测量不确定度评估方法，建立了基于蒙特卡洛模拟方法的五孔探针球坐标系中测量结果的不确定度评估方法，并将不同马赫数带来的压缩性影响纳入考虑，为高速流动中基于球坐标系的五孔探针测量结果精细化评估提供了方法，具有工程应用价值。
附图说明
10.图1为本发明的考虑压缩性的五孔探针球坐标系测量不确定度评估方法使用的五孔探针五个压力测量孔的编号示意图；图2为本发明的考虑压缩性的五孔探针球坐标系测量不确定度评估方法图流程图。
具体实施方式
11.下面结合附图和实施例详细说明本发明。
12.实施例1：
13.如图1所示，本实施例的考虑压缩性的五孔探针球坐标系数据处理方法使用的五孔探针为圆管型探针，中心压力孔的编号为1，右侧压力孔的编号为2，左侧压力孔的编号为3，下方压力孔的编号为4，上方压力孔的编号为5。如图2所示，本实施例的考虑压缩性的五孔探针球坐标系数据处理方法，包括以下步骤：s10.五孔探针地面校准；s11．利用地面校准设备对五孔探针开展校准试验，地面校准设备具有极角和方位角机构，，；获得五孔探针校准数据集，包括马赫数、极角、方位角、总压、静压以及五孔探针五个压力孔对应的压力值；s12．在每个马赫数下，分别计算以下校准系数，获得每个马赫数下五孔探针的校准系数集：极角校准系数：，方位角校准系数：，总压校准系数：，静压校准系数：，其中，，
根据获得的每个马赫数下五孔探针的校准系数集，获得每个马赫数下的五孔探针极角特性校准曲线、方位角特性校准曲线、总压特性校准曲线、静压特性校准曲线；s20.待测流场的五孔探针测量试验；将校准后的五孔探针放置在待测流场中，获得五个压力孔的压力测量值；s30.待测流场参数求解；s31.计算获得极角校准系数与方位角校准系数；根据步骤s20中获得的五孔探针压力测量值，计算获得极角校准系数、方位角校准系数：，其中，；s32.设定待测流场马赫数迭代初始值及计算精度；假设流场马赫数迭代值为，n为迭代计数变量，初始值n=0，马赫数迭代计算精度为；s33.插值获得马赫数迭代值下校准曲线；根据步骤s12获得的每个马赫数下的五孔探针极角特性校准曲线、方位角特性校准曲线、总压特性校准曲线、静压特性校准曲线，插值获得马赫数迭代值下极角特性校准曲线、方位角特性校准曲线、总压特性校准曲线、静压特性校准曲线；s34.插值获得极角迭代值与方位角迭代值；根据步骤s33获得的马赫数迭代值下极角特性校准曲线与方位角特性校准曲线，插值获得极角校准系数与方位角校准系数对应的极角迭代值与方位角迭代值；
s35.插值获得总压校准系数迭代值与静压校准系数迭代值；根据步骤s33获得的马赫数迭代值下总压特性校准曲线与静压特性校准曲线，插值获得极角迭代值与方位角迭代值对应的总压校准系数迭代值与静压校准系数迭代值；上述内容中，角标带n的为对应变量的迭代值，为总压校准系数变量，则为总压校准系数迭代值；为静压校准系数变量，则为静压校准系数迭代值；s36.计算获得马赫数迭代值；根据等熵关系式，计算总压校准系数迭代值和静压校准系数迭代值对应的马赫数迭代值：；s37.迭代计算获得待测流场参数；判断与的大小关系：若，则计算结束，待测流场马赫数；若，则令，重复步骤s33~s36，直至满足；计算结束，待测流场马赫数，待测流场极角，待测流场方位角，待测流场总压，待测流场静压；s40.待测流场参数不确定度评估；利用蒙特卡洛模拟方法评估待测流场参数不确定度；s41.构造五孔探针压力测量值的概率密度模型；五孔探针在待测流场中压力测量值的不确定度为由压力扫描阀的量程和精度决定；；五孔探针五个孔的压力测量值符合：均值为测量值、标准差为对应不确定度1/3的正态分布，即符合“3σ”原则；
s42.概率密度模型的随机抽样；利用matlab软件生成符合步骤s41中正态分布的五孔探针五个孔压力测量值的随机数组，每个数组的数据量为n，五个随机数组分别记作，为符合步骤s41中正态分布的五孔探针每个孔压力测量值随机数组的数据量s43.待测流场参数计算；以作为五孔探针在待测流场中五个压力孔的压力测量值；重复步骤s30，获得待测流场马赫数数组、极角数组、方位角数组、总压数组、静压数组；s44.待测流场参数不确定度评估；分析步骤s43获得的待测流场参数数组统计特性，得到上述待测流场参数数组的标准差：待测流场马赫数数组标准差，极角数组标准差，方位角数组标准差，总压数组标准差，静压数组标准差，根据“3σ”原则，待测流场参数不确定度分别为：待测流场马赫数不确定度，待测流场极角不确定度，
待测流场方位角不确定度，待测流场总压不确定度，待测流场静压不确定度。
14.尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域。对于熟悉本领域的人员而言，在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

技术特征：
1.一种考虑压缩性的五孔探针球坐标系测量不确定度评估方法，使用的五孔探针为圆管型探针，中心压力孔的编号为1，右侧压力孔的编号为2，左侧压力孔的编号为3，下方压力孔的编号为4，上方压力孔的编号为5，其特征在于，所述的考虑压缩性的五孔探针球坐标系测量不确定度评估方法包括以下步骤：s10.五孔探针地面校准；s11．利用地面校准设备对五孔探针开展校准试验，地面校准设备具有极角和方位角机构，，；获得五孔探针校准数据集，包括马赫数、极角、方位角、总压、静压以及五孔探针五个压力孔对应的压力值；s12．在每个马赫数下，分别计算以下校准系数，获得每个马赫数下五孔探针的校准系数集：极角校准系数：，方位角校准系数：，总压校准系数：，静压校准系数：，其中，，根据获得的每个马赫数下五孔探针的校准系数集，获得每个马赫数下的五孔探针极角特性校准曲线、方位角特性校准曲线、总压特性校准曲线、静压特性校准曲线；s20.待测流场的五孔探针测量试验；将校准后的五孔探针放置在待测流场中，获得五个压力孔的压力测量值；s30.待测流场参数求解；s31.计算获得极角校准系数与方位角校准系数；根据步骤s20中获得的五孔探针压力测量值，计算获得极角校准系数、方位角校准系数：
，其中，；s32.设定待测流场马赫数迭代初始值及计算精度；假设流场马赫数迭代值为，n为迭代计数变量，初始值n=0，马赫数迭代计算精度为；s33.插值获得马赫数迭代值下校准曲线；根据步骤s12获得的每个马赫数下的五孔探针极角特性校准曲线、方位角特性校准曲线、总压特性校准曲线、静压特性校准曲线，插值获得马赫数迭代值下极角特性校准曲线、方位角特性校准曲线、总压特性校准曲线、静压特性校准曲线；s34.插值获得极角迭代值与方位角迭代值；根据步骤s33获得的马赫数迭代值下极角特性校准曲线与方位角特性校准曲线，插值获得极角校准系数与方位角校准系数对应的极角迭代值与方位角迭代值；s35.插值获得总压校准系数迭代值与静压校准系数迭代值；根据步骤s33获得的马赫数迭代值下总压特性校准曲线与静压特性校准曲线，插值获得极角迭代值与方位角迭代值对应的总压校准系数迭代值与静压校准系数迭代值；上述内容中，角标带n的为对应变量的迭代值，为总压校准系数变量，则为总压校准系数迭代值；为静压校准系数变量，则为静压校准系数迭代值；s36.计算获得马赫数迭代值；根据等熵关系式，计算总压校准系数迭代值和静压校准系数迭代值对应
的马赫数迭代值：；s37.迭代计算获得待测流场参数；判断与的大小关系：若，则计算结束，待测流场马赫数；若，则令，重复步骤s33~s36，直至满足；计算结束，待测流场马赫数，待测流场极角，待测流场方位角，待测流场总压，待测流场静压；s40.待测流场参数不确定度评估；利用蒙特卡洛模拟方法评估待测流场参数不确定度；s41.构造五孔探针压力测量值的概率密度模型；五孔探针在待测流场中压力测量值的不确定度为由压力扫描阀的量程和精度决定；；五孔探针五个孔的压力测量值符合：均值为测量值、标准差为对应不确定度1/3的正态分布，即符合“3σ”原则；s42.概率密度模型的随机抽样；利用matlab软件生成符合步骤s41中正态分布的五孔探针五个孔压力测量值的随机数组，每个数组的数据量为n，五个随机数组分别记作，为符合步骤s41中正态分布的五孔探针每个孔压力测量值随机数组的数据量；s43.待测流场参数计算；以作为五孔探针在待测流场中五个压力孔的压力测量值；重复步骤s30，获得待测流场马赫数数组、极角数组、方位角数组、总压数组、静压数组；s44.待测流场参数不确定度评估；
分析步骤s43获得的待测流场参数数组统计特性，得到上述待测流场参数数组的标准差：待测流场马赫数数组标准差，极角数组标准差，方位角数组标准差，总压数组标准差，静压数组标准差，根据“3σ”原则，待测流场参数不确定度分别为：待测流场马赫数不确定度，待测流场极角不确定度，待测流场方位角不确定度，待测流场总压不确定度，待测流场静压不确定度。

技术总结
本发明属于实验空气动力学领域，公开了一种考虑压缩性的五孔探针球坐标系测量不确定度评估方法。本发明的考虑压缩性的五孔探针球坐标系测量不确定度评估方法包括五孔探针地面校准；待测流场的五孔探针测量试验；待测流场参数求解；待测流场参数不确定度评估。本发明的考虑压缩性的五孔探针球坐标系测量不确定度评估方法，建立了基于蒙特卡洛模拟方法的五孔探针球坐标系中测量结果的不确定度评估方法，并将不同马赫数带来的压缩性影响纳入考虑，为高速流动中基于球坐标系的五孔探针测量结果精细化评估提供了方法，具有工程应用价值。值。值。


技术研发人员：杜钰锋 汪路路 熊能 吴琦 郭秋亭 李聪健 高川 郭旦平 林俊
受保护的技术使用者：中国空气动力研究与发展中心高速空气动力研究所
技术研发日：2023.07.12
技术公布日：2023/8/9