跨音速流场测量楔形探针二维外形仿真研究

为了获得高频响气动探针的优良外形，采用数值模拟方法，在来流马赫数0.8~1.5时，对三种不同二维形状的楔形探针进行对比分析。首先计算了三角形探针流场，获得了楔角的最佳数值。在最佳楔角的基础上，进一步分析了三种形状探针的流场特点。计算结果表明，贝壳形截面具有更大的偏转角范围。本文的结果可为高频响气动探针外形选择提供一定参考。

气动探针的使用已经有一个世纪，目前还是测试流场中最常用的一种方法。在跨音速气流中气动探针会产生激波，激波产生的位置与来流马赫数和探针的形状相关。探针上的测压孔测量的是激波后的压力，显然它与要测的来流真实压力有差别，通过设计一种性能优良的探头，可以降低激波对探针测量的影响，所以在跨音速、超音速流动测量中，对气动探针外形的研究一直是一个重点。

国内外许多学者对跨音速探针进行了大量的研究，蔡小舒等人[1]研制了能测量湿蒸汽两相流的集成探针， 它主要由四孔楔形气动探针和光学探针两部分组成。

姜培正等人[2]研制了一种尺寸小， 结构紧凑， 使用方便的楔形四孔复合探针， 它适用于不对向测量跨音速气流的总压、静压、速度的大小和空间方向。

马宏伟等人[3]发展了一种楔顶圆柱双孔高频压力探针测量三维动态流场的方法，并应用于某跨声速多级轴流压气机转子出口流场测量。

H. Bubeck 等人[4]开发了一种高响应压力探头， 表面安装的微型压力传感器用于测量流量波动，同时与相邻的传统压力导管同时测量常规压力。M. Boerner 等人[5]研制了一种适用于二维跨音速尾流测量的微型楔形探头。Ferguson 等人[6]的研究表明，与钝头几何相比，楔形探头最适合跨音速。Kost 等人[7]研究了涡轮机中不同形状的探针对测量结果的影响。张有[8]设计了圆锥形测压头，并根据圆锥扰流气体动力学理论，确定了20˚半锥角产生脱体激波的最大马赫数为1.18。综上所述， 国内外对探针的研究主要为探针形状的优化设计。

跨音速流动的实验研究中，采用高频响气动探针对流场的压力进行测量仍是基本手段之一，而测量的准确性与探针气动外形密切相关。

本文针对三种不同截面形状的楔形探针， 来流马赫数为0.8~1.5 的二维情况进行了数值模拟，对比分析了不同楔角和几何外形气动特性。本文的结果可为高频响气动探针外形选择提供一定的参考。

2. 物理模型与数值方法 2.1. 物理模型 大量研究结果表明[9]，几何形状为楔形的高频响气动探针最适合在跨音速流场测量中使用，如图1所示。本文基于楔形探针外形，设计了三种截面，图2(a)截面为三角形，命名为探针A；图2(b)截面为两腰内凹的三角形，内凹曲线对应的圆心角为10˚，命名为探针B；图2(c)截面为贝壳形截面，命名为探