不同材质气动探针跨音速流场内形变及模态分析

为研究气动探针在测量跨音速流场时的形变和模态，并考虑材质的影响，采用单向流固耦合方法，对不锈钢、氧化锆和氧化铝三种材质的锥形探针进行数值计算。使用Q准则对流场中涡结构进行分析，对探针进行结构分析获取探针总形变量及顶部位移。同时对探针进行模态分析，以获取其固有频率和模态振型。结果表明：流场中涡结构分布将影响探针形变量及偏移方向。较其他两种材质，氧化铝材质的最大偏移位移和顶部位移均为最小，但固有频率最高。材质差异对固有频率有一定的影响，但不改变模态振型。

随着科技水平的飞速发展， 汽轮机和航空发动机等透平机械设备越来越多涉及到跨音速气流流动。

跨音速气流顾名思义，包括亚音速、音速和超音速三种不同形式的流动。考虑到跨音速流动的复杂性，对流场各参数的准确测量始终是一项极为困难且重要的工作。目前流场测量技术可分为两类[1]：接触式测量和非接触式测量，其中接触式测量包括热线探针及气动探针等方式，非接触式测量包括激光多普勒测速仪、粒子成像测速仪和热线风速仪等。在众多测量方式方法中，气动探针以其价格低廉、设备精简、使用简单、精确度高、对环境要求低并可实现三维流场测量等优点，获得了广泛运用[2]。

目前，结合空气动力学，对气动探针外形设计的研究相对成熟。蔡小舒等[3]研制了一种由气动和光学探针组成的楔形探针。张有等[4]对应用于超音速流场测量的5 孔圆锥形气动探针进行了改进。李井洋等[5]发展了一种楔顶圆柱双孔探针测量三维流场的方法。汪进文等[6]使用L 型球头五孔压力探针进行了试验。同时，对于气动探针的校准也在不断发展成熟。早在1982 年，NASA 的K. N. Everett 等[7]就对七孔探针的校准提供了详细的算法。英国萨里大学Samantha Shaw-Ward [8]使用19 孔探针研究的校准算法使角度测量精度更高。黎石竹等[9]对四孔楔形气动探针的灵敏度进行了验证。

在上述的研究工作中， 通常假定探针在使用时是完全静止不动的， 然而在实际测量中， 气动探针要受到气流的冲击，在压差、气流激波等因素的影响下产生形变和振动，探针的形变与振动对测量结果的精度有着显著的影响，同时当探针的振动频率与固有频率相接近时，也极有可能发生共振现象。因此，研究探针形变与振动，对流场的测量及探针结构安全具有重要意义。

针对探针的形变与振动，相关学者做了一定的研究，汪进文等[6]研究了压力探针强迫振动对压力测量结果的影响。

胡展豪等[10]对平均流速为200 m/s 的湿蒸汽流场中介入式探针振动情况进行了数值模拟， 得到了探针振动频率与固有频率偏离较大，不会发生共振现象。高强等[11]探究了气流速度为20~80 m/s时探针的形变情况对于测量精度的影响。上述研究只针对亚音速中探针的形变与振动进行了试验，但对于跨音速气流中探针的形变与振动仍有待进一步分析。