留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

基于蒙特卡罗法的五孔探针测量不确定度评定

马宏伟 李鑫 赵国松

马宏伟, 李鑫, 赵国松. 基于蒙特卡罗法的五孔探针测量不确定度评定[J]. 航空动力学报, 2022, 37(11):2587-2597 doi: 10.13224/j.cnki.jasp.20220355
引用本文: 马宏伟, 李鑫, 赵国松. 基于蒙特卡罗法的五孔探针测量不确定度评定[J]. 航空动力学报, 2022, 37(11):2587-2597 doi: 10.13224/j.cnki.jasp.20220355
MA Hongwei, LI Xin, ZHAO Guosong. Evaluation of measurement uncertainties for five-hole probes based on Monte Carlo method[J]. Journal of Aerospace Power, 2022, 37(11):2587-2597 doi: 10.13224/j.cnki.jasp.20220355
Citation: MA Hongwei, LI Xin, ZHAO Guosong. Evaluation of measurement uncertainties for five-hole probes based on Monte Carlo method[J]. Journal of Aerospace Power, 2022, 37(11):2587-2597 doi: 10.13224/j.cnki.jasp.20220355

基于蒙特卡罗法的五孔探针测量不确定度评定

doi: 10.13224/j.cnki.jasp.20220355
基金项目: 国家自然科学基金(51776011); 国家科技重大专项(2017-Ⅴ-0016-0068); 重点实验室基金(2021-JCJQ-LB-062-0204)
详细信息
    作者简介:

    马宏伟(1968-),男,教授、博士生导师,博士,研究领域为叶轮机内流测试技术。E-mail:mahw@buaa.edu.cn

  • 中图分类号: V211

Evaluation of measurement uncertainties for five-hole probes based on Monte Carlo method

  • 摘要:

    为对五孔探针的测量精度进行评定,发展了基于统计学的蒙特卡罗法(MCM)评定五孔探针测量不确定度的流程和方法,并对比了最大误差限法和不确定度传播律法(GUM),同时研究了抽样数M对MCM评定结果的影响。该方法适用于无数学表达式的测量模型中,能考虑模型非线性的影响,概率密度函数(PDF)能更科学地表征输入量的分布,而不局限于正态分布。为了验证该方法,将五孔探针在校准风洞中进行了校准和验证。结果显示,对于风洞实验某测量点的静压,MCM提供的95%最短包含区间较GUM区间长度小11.1%,该差值占标准偏差的33.3%,表明利用MCM评估测量不确定度能引入复杂数据处理过程中非线性的影响,相比GUM评定方法具有一定的优势。将MCM应用于叶栅栅后流场五孔探针测量结果不确定度评定,发现各参数的不确定度在整个测量截面内分布情况与误差分布类似,在叶顶泄漏涡区域内测量不确定度较大,能避免相对静压无法表示的困境,同时能去除粗大误差的影响。MCM本身的统计误差可通过适当增加M来解决,需要综合考虑计算机性能和时间成本。

     

  • 图 1  输入输出模型及分布传播

    Figure 1.  Input-output model and distributed propagation

    图 2  MCM评定五孔探针测量不确定度的流程

    Figure 2.  Evaluation process of measurement uncertainties for five-hole probes based on MCM

    图 3  实验风洞及设备

    Figure 3.  Wind tunnel and equipment

    图 4  叶栅实验装置

    Figure 4.  Cascade and blade profile

    图 5  叶片通道测量站矩阵:19×24

    Figure 5.  Blade passage measuring station matrix: 19×24

    图 6  探针校准误差分布

    Figure 6.  Probe calibration error distribution

    图 7  输出量的概率分布直方图和正态分布对照

    Figure 7.  Probability distribution histogram of the output compared with the normal distribution

    图 8  俯仰角、偏转角、静压和总压分布云图

    Figure 8.  Distribution contours of pitch angle,yaw angle,static pressure and total pressure

    图 9  各参数测量不确定度分布

    Figure 9.  Measurement uncertainty distribution of parameters

    图 10  M=103下俯仰角的概率分布直方图

    Figure 10.  Probability distribution histogram ofpitch angle at M=103

    图 11  M=106下俯仰角的概率分布直方图

    Figure 11.  Probability distribution histogram of pitch angle at M=106

    图 12  不同M下的Δps

    Figure 12.  Δps at different M

    表  1  五孔探针校准范围及测量点

    Table  1.   Calibration range and measurement points of five-hole probes

    参数校准点测量点
    马赫数Ma0.20.1
    偏转角α/(°)±24±24
    俯仰角β/(°)−28~16−28,−27,−21.5,
    −19, −17,−13
    偏转角测量站1317
    俯仰角测量站126
    间隔/(°)4
    下载: 导出CSV

    表  2  叶栅参数

    Table  2.   Cascade parameters

    参数数值
    雷诺数/1052.81
    弦长/mm126.8
    叶高/mm120
    稠度1.5
    攻角/(°)0
    (叶尖间隙/叶高)/%1
    安装角/(°)30
    下载: 导出CSV

    表  3  五孔探针测量误差分布

    Table  3.   Measurement error distribution of five-hole probes

    参数极限
    误差(3σ
    68%置信
    概率(σ
    95%置信
    概率(2σ
    偏转角α/(°)2.300.761.53
    俯仰角β/(°)2.430.811.62
    总压pt/kPa0.0310.0100.021
    静压ps/kPa0.0400.0130.026
    下载: 导出CSV

    表  4  五孔探针测量风洞流场不确定度分量

    Table  4.   Measurement uncertainties of wind tunnel flow field by five-hole probes

    输入量XiPDF分布不确定度/ 区间上下限概率分布
    αmou, βmou/(°)矩形(定值)|a|=b=1Ra, b
    αtrav, βtrav/(°)矩形|a|=b=0.05Ra, b
    测量pj /Pa矩形|a|=b=3.11Ra, b
    pref /Pa0
    下载: 导出CSV

    表  5  各方法计算β的结果对比 (u (y) = 0.06)

    Table  5.   Comparison of β results of each calculation method (u (y) = 0.06) (°)

    特征量MCMGUM误差分布
    估计值−27.29−27.29−26.64
    95%最短
    包含区间
    [−27.41,−27.18][−27.41,−27.17][−28.26,−25.02]
    区间长度0.230.243.24
    下载: 导出CSV

    表  6  各方法计算ps的结果对比 (u (y)=0.06)

    Table  6.   Comparison of ps results of each calculation method (u (y)=0.06) kPa

    特征量MCMGUM误差分布
    估计值99.88099.88099.879
    95%最短
    包含区间
    [99.875,99.884][99.874,99.884][99.853,99.905]
    区间长度0.0090.0100.052
    下载: 导出CSV

    表  7  各参数95%包含概率对应的误差分布

    Table  7.   Error distributions of parameters at 95% probability

    区域β/(°)α/(°)pt/PaΔpt/%ps/Pa
    泄漏涡区222.442.8
    主流区0.20.21.80.80.4
    下载: 导出CSV

    表  8  五孔探针测量叶栅栅后流场不确定度分量

    Table  8.   Measurement uncertainties of flow field behind the cascade by five-hole probes

    输入量XiPDF分布不确定度/
    区间上下限
    概率分布
    αmouβmou/(°)矩形(定值)|a|=b=1Ra, b
    αtravβtrav/(°)矩形|a|=b=0.05Ra, b
    pj /Pa矩形|a|=b=2.05Ra, b
    pref /Pa0
    下载: 导出CSV
  • [1] MA Hongwei,ZHANG Jun,ZHANG Jinghui,et al. Experimental study of effects of grooved tip clearances on the flow field in a compressor cascade passage[J]. Journal of Turbomachinery, 2012, 134(5):051012.1-051012.12
    [2] 林洪桦. 测量误差与不确定度评估[M]. 北京:机械工业出版社,2010
    [3] 马宏伟,贺象,单晓明,等. 一种测量跨声速多级压气机转子出口二维流场的方法[J]. 推进技术,2013,34(6): 754-759.

    MA Hongwei,HE Xiang,SHAN Xiaoming,et al. A method of measuring 2D flow-field at rotor exits of transonic multistage compressor[J]. Journal of Propulsion Technology,2013,34(6): 754-759. (in Chinese)
    [4] 李井洋,马宏伟,贺象. 楔顶双孔探针测量跨声多级压气机转子出口三维动态流场的方法[J]. 航空动力学报,2012,27(10): 2262-2268.

    LI Jingyang,MA Hongwei,HE Xiang. Method of measuring 3-D unsteady flow at exits of transonic compressor rotor passages using a two-hole tip-wedge pressure probe[J]. Journal of Aerospace Power,2012,27(10): 2262-2268. (in Chinese)
    [5] 马宏伟,蒋浩康. 速度梯度、近壁效应和Re数对压力探针测量误差的影响[J]. 航空动力学报,1995,10(4): 337-342.

    MA Hongwei,JIANG Haokang. Influence of velocity gradient,near-wall effect and Reynolds number on pressure probe measurement error[J]. Journal of Aerospace Power,1995,10(4): 337-342. (in Chinese)
    [6] GRIMSHAW S D,TAYLOR J V. Fast settling millimetre-scale five-hole probeS[R]. ⅩⅩⅢ Biannual Symposium on Measuring Techniques in Turbomachinery,2016.
    [7] DÍAZ K M A,ORO J M F,MARIGORTA E B. Extended angular range of a three-hole cobra pressure probe for incompressible flow[J]. Journal of Fluids Engineering,2008,130(10): 1135-1150.
    [8] REICHERT B A,WENDT B J. A new algorithm for five-hole probe calibration,data reduction,and uncertainty analysis[R]. NASA TM-106458,1994.
    [9] ANGELES H M,GONZÁLEZ A G. Evaluation of measurement uncertainty in analytical assays by means of Monte-Carlo simulation[J]. Talanta,2004,64(2): 415-422. doi: 10.1016/j.talanta.2004.03.011
    [10] KREINOVICH V ,KOSHELEVA O ,POWNUK A ,et al. How to take into account model inaccuracy when estimating the uncertainty of the result of data processing[R]. International Mechanical Engineering Congress and Exposition,IMECE2015-50339,2015.
    [11] ZAKHAROV I P,VODOTYKA S V. Application of Monte Carlo simulation for the evaluation of measurements uncertainty[J]. Metrology and Measurement Systems,2008,15(1): 117-123.
    [12] 刘智敏. 用MC仿真计算不确定度[J]. 中国计量学院学报,2005,16(1): 1-7.

    LIU Minzhi. Calculating uncertainty by MC simulation[J]. Journal of China Jiliang University,2005,16(1): 1-7. (in Chinese)
    [13] BIPM,IFCC,ISO,et al. Evaluation of measurement data:supplement 1 to the “Guide to the expression of uncertainty in measurement” propagation of distributions using a Monte Carlo method:JCGM 101:2008[S]. Geneva:International Organization for Standardization,2008:10-20.
    [14] 中国计量大学,中国计量科学研究院,浙江省计量科学研究院. 测量不确定度评定和表示 补充文件1:基于蒙特卡洛方法的分布传播:GB/T 27419-2018[S]. 北京:中国标准出版社,2018:22-26.
    [15] 北京理工大学,中国计量科学研究院,国家质检总局计量司. 用蒙特卡洛法评定测量不确定度:JJF1059.2-2012[S]. 北京:中国质检出版社,2013:1-11.
    [16] 周桃庚. 用蒙特卡洛法评定测量不确定度[M]. 北京:中国质检出版社,2013.
    [17] 陈怀艳. 基于蒙特卡罗法的测量不确定度评定[J]. 电子测量与仪器学报,2011,25(4): 301-308. doi: 10.3724/SP.J.1187.2011.00301

    CHEN Huaiyan. Evaluation of measurement uncertainty based on Monte Carlo method[J]. Journal of Electronic Measurement and Instrumentation,2011,25(4): 301-308. (in Chinese) doi: 10.3724/SP.J.1187.2011.00301
    [18] CROWDER S V,MOYER R D. A two-stage Monte Carlo approach to the expression of uncertainty with non-linear measurement equation and small sample size[J]. Metrologia,2006,43:34- 41
  • 加载中
图(15) / 表(8)
计量
  • 文章访问数:  55
  • HTML浏览量:  21
  • PDF量:  25
  • 被引次数: 0
出版历程
  • 收稿日期:  2022-05-20
  • 网络出版日期:  2022-09-20

目录

    /

    返回文章
    返回