CN108225717A - 一种风洞试验内流阻力测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种适用于在风洞中对飞行器内流阻力进行高精度测量的方法，属于风洞试验技术领域。本发明针对传统利用管流动量变化测量内流阻力技术精度的不足，提出一种新型高精度内流阻力测量方法，包括出口截面三维速度矢量场PIV测量、可移动测压耙静压－总压地毯式测量以及数据后处理三个步骤。采用PIV测量技术精确获得内流道出口的截面区域三维速度矢量场，可准确区分开内外流的分界边界，利用三维速度矢量角对总压/静压探针的测量值进行修正。通过移动可控测压耙机构进行地毯式扫描测压，大幅提高了内流道出口截面区域的总压、静压测量点的数据采集密度，从试验数据信息量和数据修正方面综合提升整个内流阻力测量方法的精准度。

Description

一种风洞试验内流阻力测量方法

技术领域

本发明是一种适用于在风洞中对飞行器内流阻力进行高精度测量的方法，属于风洞试验技术领域。

背景技术

飞行器内流阻力与飞行器整体气动特性紧密相关，其测量的精准度直接影响飞行器气动性能评估。同时，随着飞行马赫数(Ma)的提高，发动机相对机体尺寸不断增加，整个内流道阻力所占全机比例不断上升，因此，如何高精度测量内流阻力对飞行器的研制具有越来越重要的意义和价值。

目前风洞试验内流阻力测量方法主要有三大类：一是在模型和天平设计时采用几何上非接触式的设计思想，将内流道与天平直接相连，同时保持内流道与模型上其它与之相连部件不完全接触，中间间隙利用密封材料封闭，然后利用天平直接对内流道进行测力，从而获得内流阻力。二是直接通过在内流道管壁上布置测压点，获得其静压分布，从而间接计算测定通气模型内流阻力。三是根据管流动量变化来确定通气模型内流阻力，即通过在接近内流道出口位置布置测压耙，测量该截面的动量和平均压力，然后利用进出口动量差等公式换算获得内流阻力。

在上述三类内流阻力测量方法中，第一种方法理论上可以达到天平级误差精度，但容易受到气动载荷引起模型弹性变形所带来的内流道与模型相连部件之间相互作用力的影响，尤其对于非对称内流道的复杂模型该影响更甚，对天平设计和内外流型面隔离技术提出了相当高的挑战。此外，内流型面与外形型面结构上的密封连接处始终存在无法消除的狭缝以及光洁度等问题，对内流道入口附近的边界层流动特性影响较大。特别在来流马赫数较高时，其流动相似度模拟将出现一定偏差，同时对密封要求更高，否则会引入新的气动载荷误差。第二种方法主要受限于内流道管壁上测压点的布置密度的影响而无法获得高精度的内流阻力，例如模型壁厚限制无法在前缘等附近区域布置测压点、在内流道复杂曲面附近也难以有效布置测压点等。第三种方法不仅可以测量内流阻力，还可顺带获得流入内流道的流量，对飞行器推进***等性能分析具有较高意义。但该方法的测量精度受到了出口处测压耙布置数量、内/外流边界界定以及测压探针前方气流矢量方向所带来的总/静压测量误差的严重制约，亟需探索新型测量方法，以满足工程应用需求。

随着材料、电子、光学等领域各项新技术的出现和不断进步，风洞试验中流动显示技术也随之逐渐发展。其中，粒子图像测速技术(PIV)能利用示踪物跟随流体一起运动，根据示踪物的光散射或激发特性分析流场结构，能获取定量的多参数流场信息，如密度、温度、压力、组分和速度的全场测量。同时，基于纳米粒子的平面激光散射***(NPLS)可较好解决现有高Ma数流动成像技术所面临的粒子跟随性差和信噪比低的问题，技术较为成熟，且工程适用性强。可考虑在风洞中利用该***对内流阻力测量技术进行改进，从而获得更高精度的内流阻力测量方法。近年来，已开展了初步研究并取得了一定成果，但主要采用二维PIV技术对不同内流道出口的纵向截面速度场进行测量以及在出口布置大量总压探针测量耙等方式，由于测压耙探针数量受限和气流偏角所带来的压力测量误差以及内外流出口边界准确区分等问题仍未解决，有待探索新的试验方法开展研究。

发明内容

本发明的目的针对传统利用管流动量变化测量内流阻力技术精度的不足，提出一种新型高精度内流阻力测量方法，能更为有效地对飞行器内流阻力进行测量。

本发明所的测量方法主要包括出口截面三维速度矢量场PIV测量、可移动测压耙静压－总压地毯式测量以及数据后处理三个步骤组成，具体步骤如下：

首先，对风洞试验内流阻力测量的通气模型采用外流PIV测量方法对内流道出口的出口截面速度进行精准测量，获得出口截面的三维速度矢量场数据

然后，利用电动缸控制的可移动测压耙机构对出口截面进行地毯式测量，得到每个测量点的静压和总压，大幅提高出口截面的数据采集密度。同时，结合每个测量点的气流矢量角对该测量点的总压和静压测量值开展修正，获得更高精度的出口截面压力值分布；

最后，采用基于质量流量平均方法，对所获得的出口截面速度、静压、总压等数据进行处理，并按照典型内流阻力计算公式求出内流阻力D_n，具体推导及计算过程如下：

通气模型出口相对于内流道入口上游的阻力：

D_∞＝q_m,∞v_∞-q_m,2v₂+P_∞A_∞-P₂A₂ (1)

通气模型出口相对于内流道入口的阻力：

D₁＝q_m,1v₁-q_m,2v₂+P₁A₁-P₂A₂ (2)

其中，角标∞指代内流道入口上游远前方，角标1指代内流道入口位置，角标2指代内流道出口位置，q_m,∞是内流道入口上游远前方的质量流量，v_∞是内流道入口上游远前方的气流速度，q_m,2是内流道出口的质量流量，v₂是内流道出口的气流速度，P_∞是内流道入口上游远前方的压力，A_∞是内流道入口上游远前方流管的截面积，P₂是内流道出口的压力，A₂是内流道出口的截面积，q_m,1是内流道入口的质量流量，v₁是内流道入口的气流速度，P₁是内流道入口的压力，A₁是内流道入口的截面积。

不考虑溢流，根据质量流量守恒可知q_m,∞＝q_m,1＝q_m,2，此外，远前方与入口处的气流通常均匀，且与风洞试验段环境相同，可从风洞运行参数中直接获得。

规定坐标系，按照测量耙的横向布置测量点总数ns(变量i)和沿出口截面可移动方向的移动位置总数nt(变量j)，出口处的质量流量q_m,2可离散为：

分别为每个测量点(i,j)的临近区域平均密度、面积及沿阻力方向的轴向速度值。

根据速度矢量简称沿阻力方向的轴向速度值

其中为出口截面每个测量点位置处的速度空间矢量角，为测量点(i,j)的气流矢量经过换算后得到的与阻力方向的夹角；

根据典型气动理论公式：

其中，常数R＝287.053N﹒m/(Kg﹒K)

其中，T₀为风洞总温，运行时即已知，γ为比热比1.4，为每个测量点(i,j)的马赫数，

其中，测量点(i,j)的总压和静压需要结合测量点气流矢量与测压探针之间的夹角和前方速度对实际测得值和进行修正。总压和静压修正系数和通过前期试验数据进行拟合插值得到，即：

整理可得：

此外，根据理论公式，由于总温一定，因此还可另外推导得到静压、密度气动参数与总压和绝对速度值之间的关系式如下：

对比公式(11)与(13)、公式(12)与(14)，其分别作为出口截面上任意测量点(i,j)的静压和密度的两种表达形式，可以互相印证。

由于总压测量对气流角度的敏感度较小，误差相对较低，其修正后的值更为准确，因此当地静压和密度值将以公式(13)和(14)为主，公式(13)和(14)只作为对比值。此时，根据公式(3)可得，整个内流道出口截面上的总动量可表示为：

另外，通气模型内流道出口截面各气动参数平均值有如下结果：

v₂为出口处的质量流量加权平均速度(阻力方向)：

P₂为出口处的质量流量加权平均静压：

ρ₂为出口处的质量流量加权平均密度：

综合上述各式，将通气模型出口相对于内流道入口上游的阻力D_∞定为风洞试验内流阻力D_n，根据内流阻力公式(1)可得通气模型出口相对于远前方的阻力为：

从上式可知，用于开展内流阻力详细计算的各项均为风洞运行已知参数或可通过所测得的静温、静压以及三维速度矢量等值根据公式(3)￣(18)计算得到。

由于所测得的每项数据精度均较高，能达到各自数据采集***误差量级，同时利用PIV技术可精确测量出内外流分界边界，因而可获得相当高精度的内流阻力测量值。

本发明的优点在于：

1)采用PIV测量技术精确获得内流道出口的截面区域三维速度矢量场，可准确区分开内外流的分界边界，并利用三维速度矢量角对总压/静压探针的测量值进行修正，数据精准度大幅提高；

2)通过移动可控测压耙机构进行地毯式扫描测压，大幅提高了内流道出口截面区域的总压、静压测量点的数据采集密度，理论上可在同一车次内对出口截面任意位置点的气动数据进行采集；

3)采用质量流量加权平均方法获得更为精准的出口流量、动量等参数；

4)从试验数据信息量和数据修正方面综合提升整个内流阻力测量方法的精准度。

附图说明

图1是本发明内流出口动量风洞试验精确测量整体方案示意图，

图2是出口截面静压/总压分布精确测量示意图。

1－通气模型

2－侧壁打光区域

3－内流道出口

4－总压测量探针阵列

5－轨迹控制滑轨

6－静压测量探针阵列

7－测压耙支臂

8－电动缸

9－模型支撑座

10－风洞弯刀连接件

11－测量点坐标系

12－测量点速度矢量

具体实施方式

结合图1和图2，给出以下实施例，对本发明的技术实施方案做进一步说明。

典型内流阻力测量的通气模型1在风洞中安装，通气模型1安装在模型支撑座9上，模型支撑座9与风洞弯刀连接件10连接。轨迹控制滑轨5固定安装在模型支撑座9上，测压耙支臂7可在轨迹控制滑轨5中通过电动缸8的驱动来移动。在测压耙支臂7的自由端是测压耙，测压耙上安装有测压耙总压测量探针阵列4和测压耙静压测量探针阵列6。

(1)在风洞的侧壁打光区域2通过激光器打光，形成的片光尽量紧贴内流道出口3的切面，以保证获得紧贴内流道出口3的气动参数。运行风洞，待流场稳定后，在风洞试验段上游持续播撒纳米粒子并进行PIV测量，采用相机对内流道出口3附近的纳米粒子的运动轨迹进行拍摄，由于激光片光具有一定厚度(大于1mm)，因而可精确获得内流道出口3内所有粒子的三维速度矢量场(误差小于0.5％)；

(2)内流道出口3的速度矢量场PIV测量结束后，控制电动缸8，沿着轨迹控制滑轨5使测压耙在光路平面上地毯式移动，测量内流道出口3内的总压和静压分布。数据采集密度可根据风洞运行时间以及出口截面尺寸给定。在风洞起动过程中，测压耙被移动到离内流道出口3较远的位置，避免因为模型抖动而对测压耙造成损坏，待风洞起动流场稳定后，利用电动缸8控制测压耙来测量内流道出口3的总压和静压分布。图1中测压耙给定为两排测压探针，第一排为总压测量探针阵列4，第二排为静压测量探针阵列6，布置间距与内流道喷管3的出口平面角度、探针直径以及避开静压探针对总压探针前方气流的干扰有关。此外，每个测量点(i,j)的总压和静压通过该位置处的气流速度以及气流矢量与测压探针之间的夹角对实际测量总压和实际测量静压进行修正，具体修正系数和已通过前期单独试验数据进行拟合插值得到。

(3)采用基于质量流量平均方法，对所获得的出口截面速度、总压、静压等数据进行处理，通过以下公式计算得到：

其中，

以及三个主要多项式可由PIV和测压耙所测得的数据计算得到，其余P_∞，ρ_∞，v_∞等参数为测压耙探针间距几何尺寸和风洞运行过程中试验段内的气动参数，均已知。

Claims (8)

1.一种风洞试验内流阻力测量方法，其特征在于：该方法包括出口截面三维速度矢量场PIV测量、可移动测压耙静压－总压地毯式测量以及数据后处理三个步骤，在数据后处理中采用基于质量流量平均方法，对所获得的出口截面速度、静压、总压数据进行处理，并按照典型内流阻力计算公式求出内流阻力D_n：

D_n＝D_∞＝q_m,∞v_∞-q_m,2v₂+P_∞A_∞-P₂A₂

其中，q_m,∞是内流道入口上游远前方的质量流量，v_∞是内流道入口上游远前方的气流速度，q_m,2是内流道出口的质量流量，v₂是内流道出口的气流速度，P_∞是内流道入口上游远前方的压力，A_∞是内流道入口上游远前方流管的截面积，P₂是内流道出口的压力，A₂是内流道出口的截面积。

2.根据权利要求1所述的风洞试验内流阻力测量方法，其特征在于：在出口截面三维速度矢量场PIV测量时，采用外流PIV测量方法对通气模型内流道出口的出口截面速度进行精准测量，获得出口截面的三维速度矢量场数据

3.根据权利要求2所述的风洞试验内流阻力测量方法，其特征在于：在可移动测压耙静压－总压地毯式测量时，按照测量耙的横向布置测量点i_{(i＝1，…，ns)}，沿出口截面可移动方向的移动位置j_{(j＝1，…nt)}，得到每个测量点(i,j)的测量总压和测量静压并结合每个测量点(i,j)的气流矢量与测压探针之间的夹角及速度对测量点(i,j)的测量总压和测量静压开展修正，得到测量点(i,j)的总压和静压

为总压修正系数，为静压修正系数，均通过前期试验数据进行拟合插值得到。

4.根据权利要求3所述的风洞试验内流阻力测量方法，其特征在于：q_m,∞＝q_m,2，质量流量q_m,2可离散为：

分别为每个测量点(i,j)的临近区域平均密度、面积及沿阻力方向的轴向速度值。

5.根据权利要求4所述的风洞试验内流阻力测量方法，其特征在于：根据速度矢量沿阻力方向的轴向速度值

为测量点(i,j)的气流矢量经过换算后得到的与阻力方向的夹角。

6.根据权利要求5所述的风洞试验内流阻力测量方法，其特征在于：

其中，常数R＝287.053N﹒m/(Kg﹒K)，T₀为风洞总温，运行时即已知，γ为比热比1.4。

7.根据权利要求6所述的风洞试验内流阻力测量方法，其特征在于：内流道出口的气流速度v₂，为阻力方向的质量流量加权平均速度：

内流道出口的压力P₂，为出口处的质量流量加权平均静压：

ρ₂为出口处的质量流量加权平均密度：

8.根据权利要求7所述的风洞试验内流阻力测量方法，其特征在于：