CN110686858B - 一种音爆测量风洞试验数据处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种音爆测量风洞试验数据处理方法，属于航空航天风洞试验领域，目的在于解决现有音爆测量风洞试验数据处理方法在消除背景压力干扰方面不完全的问题。该处理方法包括如下步骤：A．根据探针的构型与开孔位置，通过理论计算或数值仿真获得探针的压力恢复系数；B．将测量探针沿风洞轴向移测，开展流场校测，获得沿程的测量探针压力测值；C．开展模型音爆测量风洞试验，获得沿程各点的测量探针压力测值等。本申请引入了压力恢复系数和相同风洞洞体条件下的背景压力校测数据参与音爆测量风洞试验数据处理，一方面能够将过压值计算的参考压力归一化为风洞来流静压，另一方面能够点对点精确消除音爆测量风洞试验数据中的背景压力波动。

Description

一种音爆测量风洞试验数据处理方法

技术领域

本发明涉及航空航天风洞试验领域，具体为一种音爆测量风洞试验数据处理方法。

背景技术

当飞行器的运行速度达到超声速时，飞行器外形产生的一系列波系在向远处传播过程中相互干扰影响，最终汇集成的一道包罗飞行器头部的前激波和一道尾随飞行器尾部的后激波。当这种波系传播到地面，被人感知到的表现为两声雷鸣般的巨响，称为音爆。

作为一项独立的试验技术，音爆测量试验是指通过试验的方式获取飞行器产生的音爆特征。一种典型的音爆测量风洞试验的基本思路是：保持飞行器模型姿态及其质心与测量探针轴线垂直距离不变，在试验过程中，控制测量探针沿风洞来流方向从上游远离模型音爆影响区的位置穿过模型影响区，直至下游远离模型音爆影响区的位置，从而获得在飞行航迹线下受到模型产生波系干扰时的压力相较于无干扰数据的变化特征。期间，在风洞流场均匀性较好，且不在模型音爆影响区内的某一固定位置，设置参考探针并测量该位置静压，作为参考静压。

音爆特征信号一般采用“过压值”参数ΔP/P表征，其定义如下：

ΔP/P＝(Pp-Ps)/Ps；

其中，Pp是指某一测量位置x受到音爆影响时的静压值；

Ps是指在某一测量位置x未受到音爆影响时的静压值，即参考静压。

需要说明的是，以上给出的是理论计算公式，而在试验时，无法同时获得某一测量位置x受到和不受到音爆影响时的静压值。因此，在风洞试验时，往往选择在风洞流场均匀性较好，且不在模型音爆影响区内的某一位置，通过装置测量该位置静压Pw，并通过一定的数据处理，间接得到在某一测量位置x未受到音爆影响时的静压值。

图1给出了在某一测量位置x，模型、测量探针以及参考探针测量位置的示意图。Pw定义为参考探针压力测值，Pp定义为当测量探针处于模型音爆影响区内时的压力测值，Ps定义为当测量探针处于模型音爆影响区之外时的压力测值。

目前，传统数据处理方法如下。

理想条件下，固定马赫数以及来流静压条件下，位于模型音爆影响区内的某一测量位置x的过压值通过公式(1)得到：

其中，(ΔP/P)_TRUE是指位于模型音爆影响区内的某一测量位置x的过压值；

Pp是指某一测量位置x受到音爆影响时的静压值；

Ps是指在同一测量位置x未受到音爆影响时的静压值，即参考静压。

由于无法同时测量某一测量位置受到和不受到模型音爆影响时的静压，因此，实际得到的某一测量位置x的过压值通过公式(2)得到：

其中，(ΔP/P)_MEASURED是指位于模型音爆影响区内的某一测量位置x的实测过压值；

Pp是指某一测量位置x受到音爆影响时的静压值；

Pw是指在风洞流场均匀性较好，且不在模型音爆影响区内的某一固定位置的静压值。

合并公式(1)和(2)，位于模型音爆影响区内的某一测量位置x的真实过压值通过公式(3)得到：

其中，(ΔP/P)_MEASURED,0是指测量探针位于模型音爆影响区之外时的实测过压值。由于测量探针和参考探针的安装位置不同，且整个试验段来流静压分布存在轴向梯度，因此，(ΔP/P)_MEASURED,0≠0。

Ps通过公式(4)得到：

通过公式(3)和(4)，即可以得到位于模型音爆影响区内的某一测量位置x的过压值。

图2给出了未修正的典型音爆特征曲线示意图。当测量位置位于区间1时，此时测量探针处于模型音爆影响区之外，但是由于测量探针和参考探针所在的不同安装位置的来流静压存在差异，导致(ΔP/P)_MEASURED,0≠0。区间2对应测量探针处于模型音爆影响区。

可以看出，相较于直接采用参考探针测值进行计算得到的过压值，按照上述数据处理方法获得的过压值修正了由于试验段静压分布不均匀，及参考探针和测量探针安装位置的不同引入的误差，一定程度上提高了音爆测量风洞试验数据的准确性。

发明内容

然而，上述数据处理方法存在如下两个问题：

1)根据空气动力学基本原理，超声速来流在经过探针头部时产生压缩波，之后压力沿探针表面方向向下游传播时，逐渐恢复至来流静压；但针对不同探针构型及开孔位置，在探针测压孔处的压力恢复情况不同，存在某种构型探针在测压孔位置的压力测值不是来流静压的情况，以此为基础计算得到的过压值也就不是相对于来流静压的结果；这使得无论是在与基于来流静压的仿真计算结果，还是真实飞行试验结果，进行对比分析时，都会引入误差；

2)传统数据处理方法中，利用区间1内的(ΔP/P)_MEASURED,0对整个测量区间进行修正，意味着上述方法默认在空风洞条件下，测量区间与参考探针所在位置的压力差量是相同的，即空风洞条件下测量区间内的压力分布是均匀的；而实际试验时，测量区间内的压力分布不一定是均匀的，按照传统数据处理方法进行处理，在音爆测量结果中背景压力波动影响的消除并不完全。

本发明的发明目的在于：为克服现有音爆测量风洞试验数据处理方法在消除背景压力干扰方面不完全的问题，提供一种音爆测量风洞试验数据处理方法。该方法引入了压力恢复系数和相同风洞洞体条件和风洞运行参数下的背景压力校测数据参与音爆测量风洞试验数据处理，一方面能够将过压值计算的参考压力归一化为风洞来流静压，另一方面能够点对点精确消除音爆测量风洞试验数据中的背景压力波动。经验证，本申请的音爆测量风洞试验数据测定方法能有效消除背景压力干扰方面不完全的问题，对于提升数据测定的准确性和可靠性，具有重要的意义。

为了实现上述目的，本申请采用如下技术方案：

一种音爆测量风洞试验数据处理方法，包括如下步骤：

A.根据探针的构型与开孔位置，通过理论计算或数值仿真获得探针的压力恢复系数φ，其定义如下式所示：

其中，P_MEASURED是指探针的压力测值，P_TRUE是指压力真值；

B.将测量探针沿风洞轴向移测，开展流场校测，获得沿程的测量探针压力测值，记为P'_0i；每个测点的轴向位置记为x_0i，测量探针轴线距壁板在垂直方向上的距离记为y₀；

C.开展模型音爆测量风洞试验，获得沿程各点的测量探针压力测值，记为P'_i；每个测点的轴向位置记为x_i，测量探针轴线距壁板在垂直方向上的距离记为y，参考探针在测量探针位于各测点时对应的压力测值记为P'_ri；

D.利用压力恢复系数，按照以下公式获得各测点的压力真值：

其中，P_0i是指流场校测试验时，通过压力恢复系数修正的某一测量位置x_0i对应的测量探针的压力测值，即风洞背景压力；

P_i是指音爆测量风洞试验时，通过压力恢复系数修正的某一测量位置x_i对应的测量探针的压力测值；

P_ri是指音爆测量风洞试验时，通过压力恢复系数修正的测量探针处于某一测量位置x_i时，参考探针的压力测值，即参考静压；

E.计算流场校测试验时整个测量区间所有测量位置对应P_0i的平均值，记为P_0average；

F.计算流场校测试验时测量区间内每个测点位置x_0i相较于测量区间压力均值的压力波动量ΔP_0i＝(P_0i-P_0average)；该值表示每个测点位置x_0i的背景压力波动量。

G.将流场校测试验时获得的(x_0iΔP_0i)进行插值处理，得到对应于音爆测量风洞试验时的测量位置x_i的背景压力波动量，记为ΔP_{0i-interpolation}；

H.将在音爆测量风洞试验时获得的测量位置x_i对应的P_i扣除对应位置的背景压力波动量ΔP_{0i-interpolation}，得到修正压力测值P_i-correction；

I.当音爆测量风洞试验时的某一测量位置x_i位于模型音爆影响区之外时，利用在该位置对应时刻的参考静压P_ri以及P_i-correction，计算(ΔP/P)_MEASURED,0，计算公式如下：

J.计算在某一测量位置x_i未受到音爆影响时的静压值P_si，计算公式如下：

K.当音爆测量风洞试验时的某一测量位置x_i位于模型音爆影响区时，对应的过压值

按照以下公式计算得到：

所述步骤B中的流场校测试验与步骤C的音爆测量风洞试验在相同洞体条件和风洞运行参数下开展。上述技术方案中，步骤B中要求流场校测试验在与音爆测量风洞试验相同洞体条件和风洞运行参数下开展，而不是利用以往结果，避免在数据处理中引入不同洞体条件产生的背景压力测量误差。洞体条件和风洞运行参数改变会导致流场分布情况发生改变，若流场校测试验与音爆测量风洞试验在不同洞体条件和风洞运行参数下开展，会导致数据处理中进行的背景压力修正不是音爆测量风洞试验时的背景压力。

所述步骤B中的流场校测试验基于当前音爆测量设备开展。在上述技术方案中，步骤B中要求流场校测试验基于当前音爆测量设备开展，而不是利用基于其他测量设备获得的结果，避免在数据处理中引入不同测量设备灵敏度差异产生的背景压力测量误差。常规超声速流场校测采用总压探头测量设备通过测量得到的波后总压，进行数据处理，得到流场分布特性；音爆测量风洞试验采用探针测量静压，不同的测量参数和测量设备在感受风洞的压力分布灵敏度方面存在差异，用一套设备的测量结果修正另一套设备的测量结果存在灵敏度不同产生数据处理误差的情况。

所述步骤B中的测量探针轴线距壁板在垂直方向上的距离与步骤C中的测量探针轴线距壁板在垂直方向上的距离保持一致。即在上述技术方案中，步骤B、C中测量探针在高度方向上的位置必须保持一致，y₀＝y，以避免不同高度位置背景压力的不同影响试验数据处理结果。

所述步骤B、步骤C中测量探针的轴向测量位置尽可能保持一致。在上述技术方案中，步骤B、C中测量探针的轴向测量位置应尽可能保持一致，以减小在后续数据插值处理时引入误差。超声速风洞背景压力分布受型面质量影响很大，在小范围内可能存在一定的规律性，在大范围内很难找到可循的规律；因此，如果流场校测试验和音爆测量风洞试验时的测量探针的轴向测量位置偏差较大，在由流场校测试验测量位置数据向音爆测量风洞试验测量位置插值时可能存在较大的偏差，从而影响背景压力修正的可靠性。

所述步骤D中，若试验所用探针的构型及开孔位置一致，则压力恢复系数φ为同一个值；若不一致，则每根探针对应的压力恢复系数不同。即在上述技术方案中，步骤D中的压力恢复系数φ为同一个值，是默认试验所用探针的构型及开孔位置一致；若不一致，则每根探针对应的压力恢复系数不同。

所述步骤E中，测量区间均处于同一菱形区内。上述技术方案中，步骤E中要求测量区间均处于同一菱形区，否则在压力均值计算时应选取模型音爆影响区所在的菱形区内的数据点进行计算，以避免喷管和试验段接口产生的强波导致的强的压力突变影响压力均值计算。

所述步骤G中，进行插值处理时选择数据内插。上述技术方案中，步骤G中插值方法应选择数据内插，以免外插出错误的数据。

所述步骤I中，若位于模型音爆影响区之外的测点多于一点，取这些测量位置的压力测值均值作为计算参数。上述技术方案中，步骤I中如果位于模型音爆影响区之外的测点多于一点，可以取这些测量位置的压力测值均值作为计算参数。

综上，本申请的方法修正了探针构型对压力测量结果的影响，修正了模型音爆影响区对应背景压力不均匀对压力测量结果的影响，提高了音爆测量风洞试验结果的准确性。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1为在某一测量位置x，模型、测量探针以及参考探针测量位置的示意图。

图2为未修正的典型音爆特征曲线示意图。

图3为实施例1中音爆测量风洞试验示意图。

图4为实施例1中流场校测试验结果曲线示意图。

图5为实施例1中音爆特征信号实测结果曲线图。

图6为实施例1中与图5相同轴向位置对应的空风洞背景压力曲线(背景压力分布均匀)图。

图7为实施例1中按照传统数据处理方法处理后的音爆特征信号结果曲线图。

图8为与图5相同轴向位置对应的空风洞背景压力曲线(背景压力分布不均匀)图。

图9为实施例1中采用本发明的方法进行处理后的音爆特征信号曲线图。

图10给出了流场校测试验时压力沿轴线波动曲线图。

图11给出了修正方法对比曲线图。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书(包括任何附加权利要求、摘要和附图)中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

实施例1

本发明的音爆测量风洞试验数据处理方法，包括以下步骤。

A.试验前，根据探针的构型与开孔位置，通过理论计算或数值仿真获得探针的压力恢复系数φ，其定义如下：

其中，P_MEASURED是指探针的压力测值；P_TRUE是指压力真值。

B.如图3所示，控制测量探针沿风洞轴向移测开展流场校测，此时模型位于图中虚线位置，使其产生的音爆影响向下游传播，而不会影响空风洞背景压力的测量。

流场校测试验获得沿程的探针压力测值，记为P'_0i，每个测点的轴向位置记为x_0i，测量探针轴线距壁板在垂直方向上的距离记为y₀。如图4所示，x₀₁至x_0n1对应的测量区间对应音爆测量风洞试验时探针处于模型音爆影响区之外位置，共n1个测点。x_0n1+1至x_0n对应的测量区间对应音爆测量风洞试验时探针处于模型音爆影响区之外位置，共n-n1个测点。

C.如图3所示，控制测量探针沿风洞轴向移测开展模型音爆测量风洞试验，此时模型位于图中实线位置。获得沿程各点的测量探针压力测值，记为P'_i，每个测点的轴向位置记为x_i，测量探针轴线距壁板在垂直方向上的距离记为y，保证y＝y₀，参考探针在测量探针位于各测点时对应压力测值记为P'_ri。

D.利用以下公式获得各测点的压力真值：

其中，P_0i是指流场校测试验时，通过压力恢复系数修正的某一测量位置x_0i对应的背景压力；P_i是指音爆测量风洞试验时，通过压力恢复系数修正的某一测量位置x_i对应的测量探针实测静压；P_ri是指音爆测量风洞试验时，通过压力恢复系数修正的测量探针处于某一测量位置x_i时，参考探针的压力测值，即参考静压。

E.计算流场校测试验时整个测量区间所有测量位置对应P_0i的平均值，记为P_0average，计算公式如下：

F.计算流场校测试验时测量区间内每个测点位置x_0i的压力波动量ΔP_0i，其计算公式如下：

ΔP_0i＝(P_0i-P_0average)。该值表示每个测点位置x_0i的背景压力波动量。

G.将流场校测试验时获得的(x_0iΔP_0i)进行插值处理，得到对应于音爆测量风洞试验时的测量位置x_i的背景压力波动量，记为ΔP_{0i-interpolation}。。

H.将在音爆测量风洞试验时获得的测量位置x_i对应的P_i扣除对应位置的背景压力波动量ΔP_{0i-interpolation}，得到修正压力测值并记为P_i-correction，其计算公式如下：

P_i-correction＝P_i-ΔP_{0i-interpolation}。

I.当音爆测量风洞试验时某一测量位置x_i位于模型音爆影响区之外时，利用在该位置对应时刻的参考静压P_ri以及P_i-correction，计算(ΔP/P)_MEASURED,0，计算公式如下：

J.计算在某一测量位置x_i未受到音爆影响时的静压值P_si，计算公式如下：

K.当音爆测量风洞试验时某一测量位置x_i位于模型音爆影响区时，对应的过压值

按照以下公式计算得到：

发明人进行了相应验证，具体过程如下。

(1)理论验证

图5给出了音爆特征信号实测结果曲线，横坐标是轴向位置，纵坐标是压力值。区间A内的压力值表示参考探针测值，区间B的压力值表示测量探针处于模型波系影响区之外时的测值，区间C的压力值表示测量探针处于模型波系影响区时的压力测值。

图6给出了与图5相同轴向位置对应的空风洞背景压力曲线(背景压力分布均匀)，坐标定义和图1的区间定义一致。可以看出，在图6中，此时在区间B和C对应的轴向位置的背景压力是均匀分布的。

图7给出了根据图5和图6数据按照传统数据处理方法处理后的音爆特征信号结果曲线。可以看出，通过数据处理，使得测量探针处于模型波系影响区之外时(区间B)过压值为零，特征信号的波形没有大的变化。

图8给出了与图5相同轴向位置对应的空风洞背景压力曲线(背景压力分布不均匀)。坐标定义和区间定义一致。可以看出，此时在区间B和C对应的轴向位置的背景压力分布是不均匀的，这更符合实际情况。

假设图6和图8中区间A和B的压力值相同，则根据图5和图8数据按照传统数据处理方法处理后的音爆特征信号结果曲线将与图7一致，均使得测量探针处于模型波系影响区之外时(区间B)过压值为零，特征信号的波形没有大的变化。但此时可以发现，由于无法消除背景压力波动的影响，是无法确定图7给出的过压曲线是否是模型真实的音爆特征信号。简言之，当如图6所示的空风洞背景压力分布均匀时，采用传统方法修正得到的数据符合实际情况；当如图8所示的空风洞背景压力分布不均匀时，则无法确定图7给出的过压曲线是否是模型真实的音爆特征信号。

图9给出了根据图5和图8按照本专利所述方法进行处理后的音爆特征信号曲线。坐标定义和区间定义与之前一致。可以看出，虽然原始数据一致，但采用本专利所述方法能够消除背景压力波动对试验结果的干扰，能够更真实的反应音爆特征。

(2)数据实测

如下表1给出了风洞流场校测和音爆测量试验结果。需要说明的是，风洞流场校测结果是指基于音爆测量设备开展并当模型处于风洞下游其波系不干扰上游空风洞流场分布时的试验结果。

表1风洞流场校测和音爆测量试验结果

图10给出了流场校测试验时压力沿轴线波动曲线图。图11给出了修正方法对比曲线图；其中，分别给出了原始数据、传统方法修正数据、采用本发明的修正数据。

从图11中可以看出，传统方法相比于原始结果基本只修正了零点，曲线近似于平移，但本申请提供的方法修正后的数据曲线出现了明显差异，尤其是x＝300附近对应的过压值峰值变化，相较于传统修正方法曲线，在保证零点一致的同时，峰值偏差近100％，结合流场校测结果曲线可以看出，在x＝300附近正是背景压力波动较大的位置，本发明成功将背景压力波动的干扰从原始数据中消除，有效地保证了试验数据的真实可靠。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (9)

1.一种音爆测量风洞试验数据处理方法，其特征在于，包括如下步骤：

A.根据探针的构型与开孔位置，通过理论计算或数值仿真获得探针的压力恢复系数φ，其定义如下式所示：

其中，P_MEASURED是指探针的压力测值，P_TRUE是指压力真值；

B.将测量探针沿风洞轴向移测，开展流场校测，获得沿程的测量探针压力测值，记为P’_Oi；每个测点的轴向位置记为x_Oi，测量探针轴线距壁板在垂直方向上的距离记为y₀；

C.开展模型音爆测量风洞试验，获得沿程各点的测量探针压力测值，记为P’_i；每个测点的轴向位置记为x_i，测量探针轴线距壁板在垂直方向上的距离记为y，参考探针在测量探针位于各测点时对应的压力测值记为P’_ri；

D.利用压力恢复系数，按照以下公式获得各测点的压力真值：

其中，P_Oi是指流场校测试验时，通过压力恢复系数修正的某一测量位置x_Oi对应的测量探针的压力测值，即风洞背景压力；

P_i是指音爆测量风洞试验时，通过压力恢复系数修正的某一测量位置x_i对应的测量探针的压力测值；

P_ri是指音爆测量风洞试验时，通过压力恢复系数修正的测量探针处于某一测量位置x_i时，参考探针的压力测值，即参考静压；

E.计算流场校测试验时整个测量区间所有测量位置对应P_Oi的平均值，记为P_Oaverage；

F.计算流场校测试验时测量区间内每个测点位置x_Oi相较于测量区间压力均值的压力波动量ΔP_Oi＝(P_Oi-P_Oaverage)；

G.将流场校测试验时获得的(x_OiΔP_Oi)进行插值处理，得到对应于音爆测量风洞试验时的测量位置x_i的背景压力波动量，记为ΔP_{Oi-interpolation}；

H.将在音爆测量风洞试验时获得的测量位置x_i对应的P_i扣除对应位置的背景压力波动量ΔP_{Oi-interpolation}，得到修正压力测值P_i-correction；

I.当音爆测量风洞试验时的某一测量位置x_i位于模型音爆影响区之外时，利用在该位置对应时刻的参考静压P_ri以及P_i-correction，计算(ΔP/P)_MEASURED，O，计算公式如下：

J.计算在某一测量位置x_i未受到音爆影响时的静压值P_si，计算公式如下：

K.当音爆测量风洞试验时的某一测量位置x_i位于模型音爆影响区时，对应的过压值

按照以下公式计算得到：

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤B中的流场校测试验与步骤C的音爆测量风洞试验在相同洞体及风洞运行参数条件下开展。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述步骤B中的流场校测试验基于当前音爆测量设备开展。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤B中的测量探针轴线距壁板在垂直方向上的距离与步骤C中的测量探针轴线距壁板在垂直方向上的距离保持一致。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤B、步骤C中测量探针的轴向测量位置尽可能保持一致。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤D中，若试验所用探针的构型及开孔位置一致，则压力恢复系数φ为同一个值；若不一致，则每根探针对应的压力恢复系数不同。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤E中，测量区间均处于同一菱形区内。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤G中，进行插值处理时选择数据内插。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤I中，若位于模型音爆影响区之外的测点多于一点，取这些测量位置的压力测值均值作为计算参数。

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