CN114088335A - 基于气动探针正反向连续运动的定常流场快速测量方法 - Google Patents

基于气动探针正反向连续运动的定常流场快速测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于气动探针正反向连续运动的定常流场快速测量方法。本发明属于气动测试技术领域。该测量方法由气动探针正向和反向连续运动获得两组压力测量数据，首先进行无相位偏移的低通滤波处理，再设定离散***压力递推公式的传递函数的系数进行修正，获取两组修正后的压力测量数据，随后利用连续同步采集的气动探针位置信息插值，获取相同的空间位置处的修正后的压力测量数据，最后以相同的空间位置的正向修正后的压力测量数据和反向修正后的压力测量数据的平均值作为气动探针的最终的压力测量数据。该测量方法能够显著提高气动探针的定常流场气动参数的测试效率，降低试验成本，无新增硬件设备，实施便捷且具有较强的环境适应性。

Description

基于气动探针正反向连续运动的定常流场快速测量方法
技术领域
本发明属于气动测试技术领域，具体涉及一种基于气动探针正反向连续运动的定常流场快速测量方法。
背景技术
标准的气动探针测量***由气动探针、测压软管和压力传感器（压力扫描阀）等组成，一般用于稳态定常流场气动参数的测量。由于气动探针和测压软管形成的管腔效应会造成连接在测压软管末端的压力传感器测量到的变化压力信号发生滞后，因此在使用气动探针测量不同空间位置的流场参数时，通常采用离散点测量方式，即气动探针到达测量点位后，需等待一定时间，待测压管路压力达到平衡后再进行测量。然而当测量所需的空间测点数较多或测压管路压力的稳定时间较长时，这种测量方式会大大增加试验测量时间。
当前，亟需发展一种基于气动探针正反向连续运动的定常流场快速测量方法。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种基于气动探针正反向连续运动的定常流场快速测量方法。
本发明的基于气动探针正反向连续运动的定常流场快速测量方法由气动探针正向和反向连续运动获得两组压力测量数据进行无相位偏移的低通滤波处理。通过设定
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE002
阶离散***压力递推公式的传递函数的系数，经过修正后可获取两组修正后的压力测量数据，两组修正后的压力测量数据利用连续同步采集的气动探针位置信息插值能够获取相同的空间位置处的修正后的压力测量数据。以相同的空间位置的正向修正后的压力测量数据和反向修正后的压力测量数据的平均值作为气动探针的最终的修正后的压力测量数据。
本发明的基于气动探针正反向连续运动的定常流场快速测量方法，包括以下步骤：
S10.如果已经获得定常流场条件下的气动探针管路***压力传递的动态特性参数，转入步骤S100，否则转入步骤S20；
S20.在风洞的位移机构上安装气动探针，气动探针连接测压软管，测压软管末端连接压力信号测量装置；风洞启动，待流场稳定后，位移机构沿正向从静止加速到匀速速度再减速到静止，使气动探针从起点连续运动至终点；随后，位移机构沿反向从静止加速到与正向相同的匀速速度再减速到静止，使气动探针从终点运动至起点；运动过程中，数采***以相同的采样率同步采集气动探针位置数据和测量压力数据；
S30.对测量压力数据进行无相位偏移的低通滤波处理；
对气动探针连续运动得到的测量压力数据进行无相位偏移的低通滤波处理，将处理后的测量压力数据序列记为
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE004
；
S40.依据线性离散***理论，建立修正压力数据序列
Figure DEST_PATH_IMAGE006
的递推公式如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE008
（1）
式中，
Figure DEST_PATH_IMAGE010
和
Figure DEST_PATH_IMAGE012
的下标表示数据序列的序号，
Figure 623867DEST_PATH_IMAGE002
为***阶次，
Figure 196800DEST_PATH_IMAGE002
取3或4，
Figure DEST_PATH_IMAGE014
、
Figure DEST_PATH_IMAGE016
为气动探针管路***的动态特性参数；
Figure DEST_PATH_IMAGE018
，
Figure DEST_PATH_IMAGE020
为测量压力数据的数量，
Figure DEST_PATH_IMAGE022
；
S50.设定公式（1）中气动探针管路***的动态特性参数
Figure DEST_PATH_IMAGE024
、
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE026
的预估初值；
Figure 773275DEST_PATH_IMAGE014
、
Figure 965222DEST_PATH_IMAGE016
的预估初值依据已知的管路***的动态参数给出，同时由于气动探针管路***处于平衡状态时压力信号的输入值等于输出值，即频率为0时，***的增益值为1，故动态特性参数还满足以下约束关系：
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE028
（2）
S60.根据公式（1）计算获取修正后的压力数据；
由于气动探针在开始运动前处于静止状态，管路***压力处于平衡状态，此时管路末端测量压力与探针测孔实际感受到的压力相同，故在公式（1）中令
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE030
，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE032
，而后由公式（1）依次递推计算获得修正后压力数据；
S70.根据同步采集的气动探针位置数据，对修正后的压力数据进行插值处理，分别获得相同位置处正向运动修正后压力数据和反向运动修正后压力数据的空间分布；
S80.计算相同的空间位置的正向修正后压力数据和反向修正后压力数据偏差以及数据序列y的极值点处压力数值和对应的修正后压力数值偏差，计算所有数据偏差的平方和；
S90.通过迭代优化的方法不断调整步骤S50设定的动态特性参数
Figure 107490DEST_PATH_IMAGE014
、
Figure 461111DEST_PATH_IMAGE016
，重复步骤S50~S80，直至所有数据偏差的平方和达到最小；以相同的空间位置的正向修正后压力数据和反向修正后压力数据的平均值作为气动探针的最终的修正后压力数据；转入步骤S110；
S100.在风洞的位移机构上安装气动探针，气动探针连接测压软管，测压软管末端连接压力信号测量装置；风洞启动，待流场稳定后，位移机构在按照预先设置的路线使气动探针由起点从静止加速到匀速速度再减速到静止，连续运动至终点，同时数采***以气动探针管路***的动态传递特性所标识的采样率同步采集探针位置和测量压力数据；对测量压力数据进行无相位偏移的低通滤波处理；由公式（1）获取修正后的压力数据；
S110.输出位置坐标和对应的修正后压力数据。
进一步地，所述的步骤S20和步骤S100中压力信号测量装置的固有频率大于等于100Hz。
进一步地，所述的步骤S20和步骤S100中数采***的采样率范围为10Hz~100Hz。
进一步地，所述的步骤S100由公式（1）获取修正后的压力数据时令
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE034
，
Figure DEST_PATH_IMAGE036
。
简而言之，本发明的基于气动探针正反向连续运动的定常流场快速测量方法不需要提前进行探针管路***动态特性标定试验，而是直接由位移机构带动气动探针在流场中分别进行正向和反向连续运动，对探针正反向运动测量数据进行修正，通过迭代优化方法使探针正向和反向运动修正后压力数据的偏差最小化，最终获得气动探针连续运动测孔位置感受到的“真实”压力变化。
具体而言，本发明的基于气动探针正反向连续运动的定常流场快速测量方法由位移机构带动气动探针在被测流场中分别沿正向和反向连续运动，数采***同步采集探针位置数据和探针管路末端压力测量数据。为避免高频脉动噪声信号的影响，对测量压力数据进行无相位偏移的低通滤波处理。依据线性离散***理论建立修正压力数据序列的递推公式，并给定气动探针管路***动态特性参数的预估初值，对气动探针正反向连续运动测量数据进行修正。利用同步采集的探针位置信息对修正后的正反向压力数据在相同探针位置坐标处进行插值处理，获取相同位置坐标下的修正后的正反向压力数据的空间分布。计算两组修正后的压力数据的偏差，同时计算修正前压力极值点位置数据与修正后对应数据的偏差。利用迭代优化方法不断调整管路***动态特性参数，使所有数据偏差的平方和最小化。理想情况下两组修正后的测量压力数据在相同的空间位置应该具有相同的数值，而且，气动探针管路***一般是一个过阻尼***，气动探针管路***的输入信号应该经过输出信号的极值点，可以通过迭代优化的方法，不断优化气动探针管路***的动态特性参数，使得两组修正后的测量压力数据在若干个相同的空间位置处的压力数值偏差平方和以及输出信号的极值点处压力数值和相应的修正后的测量压力数据的偏差平方和达到最小。最后以优化迭代收敛后的相同的空间位置处探针正向和反向运动修正后的压力数据的平均值作为最终气动探针连续运动修正后的压力数据，即为气动探针测孔位置实际感受到的压力空间分布。
本发明的基于气动探针正反向连续运动的定常流场快速测量方法可以方便有效地适应气动探针的各种定常流场环境，且在定常流场分布特征变化不大时也可以只进行一个方向上的气动探针连续运动测量，利用近似的定常流场的气动探针管路***的动态传递特性的
Figure 918025DEST_PATH_IMAGE002
阶离散***压力递推公式获取修正后的测量压力数据。
本发明的基于气动探针正反向连续运动的定常流场快速测量方法能够显著提高气动探针的定常流场气动参数的测试效率，降低试验成本，同时该方法相对传统离散点测量方式无新增测量硬件设备，实施便捷且具有较强的环境适应性。
具体实施方式
下面结合实例对本发明进行详细说明。
实施例1
本实施例的气动探针在进行风洞试验前，已经获得近似的定常流场的气动探针管路***的动态传递特性。具体工作步骤如下：
a1.在风洞的位移机构上安装气动探针；
b1.风洞启动，流场稳定后，位移机构在定常流场中按照预先设置的运动路线匀速运动气动探针，并以气动探针管路***的动态传递特性所标识的采样率采集位置坐标和测量压力数据；
c1.对测量压力数据进行无相位偏移的低通滤波处理；
d1.根据近似的定常流场的气动探针管路***的动态传递特性的
Figure 523449DEST_PATH_IMAGE002
阶离散***压力递推公式获取修正后的测量压力数据；
e1.输出位置坐标和最终的修正后的测量压力数据；
实施例2
本实施例的气动探针在进行风洞试验前，未获得近似的定常流场的气动探针管路***的动态传递特性。具体工作步骤如下：
a2.在风洞的位移机构上安装气动探针；风洞启动，流场稳定后，位移机构沿正向，从静止加速到匀速再减速到静止，将气动探针从起点运动至终点；随后，位移机构沿反向，从静止加速到匀速再减速到静止，将气动探针从终点运动至起点；运动过程中，压力采集测试***以相同的采样率同步采集空间位置和测量压力数据；
b2.对测量压力数据进行无相位偏移的低通滤波处理；
对气动探针连续运动测量得到的测量压力数据进行无相位偏移的低通滤波处理；
c2.设定
Figure DEST_PATH_IMAGE038
阶离散***压力递推公式的传递函数的系数
Figure 644858DEST_PATH_IMAGE024
、
Figure 372643DEST_PATH_IMAGE026
；
d2.根据
Figure 658130DEST_PATH_IMAGE038
阶离散***压力递推公式获取修正后的测量压力数据；
对于相同的采样率，第
Figure DEST_PATH_IMAGE040
个测量值的修正后的测量压力数据
Figure DEST_PATH_IMAGE042
通过以下递推公式获得：
Figure 332825DEST_PATH_IMAGE008
（1）
展开后：
Figure DEST_PATH_IMAGE044
（3）
其中，
Figure 308741DEST_PATH_IMAGE018
，
Figure 145110DEST_PATH_IMAGE020
为测量压力数据的数量，
Figure 121156DEST_PATH_IMAGE022
；
e2.将修正后的测量压力数据进行插值处理，获得相同的空间位置的正向修正后的测量压力数据和反向修正后的测量压力数据；
f2.计算相同的空间位置的正向修正后的测量压力数据和反向修正后的测量压力数据的偏差的平方和，以及输出信号的极值点处压力数值和相应的修正后的压力数值的偏差的平方和，不断调整步骤c2的传递函数的系数
Figure DEST_PATH_IMAGE046
、
Figure DEST_PATH_IMAGE048
，重复步骤c2~e2，直至两种偏差的平方和达到最小或者处于给定的偏差范围；以相同的空间位置的正向修正后的测量压力数据和反向修正后的测量压力数据的平均值作为气动探针的最终的修正后的测量压力数据；
g2.输出位置坐标和最终的修正后的测量压力数据。
进一步地，所述的步骤c2的传递函数的系数
Figure 379968DEST_PATH_IMAGE014
、
Figure 757859DEST_PATH_IMAGE016
具有以下两种设置方法：
第一种，根据已经获得近似的定常流场的气动探针管路***的动态传递特性，设定
Figure 499550DEST_PATH_IMAGE002
阶离散***压力递推公式的传递函数的系数
Figure 25210DEST_PATH_IMAGE014
、
Figure 838445DEST_PATH_IMAGE016
；
第二种，假定气动探针在开始运动的起点位置处于压力平衡状态，此时压力传感器的测值即为起点位置气动探针测实际感受的压力值；由于气动探针在压力平衡状态时的输入值等于输出值，即频率为0时，***的增益值为1，此时动态特性参数有以下约束关系：
Figure DEST_PATH_IMAGE050
（2）
根据公式（3）设定
Figure 520443DEST_PATH_IMAGE002
阶离散***压力递推公式的传递函数的系数
Figure 964194DEST_PATH_IMAGE014
、
Figure 445991DEST_PATH_IMAGE016
。
进一步地，假定气动探针在开始运动的起点位置处于压力平衡状态，此时压力传感器的测值即为起点位置气动探针测实际感受的压力值；则步骤e2在公式（2）测量初始前，令
Figure 62917DEST_PATH_IMAGE034
，
Figure 71193DEST_PATH_IMAGE036
。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域。对于熟悉本领域的人员而言，在不脱离本发明原理的前提下，可容易地实现另外的改进和润饰，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节。

Claims (4)

1.基于气动探针正反向连续运动的定常流场快速测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
S10.如果已经获得定常流场条件下的气动探针管路***压力传递的动态特性参数，转入步骤S100，否则转入步骤S20；
S20.在风洞的位移机构上安装气动探针，气动探针连接测压软管，测压软管末端连接压力信号测量装置；风洞启动，待流场稳定后，位移机构沿正向从静止加速到匀速速度再减速到静止，使气动探针从起点连续运动至终点；随后，位移机构沿反向从静止加速到与正向相同的匀速速度再减速到静止，使气动探针从终点运动至起点；运动过程中，数采***以相同的采样率同步采集气动探针位置数据和测量压力数据；
S30.对测量压力数据进行无相位偏移的低通滤波处理；
对气动探针连续运动得到的测量压力数据进行无相位偏移的低通滤波处理，将处理后的测量压力数据序列记为
Figure DEST_PATH_IMAGE002
；
S40.依据线性离散***理论，建立修正压力数据序列
Figure DEST_PATH_IMAGE004
的递推公式如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE005
式中，
Figure DEST_PATH_IMAGE007
和
Figure DEST_PATH_IMAGE009
的下标表示数据序列的序号，
Figure DEST_PATH_IMAGE011
为***阶次，
Figure 673977DEST_PATH_IMAGE011
取3或4，
Figure DEST_PATH_IMAGE013
、
Figure DEST_PATH_IMAGE015
为气动探针管路***的动态特性参数；
Figure DEST_PATH_IMAGE017
，
Figure DEST_PATH_IMAGE019
为测量压力数据的数量，
Figure DEST_PATH_IMAGE021
；
S50.设定公式（1）中气动探针管路***的动态特性参数
Figure DEST_PATH_IMAGE023
、
Figure DEST_PATH_IMAGE025
的预估初值；
Figure 653434DEST_PATH_IMAGE013
、
Figure 902013DEST_PATH_IMAGE015
的预估初值依据已知的管路***的动态参数给出，同时由于气动探针管路***处于平衡状态时压力信号的输入值等于输出值，即频率为0时，***的增益值为1，故动态特性参数还满足以下约束关系：
Figure DEST_PATH_IMAGE026
S60.根据公式（1）计算获取修正后的压力数据；
由于气动探针在开始运动前处于静止状态，管路***压力处于平衡状态，此时管路末端测量压力与探针测孔实际感受到的压力相同，故在公式（1）中令
Figure DEST_PATH_IMAGE028
，
Figure DEST_PATH_IMAGE030
，而后由公式（1）依次递推计算获得修正后压力数据；
S70.根据同步采集的气动探针位置数据，对修正后的压力数据进行插值处理，分别获得相同位置处正向运动修正后压力数据和反向运动修正后压力数据的空间分布；
S80.计算相同的空间位置的正向修正后压力数据和反向修正后压力数据偏差以及数据序列y的极值点处压力数值和对应的修正后压力数值偏差，计算所有数据偏差的平方和；
S90.通过迭代优化的方法不断调整步骤S50设定的动态特性参数
Figure 687435DEST_PATH_IMAGE013
、
Figure 970649DEST_PATH_IMAGE015
，重复步骤S50~S80，直至所有数据偏差的平方和达到最小；以相同的空间位置的正向修正后压力数据和反向修正后压力数据的平均值作为气动探针的最终的修正后压力数据；转入步骤S110；
S100.在风洞的位移机构上安装气动探针，气动探针连接测压软管，测压软管末端连接压力信号测量装置；风洞启动，待流场稳定后，位移机构在按照预先设置的路线使气动探针由起点从静止加速到匀速速度再减速到静止，连续运动至终点，同时数采***以气动探针管路***的动态传递特性所标识的采样率同步采集探针位置和测量压力数据；对测量压力数据进行无相位偏移的低通滤波处理；由公式（1）获取修正后的压力数据；
S110.输出位置坐标和对应的修正后压力数据。
2.根据权利要求1所述的基于气动探针正反向连续运动的定常流场快速测量方法，其特征在于，所述的步骤S20和步骤S100中压力信号测量装置的固有频率大于等于100Hz。
3.根据权利要求1所述的基于气动探针正反向连续运动的定常流场快速测量方法，其特征在于，所述的步骤S20和步骤S100中数采***的采样率范围为10Hz~100Hz。
4.根据权利要求1所述的基于气动探针正反向连续运动的定常流场快速测量方法，其特征在于，所述的步骤S100由公式（1）获取修正后的压力数据时令
Figure DEST_PATH_IMAGE032
，
Figure DEST_PATH_IMAGE034
。
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