CN104048807A - 连续式跨声速风洞实验段流场变雷诺数控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种连续式跨声速风洞实验段流场变雷诺数控制方法，根据给定的目标雷诺数通过BP算法得到一组马赫数值和与马赫数值对应实验段的总压值；再通过BP算法得到与马赫数值对应的一组压缩机的转速、压缩机的静叶角度和实验段的栅指位置；在常压下进行实验，当满足马赫数的要求，向风洞内增压使得雷诺数改变，当雷诺数达到107量级后，停止风洞内的增压，闭环调节转速，使风洞流场的马赫数和雷诺数同时达到实验要求指标。本发明同时控制栅指、电机及轴流压缩机，马赫数实时测量，在实验段流速场稳定的基础上通过控制风洞气源压力实现风洞实验段雷诺数的连续变化，为连续式跨声速高雷诺数风洞流场的变雷诺数控制提供了一种方法。
Description
技术领域
本发明属于航空航天领域，涉及一种连续式跨声速风洞实验段流场变雷诺数控制方法。
背景技术
先进飞行器的诞生依赖于先进的设计制造技术及一流的风洞实验技术，马赫数和雷诺数是其中关键的指标之一，目前国内风洞实验均能满足马赫数指标，而相应的实验雷诺数却远低于飞行器的实际飞行雷诺数，可以通过增压或增大模型尺寸方式逼近飞行雷诺数，采取外插法得到飞行器飞行雷诺数下的气动特性数据，这样必然带来一定的数据误差，不利于飞行器的设计和选型。连续式跨声速高雷诺数风洞是一种回流式风洞，可以连续进行大量的吹风实验，通过增压方式实现高雷诺数，其结构图如图1所示。利用该种风洞可以进行飞行器的选型实验，达到或接近其飞行雷诺数，为先进翼型选型和先进飞行器的设计提供技术支撑。
连续式跨声速高雷诺数风洞具有如下特点：
1）高雷诺数实验
目前传统风洞的实验雷诺数普遍较低（十万量级或百万量级），远低于高速大尺寸飞行器的实际飞行雷诺数（千万量级），连续式跨声速高雷诺数风洞通过增压的方式可以保障在跨声速条件下雷诺数可达10х106以上，可以为我国开展先进飞机设计时的高雷诺数空气动力学研究提供具有国际水平的研究条件。
2）固定马赫数、变雷诺数实验
由于风洞采取增压方式，因此可以进行固定马赫数下通过改变洞体内流场总压的方式实现变雷诺数实验。飞行器实际飞行中马赫数和雷诺数均会不断发生变化的，因此变雷诺数实验对于我国军机翼型设计和验证也是极其重要的。
3）动态实验
风洞可以持续提供稳定的实验流场（马赫数稳定），通过一定机构可以实现模 型连续运动，非常适合模拟高机动性的军用直升机旋翼的动态特性，而其动态特性又是目前各国空气动力学工作者关注的研究热点之一。
4）效率高、成本低
国内已有的暂冲式风洞，由于采用高压作为动力，每次压气仅能使风洞工作几秒～几十秒，然后重新压气，故存在效率低、成本高的特点。连续式跨声速高雷诺数风洞可以连续运行（马赫数连续可控），因此具有效率高、成本低的特点。
连续式跨声速高雷诺数风洞实验的一个重要挑战就是如何在总压可变的条件下控制实验段流场，使得马赫数和雷诺数均可以连续可调，满足实验要求。连续式跨声速高雷诺数风洞雷诺数控制实质就是在保障风洞实验段实验流场控制的基础上如何实现变雷诺数的控制。
发明内容
要解决的技术问题
为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种连续式跨声速风洞实验段流场变雷诺数控制方法，实现连续式跨声速高雷诺数风洞流场的雷诺数控制。
技术方案
一种连续式跨声速风洞实验段流场变雷诺数控制方法，其特征在于步骤如下：
步骤1：根据给定的目标雷诺数通过BP算法得到一组马赫数值和与马赫数值对应实验段的总压值；
步骤2：每个马赫数值通过BP算法得到与马赫数值对应的一组压缩机的转速、压缩机的静叶角度和实验段的栅指位置；
步骤3：在常压下进行实验，启动压缩机使得转速满足步骤2得到的压缩机转速和压缩机的静叶角度，以及实验段的栅指位置，并使实验环境满足步骤1的马赫数的要求时，系统闭环于给定马赫数；
步骤3：然后向风洞内增压使得雷诺数改变，当雷诺数达到107量级后，停止风洞内的增压，闭环调节转速，使风洞流场的马赫数和雷诺数同时达到实验要求指标。
有益效果
本发明提出的一种连续式跨声速风洞实验段流场变雷诺数控制方法，同时控制栅指、电机及轴流压缩机，马赫数实时测量，在实验段流速场稳定的基础上通过控制风洞气源压力实现风洞实验段雷诺数的连续变化，为连续式跨声速高雷诺数风洞流场的变雷诺数控制提供了一种思路，为保障国家重点型号飞行器的顺利开展提供了技术支持。
附图说明
图1是连续式跨声速高雷诺数风洞结构示意图；
1－压缩机，2－风洞试验段，3－栅指，4－防喘旁路快速阀
图2是连续式跨声速高雷诺数风洞马赫数控制结构示意图；
图3是电机及轴流压缩机控制子系统结构示意图；
图4是气源控制子系统结构示意图；
图5是风洞总压控制工作原理示意图；
图6是马赫数测量子系统结构示意图；
图7是栅指控制子系统结构示意图；
具体实施方式
现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：
本发明变雷诺数控制的工作原理为：系统选用高精度传感器（变送器）测量总压、静压及总温实现对风洞内总静压、总温的实时测量，利用所测总压值、静压值、总温值计算马赫数和雷诺数，该计算值进入计算机闭环自动控制，并最终得到雷诺数的控制。16位的A/D多功能数据采集卡完成总压、静压、总温采集,由计算机控制压缩机电机转速及静叶角或者栅指位置来改变马赫数，通过一定的控制策略控制风洞总压，实现风洞实验雷诺数的控制。
本发明包括电机及轴流压缩机控制子系统、气源控制子系统、马赫数测量子系统、栅指控制子系统，通过上位工控机实现整个系统的控制和运行，如图2所示。
电机及轴流压缩机子系统控制子系统主要完成电机和轴流压缩机转速及静叶角度 的控制，如图3所示。电机转速指令由工控机通过PLC系统传递给直流调速装置后到达电机，电机的实时转速通过调速装置反馈于工控机实现转速的闭环控制，电机转速越高意味着给实验段提供的动能越大，便于实验段给定马赫数流场的建立。与此同时通过工控机可以对轴流压缩机上的静叶角度实现闭环控制，用于改变压缩机入口的流量，间接改变实验段的流速场。
气源控制子系统主要完成风洞气源压力的控制，如图4所示。实验所需气源压力由工控机分别传递给压气机系统、阀门及风洞，常压实验则仅需关闭进气阀门和压气机系统，控制排气阀门实现风洞内压力为常压，增压实验则需要同时开启进气阀门和压气机系统对风洞内进行持续增压，通过排气和进气阀门实现风洞内给定总压的控制。整个工作过程的工作原理如图5所示。
马赫数测量子系统主要完成实验段马赫数的测量，如图6所示。风洞内总静压测点通过管路与压力传感器相连，总温测量与温度传感器连接，压力及总温传感器所测量值通过电信号提供给数据采集卡，工控机通过提取数采卡信息并且经过计算得到实验段的马赫数实时值。
栅指控制子系统主要完成栅指机构栅指位移的控制，如图7所示。风洞实验段流场可以由栅指伸出的位移进行控制，栅指的运动是通过伺服电机来实现的，工控机通过运动控制卡将运动信息传递给交流伺服控制器，驱动伺服电机的运动，最终实现栅指运动的控制。
具体实施例：
步骤1：实验给定的目标雷诺数为通过BP算法得到一组马赫数值和与马赫数值对应实验段的总压值；
其中：ρ为实验段气流密度，与风洞总压成正比，μ为黏性系数，c为实验模型的参考长度，V为实验段速度，与马赫数Ma成正比；
步骤2：每个马赫数值通过BP算法得到与马赫数值对应的一组压缩机的转速、压缩机的静叶角度和实验段的栅指位置；
步骤3：在常压下进行实验，启动压缩机使得转速满足步骤2得到的压缩机转速 和压缩机的静叶角度，以及实验段的栅指位置，并使实验环境满足步骤1的马赫数的要求时，系统闭环于给定马赫数；
步骤3：然后向风洞内增压使得雷诺数改变，当雷诺数达到107量级后，停止风洞内的增压，闭环调节转速，使风洞流场的马赫数和雷诺数同时达到实验要求指标。
表1给出了NACA0012标准翼型模型实验时实验段马赫数和雷诺数的分布情况，可以看出雷诺数可达千万量级以上，而且马赫数和总压均是可调可控的；表2给出了某型号（XX超临界翼型）模型实验时实验段马赫数和雷诺数的分布情况，可以看出马赫数、总压及雷诺数均是可调可控的，且已到千万量级以上。
表1
| 车次号 | 马赫数Ma | 总压(bar) | 雷诺数Re(106) |
| 2008111501 | 0.504 | 1.134 | 2.93 |
| 2008111501 | 0.703 | 1.16 | 3.79 |
| 2008111501 | 0.703 | 1.148 | 3.75 |
| 2008111501 | 0.829 | 1.148 | 4.08 |
| 2008111501 | 0.6 | 1.57 | 4.65 |
| 2008111801 | 0.693 | 4.01 | 13.0 |
| 2008111801 | 0.703 | 4.07 | 13.4 |
| 2008111802 | 0.801 | 3.22 | 11.3 |
| 2008111802 | 0.828 | 3.24 | 11.35 |
表2
| 车次号 | 马赫数Ma | 总压(KPa) | 目标雷诺数Re(106) | 实际雷诺数Re(106) |
| 2010110401 | 0.6 | 105 | 3.0 | 3.0 |
| 2010110402 | 0.6 | 246 | 7.0 | 7.0 |
| 2010110801 | 0.6 | 345 | 10.0 | 10.1 |
| 2011011602 | 0.6 | 330.6 | 10.0 | 10.0 |
| 2010101801 | 0.74 | 215.5 | 7.0 | 7.0 |
| 2011011602 | 0.74 | 289.2 | 10.0 | 10.0 |
| 2011011602 | 0.74 | 311 | 12.0 | 12.0 |
| 2011011701 | 0.74 | 376 | 13.0 | 13.0 |
| 2011011701 | 0.719 | 384 | 13.0 | 13.0 |
| 2010110401 | 0.8 | 206 | 7.0 | 7.0 |
| 2011011701 | 0.8 | 277 | 10.0 | 10.0 |
| 2011011701 | 0.8 | 303 | 11.0 | 11.0 |
Claims (1)
1.一种连续式跨声速风洞实验段流场变雷诺数控制方法，其特征在于步骤如下：
步骤1：根据给定的目标雷诺数通过BP算法得到一组马赫数值和与马赫数值对应实验段的总压值；
步骤2：每个马赫数值通过BP算法得到与马赫数值对应的一组压缩机的转速、压缩机的静叶角度和实验段的栅指位置；
步骤3：在常压下进行实验，启动压缩机使得转速满足步骤2得到的压缩机转速和压缩机的静叶角度，以及实验段的栅指位置，并使实验环境满足步骤1的马赫数的要求时，系统闭环于给定马赫数；
步骤4：然后向风洞内增压使得雷诺数改变，当雷诺数达到107量级后，停止风洞内的增压，闭环调节转速，使风洞流场的马赫数和雷诺数同时达到实验要求指标。
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