CN105021372B - 风洞自由飞模型相似设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种风洞自由飞模型相似设计方法，其特征在于，步骤如下：根据风洞观察窗区域内需获得的最大角运动周期数可得出模型的尺寸缩比比例，给定缩比后模型的密度值，根据密度值计算模型的质量和转动惯量，根据质量、转动惯量和已知的实际飞行器轴向的无量纲质心位置，设计模型。本发明简单、实用、有效，使用方便，根据本发明的设计方法而设计的模型确保了试验对模型最大角运动周期数的要求，保证气动参数辨识的精度，同时实现对模型质心、质量和转动惯量的相似设计，满足对模型的加工工艺性要求，从而确保了试验既能真实的模拟飞行器的实际飞行状态，又能获得足够多的有效试验信息。
Description
技术领域
本发明涉及风洞自由飞试验领域，尤其涉及一种风洞自由飞模型相似设计方法。
背景技术
风洞自由飞试验是飞行器动态特性研究中的一种重要手段。其试验原理是在保证风洞试验与飞行状态的动力学相似的情况下，真实地再现飞行器自由飞行状态下由非定常气动力作用下的动态特性，通过高速摄影对飞行器的运动特征进行直接记录和观察，同时基于气动参数辨识技术，根据试验中高速摄像机拍摄记录的模型角位移和线位移数据，获得飞行器的静、动稳定导数系数，以及阻力、升力系数等。使用小尺度模型来预测全尺度飞行器的动态特性主要依靠一系列的相似准则，而风洞自由飞试验有其特殊性，既须满足通常风洞试验所要求的气动相似准则，又须满足模型(飞行器)在气流中运动的动力学相似准则，需同时满足质心位置(对面对称飞行器而言还需保证高度方向的质心相似)和转动惯量的相似是风洞自由飞模型设计的一个重要特点；同时为确保试验取得准确结果，模型设计还应满足一个与风洞可视区域相关的设计准则，也就是在风洞观察窗范围内，尽可能增加模型在可视区域内(即风洞的观察窗)的角运动周期数(高速摄影记录)，以增加和改善分析精度。为满足此准则，要求模型必须具有大质量/转动惯量比。
因此风洞自由飞模型的设计必须全局、综合地考虑上述所有因素和要求，才能确保风洞自由飞试验既能够真实模拟飞行器的实际飞行状态，又能获得足够多的有效试验信息，但要兼顾上述所有的因素和要求，显然会使模型的设计难度非常大，若无一定的设计方法和技巧，将无法实现如此复杂的模型设计，因而提出一种简单、实用、有效的风洞自由飞模型的相似设计方法对于保障风洞自由飞试验技术的有效实现具有重要意义。
发明内容
针对上述技术问题，本发明的目的在于提供一种风洞自由飞模型相似设计方法，能够简单、实用、有效地实现对风洞自由飞模型的相似设计，并满足模型角运动周期数要求，从而确保试验既能真实的模拟飞行器的实际飞行状态，又能获得足够多的有效试验信息。
本发明的技术方案为：
一种风洞自由飞模型相似设计方法，步骤如下：
步骤(1)根据风洞观察窗直径L、实际飞行器的质量mf、转动惯量If、长度lf以及飞行器阻力系数CD和静导数系数和模型在风洞观察窗区域内需获得的最大角运动周期数n，可得出模型的尺寸缩比比例其中，lex为模型长度，n＞2，kl的取值应使模型的长度lex不超过风洞观察窗直径L的一半；
步骤(2)根据实际飞行器的质量m/和体积Vf得到其平均密度给定缩比后模型的密度值ρex，可得密度缩比比例ρex的取值介于外壳密度和内核密度之间；
步骤(3)根据质量缩比比例及已知实际飞行器的质量mf，可得模型的质量
步骤(4)根据转动惯量缩比比例及已知实际飞行器的转动惯量If，可得模型的转动惯量
步骤(5)根据步骤(3)所得的mex、步骤(4)所得的Iex和已知的实际飞行器轴向的无量纲质心位置设计模型，具体为：通过将具有一定密度的内核放置在质心位置附近以使模型获得质心位置通过调整模型外壳的厚度、模型内部挖空质量的大小以及内核的形状、尺寸和密度以使模型获得质量mex，其中，内核密度与外壳密度比为ρ核/ρ壳≥6.0。
优选的是，所述的风洞自由飞模型相似设计方法中，步骤(5)中，通过调节模型内部挖空质量的大小以使所述模型获得转动惯量Iex。
优选的是，所述的风洞自由飞模型相似设计方法中，还包括：步骤(6)若步骤(5)无法设计出能够同时获得mex、Iex和的模型，则返回步骤(2)，减小ρex值，再重复步骤(3)-步骤(5)。
优选的是，所述的风洞自由飞模型相似设计方法中，步骤(6)中，如步骤(5)中所选择的模型外壳的厚度低于第一厚度阈值，则返回步骤(2)，减小ρex值，再重复步骤(3)-步骤(5)。
优选的是，所述的风洞自由飞模型相似设计方法，还包括：步骤(6)若步骤(5)无法设计出能够同时获得mex、Iex和的模型，则返回步骤(2)，减小ρex值，再重复步骤(3)-步骤(5)；若ρex值减小后，模型质量小于质量阈值，则返回步骤(1)，通过增大模型长度lex以增大尺寸缩比比例kl值，再重复步骤(2)-步骤(5)；若步骤(1)中增大kl值后，最大角运动周期数n≤2，则在执行至步骤(4)时令模型的实际转动惯量Iex小于继续执行步骤(5)使模型能够获得mex、Iex和
优选的是，所述的风洞自由飞模型相似设计方法中，步骤(6)中，如步骤(5)中所选择的模型外壳的厚度低于第一厚度阈值，则返回步骤(2)，减小ρex值，再重复步骤(3)-步骤(5)；若ρex值减小后，模型质量小于质量阈值，则返回步骤(1)，通过增大模型长度lex以增大尺寸缩比比例kl值，再重复步骤(2)-步骤(5)；若步骤(1)中增大kl值后，最大角运动周期数n≤2，则在执行至步骤(4)时令模型的实际转动惯量Iex小于继续执行步骤(5)使模型能够获得mex、Iex和
优选的是，所述的风洞自由飞模型相似设计方法，还包括：步骤(7)当步骤(5)设计出能够同时获得mex、Iex和的模型时，如模型质量小于质量阈值且该模型的外壳厚度大于第二厚度阈值，则返回步骤(2)，增加ρex值，再重复步骤(3)-步骤(5)。
本发明与现有技术相比的有益效果为：
1、本发明给出的模型相似设计方法简单、实用、有效，使用方便；
2、本发明的设计方法在首先确保了试验对模型角运动周期数的要求(以保证气动参数辨识的精度)的前提下，同时实现对模型质心、质量和转动惯量的相似设计，且满足模型的加工工艺性要求，从而确保了试验既能较为真实的模拟飞行器的实际飞行状态，又能获得足够多的有效试验信息；
3、本发明给出了在无法同时实现质心、质量和转动惯量的相似设计和兼顾对模型角运动周期数的要求时，可采取的放松相似准则的设计方法和应用该方法所应遵循的原则和条件。
附图说明
图1为本发明所述方法的流程图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
请参阅图1，本发明提供了一种风洞自由飞模型相似设计方法，应用于风洞中的模型自由飞试验中，使模型设计满足相似准则的要求，实现了同时对模型质心、质量和转动惯量的相似设计，且考虑了模型的加工工艺性，同时还满足了一个与风洞可视区域相关的设计准则，也就是在风洞的观察窗的限制下，保证在风洞观察窗范围内，尽可能增加模型在可视区域内(即风洞的观察窗)的角运动周期数(高速摄影记录)，以保证气动参数辨识的精度，保证试验取得准确结果。具体步骤如下：
步骤(1)根据风洞观察窗直径L，实际飞行器的质量mf、转动惯量If、长度lf以及根据定常风洞测力试验或者数值计算得到的飞行器阻力系数CD和静导数系数和模型在风洞观察窗区域内需获得的最大角运动周期数n(模型在观察窗范围内能够飞过的最大距离，也即两倍观察窗距离时，高速摄影能够拍摄到角运动周期数)，可得出模型的尺寸缩比比例其中，lex为缩比后试验模型的长度，由于公式中除最大角运动周期数n以外，其他量均为定值，因此改变n值即可获得不同的模型缩比比例kl，但n值的取值应满足气动参数辨识的精度要求(通常模型角运动周期数需大于2才能满足气动参数辨识精度要求)，同时模型尺寸缩比比例kl的确定还应使得模型的长度尽量不要超过风洞观察窗直径的一半，以便能较多的观察完整模型在观察窗内的运动状态。
步骤(2)根据实际飞行器的质量mf和体积Vf得到其平均密度给定缩比后模型的密度值ρex，可得密度缩比比例ρex值的大小要适中，过大会增加模型设计的难度，甚至难以实现相似设计，过小则会使得模型质量过小，进而使得模型不但从发射机构发射出来较为困难，而且即使模型离开发射机构后也会因为质量过小而难以在风洞观察窗区域内飞行较大的距离，为此必需给模型施加较大的发射初速度才能解决或者缓解上述问题，因而这将较大的增加试验难度。同时ρex取值要保证在存在这样密度值材料的范围内，通常取在外壳材料密度和内核材料密度值之间。
步骤(3)根据质量缩比比例及已知实际飞行器的质量mf，可得模型的质量
步骤(4)根据转动惯量缩比比例及已知实际飞行器的转动惯量If，可得模型的转动惯量
步骤(5)根据步骤(3)所得的mex、步骤(4)所得的Iex和已知的实际飞行器轴向的无量纲质心位置设计模型，具体为：通过将具有一定密度的内核放置在质心位置附近以使模型获得质心位置通过调整模型外壳的厚度、模型内部挖空质量的大小以及内核的形状、尺寸和密度以使模型获得的质量mex。
进一步地，所述的风洞自由飞模型相似设计方法中，步骤(5)中，通过调节模型内部挖空质量的大小以使所述模型获得转动惯量Iex。根据步骤(3)和步骤(4)中所得的mex和Iex以及飞行器轴向的无量纲质心位置对于面对称飞行器还有高度方向的无量纲质心位置等参数，对模型进行设计；为实现能够同时满足上述几个参数要求，需采用薄壳加高密度内核的形式对模型进行设计(通常高密度内核与薄壳材料密度比应满足：ρ核/ρ壳≥6.0)；薄壳形式有助于获得所需的转动惯量Iex，通过调节模型内部挖空质量的大小，也即增减模型远离质心处的质量可获得所需的转动惯量；将一定体积和形状的高密度内核放置在质心位置附近，可获得模型所需质心位置；而模型质量mex的获得需统筹考虑模型质心位置和转动惯量Iex，通过统筹调整模型薄壳的厚度、模型内部挖空的情况及高密度内核的形状及尺寸可获得所需模型的质量mex，在面对称飞行器模型情况下还需要同时考虑的设计。
进一步地，所述的风洞自由飞模型相似设计方法，还包括：步骤(6)若步骤(5)无法设计出能够同时获得mex、Iex和的模型，则返回步骤(2)，减小ρex值，再重复步骤(3)-步骤(5)，直至设计出能够同时获得mex、Iex和的模型。
进一步地，所述的风洞自由飞模型相似设计方法中，步骤(6)中，如只有采用较薄的外壳才能实现上述参数的相似设计，但步骤(5)中所选择的该模型外壳的厚度低于第一厚度阈值，则返回步骤(2)，减小ρex值，再重复步骤(3)-步骤(5)，直至设计出能够同时获得mex、Iex和的模型。
具体地，若步骤(5)出现难以同时实现上述参数的相似设计或只有采用较薄的外壳才能实现上述参数的相似设计，但过薄的外壳带来加工的难度等问题，往往是由于ρex值给的过大造成；ρex值过大会导致模型的质量mex和转动惯量Iex均较大，因此必须采用更薄的模型外壳，才能腾出能够同时调节质心、质量和转动惯量的空间，尤其是在需要考虑的情况下空间会更紧张，但过薄的外壳会给模型加工带来困难，甚至即使采用更薄的外壳也将无法同时实现质心、质量和转动惯量的相似设计，在此情况下需返回步骤(2)重新给定较小的ρex值，再重复步骤(3)-(5)，直至可较好的实现模型的相似设计和加工。上述第一厚度阈值可以根据外壳材料和加工设备具体情况确定的，外壳的厚度不能低于加工工艺和保证外壳强度所要求的厚度值。
进一步地，所述的风洞自由飞模型相似设计方法，还包括：步骤(6)若步骤(5)无法设计出能够同时获得mex、Iex和的模型，则返回步骤(2)，减小ρex值，再重复步骤(3)-步骤(5)；若ρex值减小后，模型质量过小，小于质量阈值，则需返回步骤(1)，增大尺寸缩比比例kl值(也即增大模型长度lex)，再重复步骤(2)-步骤(5)；若步骤(1)中kl值增大造成模型最大角运动周期数n减小至已不能满足气动参数辨识精度要求时，则在执行至步骤(4)时令模型的实际转动惯量Iex小于继续执行步骤(5)使模型能够获得mex、Iex和从而使模型的最大角运动周期数满足对气动参数辨识精度要求。设置质量阈值是因为，质量过小会使得模型从发射机构发射出来较为困难，也会使模型在离开发射机构后难以在风洞观察窗区域内飞行较大的距离。
进一步地，所述的风洞自由飞模型相似设计方法中，步骤(6)中，如该模型的外壳厚度低于第一厚度阈值，则返回步骤(2)，减小ρex值，再重复步骤(3)-步骤(5)；若ρex值减小后，模型质量过小，即小于质量阈值，则需返回步骤(1)，增大尺寸缩比比例kl值(也即增大模型长度lex)，再重复步骤(2)-步骤(5)；若步骤(1)中kl值增大造成模型最大角运动周期数n减小至已不能满足气动参数辨识精度要求时，则在执行至步骤(4)时令模型的实际转动惯量Iex小于继续执行步骤(5)使模型能够获得mex、Iex和从而使模型的最大角运动周期数满足对气动参数辨识精度要求。
具体地，若出现kl值增大后造成可拍摄的模型最大角运动周期数n减小至已不能满足气动参数辨识精度要求时，则可采取适当减小转动惯量(也即模型实际转动惯量Iex小于)，使模型振荡运动的频率增加，也即振荡运动的周期减小，从而实现模型在同样的拍摄时间内角运动周期数的增加。此时的转动惯量Iex虽已不符合相似律的要求，但由于转动惯量Iex影响的只是模型振荡运动的快慢，而对模型的动态特性影响不大，因此在必要的情况下，可采取此方式来获得更多的模型角运动周期数，但这只是在无法同时实现质心、质量和转动惯量的相似设计和兼顾对模型角运动周期数的要求时，所采取的放松相似准则的措施，只能在模型角运动周期数不能满足对气动参数辨识精度要求，又无其他解决办法的情况下使用。
优选的是，所述的风洞自由飞模型相似设计方法，还包括：步骤(7)当步骤(5)设计出能够同时获得mex、Iex和的模型时，如模型的质量较小(即小于质量阈值)且该模型的外壳厚度大于第二厚度阈值，则返回步骤(2)，增加ρex值，再重复步骤(3)-步骤(5)。若能够同时获得mex、Iex和且模型质量较小而可设计壁厚也较厚时，则表明ρex值过小，此时可适度加大ρex值，再重复步骤(3)-(5)，直至既可实现模型的相似设计和加工，又可获得较为适宜的模型质量，则可获得最终确定的模型密度值，这样做的好处是降低试验中模型发射速度实现的难度；但加大ρex值应掌握适度原则，不可过度加大ρex值，以免造成模型的相似设计和加工难度过大。第二厚度阈值是根据具体模型的尺寸、质量的大小和实现相似设计的难易程度确定。
实施例一
某飞行器长度lf＝3m，质量mf＝1200kg、转动惯量If＝600Kg·m2，在某马赫数下CD＝0.2，Vf＝1.5m3风洞观察窗直径L＝0.35m。
试验模型设计过程如下：
步骤(1)取最大角运动周期数n＝4，可得出模型的尺寸缩比比例因而缩比后试验模型的长度lex＝0.112m。
步骤(2)根据实际飞行器的质量mf和体积Vf得到其平均密度给定缩比后模型的密度值ρex＝3000(kg/m3)，可得密度缩比比例
步骤(3)根据质量缩比比例及已知实际飞行器的质量mf，可得模型的质量：
步骤(4)根据转动惯量缩比比例及已知实际飞行器的转动惯量If，可得模型的转动惯量：
步骤(5)根据步骤(3)所得的mex、步骤(4)所得的Iex和已知的实际飞行器轴向的无量纲质心位置设计模型，具体为：模型外壳材料采用硬铝(密度约为2790kg/m3)，内核材料采用高比重钨合金(密度约为18000kg/m3)，将适当体积和形状的内核放置在质心位置附近，调整模型外壳的厚度、模型内部挖空质量的大小以及内核的形状、尺寸，从而使模型同时获得质心位置转动惯量Iex 1.611×10-4Kg·m2，以及质量mex＝0.232kg，由于本例中kl和kρ取值较为合适，因此试验模型的相似设计较为容易实现，且试验模型的外壳厚度和模型质量也较为合理，因此无需执行步骤(6)或(7)，相似设计至步骤(5)已完成。
该模型的风洞自由飞试验在观察窗范围内获得了将近四个角运动周期，较好的实现了对该飞行器动态气动特性的研究，并获了具有足够精度的气动参数辨识结果。
本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改，因此，本发明的保护范围应当以本发明权利要求所界定的范围为准。
Claims (7)
1.风洞自由飞模型相似设计方法，其特征在于，步骤如下：
步骤(1)根据风洞观察窗直径L、实际飞行器的质量mf、转动惯量If、长度lf以及飞行器阻力系数CD和静导数系数和模型在风洞观察窗区域内需获得的最大角运动周期数n，可得出模型的尺寸缩比比例其中，lex为模型长度，n＞2，kl的取值应使模型的长度lex不超过风洞观察窗直径L的一半；
步骤(2)根据实际飞行器的质量mf和体积Vf得到其平均密度给定缩比后模型的密度值ρex，可得密度缩比比例ρex的取值介于外壳密度和内核密度之间；
步骤(3)根据质量缩比比例及已知实际飞行器的质量mf，可得模型的质量
步骤(4)根据转动惯量缩比比例及已知实际飞行器的转动惯量If，可得模型的转动惯量
步骤(5)根据步骤(3)所得的mex、步骤(4)所得的Iex和已知的实际飞行器轴向的无量纲质心位置设计模型，具体为：通过将具有一定密度的内核放置在质心位置附近以使模型获得质心位置通过调整模型外壳的厚度、模型内部挖空质量的大小以及内核的形状、尺寸和密度以使模型获得质量mex，其中，内核密度与外壳密度比为ρ核/ρ壳≥6.0。
2.如权利要求1所述的风洞自由飞模型相似设计方法，其特征在于，步骤(5)中，通过调节模型内部挖空质量的大小以使所述模型获得转动惯量Iex。
3.如权利要求2所述的风洞自由飞模型相似设计方法，其特征在于，还包括：步骤(6)若步骤(5)无法设计出能够同时获得mex、Iex和的模型，则返回步骤(2)，减小ρex值，再重复步骤(3)-步骤(5)。
4.如权利要求3所述的风洞自由飞模型相似设计方法，其特征在于，步骤(6)中，如步骤(5)中所选择的模型外壳的厚度低于第一厚度阈值，则返回步骤(2)，减小ρex值，再重复步骤(3)-步骤(5)。
5.如权利要求1所述的风洞自由飞模型相似设计方法，其特征在于，还包括：步骤(6)若步骤(5)无法设计出能够同时获得mex、Iex和的模型，则返回步骤(2)，减小ρex值，再重复步骤(3)-步骤(5)；若ρex值减小后，模型质量小于质量阈值，则返回步骤(1)，通过增大模型长度lex以增大尺寸缩比比例kl值，再重复步骤(2)-步骤(5)；若步骤(1)中增大kl值后，最大角运动周期数n≤2，则在执行至步骤(4)时令模型的实际转动惯量Iex小于继续执行步骤(5)使模型能够获得mex、Iex和
6.如权利要求5所述的风洞自由飞模型相似设计方法，其特征在于，步骤(6)中，如步骤(5)中所选择的模型外壳的厚度低于第一厚度阈值，则返回步骤(2)，减小ρex值，再重复步骤(3)-步骤(5)；若ρex值减小后，模型质量小于质量阈值，则返回步骤(1)，通过增大模型长度lex以增大尺寸缩比比例kl值，再重复步骤(2)-步骤(5)；若步骤(1)中增大kl值后，最大角运动周期数n≤2，则在执行至步骤(4)时令模型的实际转动惯量Iex小于继续执行步骤(5)使模型能够获得mex、Iex和
7.如权利要求4所述的风洞自由飞模型相似设计方法，其特征在于，还包括：步骤(7)当步骤(5)设计出能够同时获得mex、Iex和的模型时，如模型质量小于质量阈值且该模型的外壳厚度大于第二厚度阈值，则返回步骤(2)，增加ρex值，再重复步骤(3)-步骤(5)。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |