CN108009359B - 一种基于Excel的边界层参数计算方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于Excel的边界层参数计算方法,包括:步骤S100:在Excel中编写输入函数,用于在Excel的单元格中获取输入参数;步骤S200:在Excel表格中嵌入计算函数,根据所述输入参数计算边界层参数;步骤S300:在Excel区域中输出所述边界层参数并生成word格式的报告,并在Excel表中展示边界层参数分布。本发明在Excel中采用VBA语言编写程序读取测压装置测量的压力数据,计算边界层参数和展示,对计算机硬件要求低,因此移植性强;对实验人员要求不高,不需要了解编程知识,只需导入数据或者输入数据即可;通过图文方式显示数据处理结果,可以使数据处理结果显示得更加直观,并且能够同步反映测试数据的变化,因此实验操作人员操作时交互性更强。
Description
技术领域
本发明涉及流体力学和数字信号处理领域,具体的说,是一种基于Excel的边界层参数计算方法及系统。
背景技术
当空气或水等流体流过物体表面时,物体表面始终存在一层速度分布不均匀的薄层区域,称之为边界层,边界层区域的流动关系到内埋武器舱、飞机进气道等布局方案的优化以及设备性能的提高,故边界层区域的流动参数测量具有重要意义。边界层区域的流动参数通常利用测压装置进行测量,所测得压力数据通过压力采集装置传入计算机,不过通过这些压力数据无法直接得到边界层区域的其他流场参数,如速度、密度、温度、边界层厚度等,因此测压装置测得的压力数据转换为边界层区流场参数的数据处理方法及计算工具尤为重要。实验操作人员经常利用通用科学计算软件(例如Matlab软件)将实验测得压力数据转换为边界层区域的其他流场参数,存在对设备要求高、内存占用率高,且使用通用科学计算软件需要专业知识,对实验操作人员专业要求高;利用通用科学计算软件编写的程序代码不利于从一台计算机移植到另一台计算机;通用科学计算软件的输入、输出功能复杂程度通常比计算机操作系统自带软件更高,其数据显示方法与Office软件相比不够直观。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于Excel的边界层参数计算方法及系统,用于解决现有技术中压力数据转换为边界层区流场参数的数据处理方法对实验人员要求高,不易移植且显示不够直观的问题,以及不利于实验操作人员发现测试数据的粗大误差,降低了实验效率,增加数据处理成本的问题。
为了达到上述目的,本发明通过下述技术方案实现:
一种基于Excel的边界层参数计算方法,包括:
步骤S100:在Excel中编写输入函数,用于在Excel的单元格中获取输入参数;
步骤S200:在Excel表格中嵌入计算函数,根据所述输入参数计算边界层参数;
步骤S300:在Excel区域中输出所述边界层参数并生成word格式的报告,并在Excel表中展示边界层参数分布。
工作原理:
Excel中采用VBA语言编写输入函数,用于读取测压装置测量的边界层区域的压力数据,压力数据即输入参数。Excel中嵌入VBA语言编写计算函数,即函数关系归纳模块,用于读取导入文本文件中的输入参数并指定显示的单元格并输出显示,或者读取用户输入Excel单元格的输入参数,根据输入参数的类型选择计算函数中的函数进行计算边界层参数,并指定计算结果输出的单元格。并将计算出的边界层参数生成word格式的报告,并根据计算出的边界层参数的比值,计算并在Excel的区域中采用曲线、图形等方式展示边界层参数分布情况。采用Excel进行计算边界层参数,对计算机的要求只需要安装了Excel程序软件则可,对计算机硬件要求不高,实验人员只需要导入测压装置输出的测量数据即可完成计算和展示操作,无需了解编程知识。且由于在Excel中采用了边界层参数计算结果和边界层参数分布的展示,从数据和图形上进行展示,实验人员可以直观的了解边界层区域的流动参数。
进一步地,所述步骤S100中的输入参数包括初始条件数据和从测压装置获取的测试数据,所述初始条件数据包括来流流体类型、来流总温Ts、来流静压ps和来流流体密度ρs,所述测试数据包括边界层位置y及总压py,所述输入参数采用手动输入或导入文本文件。
输入参数包括初始条件和测试数据,Excel采用VBA语言编写的输入函数,读取输入参数,作为计算待测量的边界层参数中的数据,可实现由测压装置测试的压力数据高效快速计算出其他的边界层参数过程,提高数据处理效率。
进一步地,所述步骤S100还包括检测输入参数是否有误:当总压py≥来流静压ps,输入参数正确,否则提示输入参数有误。
在读取输入参数时,进行初步判断是否有误,在计算开始之前就避免了输入参数有误导致计算结果出错的情况,因此提高计算效率。
进一步地,所述步骤S200具体包括:
步骤S210:采用手动输入方式时,Excel中的输入函数读取所述输入参数;采用导入文本文件输入时,Excel中的输入函数读取所属输入参数并显示在Excel的单元格中;
步骤S220:输入函数根据读取的输入参数的类型确定待计算的边界层参数,指定所述待计算的边界层参数输出显示的单元格;
步骤S230:根据输入参数中的来流流体类型选择边界层参数计算函数;
步骤S240:运行边界层参数计算函数。
Excel中的输入函数读取导入的输入参数,并显示在Excel的单元格中,手动输入时,Excel读取数据及单元格位置,并根据输入参数的类型,选择计算输出的边界层参数类型以及输出单元格区域,根据来流流体类型选择调用函数关系归纳模块中对应的计算函数进行计算边界层参数即边界层参数分布。
进一步地,所述步骤S220的边界层参数包括边界层尺度参数、边界层流场参数和边界层参数分布,所述边界层尺度参数包括边界层厚度δ、位移厚度δ*和动量厚度θ,所述边界层流场参数包括速度uy、密度ρy和温度Ty,所述边界层参数分布包括速度比分布、马赫数分布、温度比分布和密度比分布,具体步骤包括:
步骤S221:初步判断输入参数是否出错,若出错则出错提示,若无则进入下一步;
步骤S222:当输入参数中的来流流体类型为不可压缩类型时:
当输入参数中的来流流体类型为可压缩类型时:
边界层厚度δ的计算公式为:δ=h-1(0.99);
Excel中内置的函数关系归纳模块进行计算,并将计算结果在Excel指定的单元格输出;
步骤S223:Excel中内置的粗大误差检测模块查找粗大误差,若不存在粗大误差,跳转至步骤S300,否则,进入下一步;
步骤S224:定位粗大误差所在的数据行,提示用户选择处理粗大误差方式,当用户选择不处理粗大误差时,直接跳转步骤S300;当用户选择处理粗大误差时,查找疑似粗大误差,删除疑似粗大误差所在原始行数据,返回步骤S200。
边界层尺度参数包括边界层厚度δ、位移厚度δ*和动量厚度θ,边界层流场参数包括速度uy、密度ρy和温度Ty,边界层参数分布包括边界层流场参数的比值以及马赫数分布。这些边界层参数的计算函数均位于嵌入Excel中的函数关系归纳模块中,这些计算函数采用VBA语言,将上述数学计算公式采用程序求解,VBA语言为桌面应用程序中执行通用的自动化任务的编程语言,可实现高效快速计算过程,提高数据处理效率。计算结果即得到边界层厚度δ、位移厚度δ*、动量厚度θ、速度uy和密度ρy的计算结果和温度Ty以及速度uy、密度ρy和温度Ty分布和马赫数分布,调用Excel中内置的粗大误差检测模块,查找误差,若不存在则直接输出显示,若存在粗大误差,则找出导致粗大误差的原始数据行,并询问用户是否处理粗大误差,若用于选择不处理,则直接输出显示,若用户要处理粗大误差,则删除导致粗大误差的原始数据行,重新进行计算,直到没有粗大误差时,将计算结果输出显示。输出显示的过程为:将边界层厚度δ、位移厚度δ*、动量厚度θ、速度uy和密度ρy的计算结果在单元格的指定区域输出数据,同时生成word格式的报告,并将速度uy、密度ρy和温度Ty分布和马赫数分布采用曲线或图像在Excel指定区域展示展示。在计算边界层参数的过程中,粗大误差检测模块自动检查测试结果,有利于实验操作人员发现测试数据的粗大误差并进行处理,提高了实验效率,降低数据处理成本。
进一步地,所述步骤S222中的超越方程f(x)采用二分法求解。
计算边界层马赫数分布情况,需要用到超越方程,超越方程的根采用通用性强的二分法进行求解,对于区间[a,b]上连续并且f(a)f(b)<0的函数f(x),通过不断把函数f的零点所在区间一分为二,使区间的两个端点逐步逼近零点,进而得到零点近似值的方法。采用VBA语言编写求解超越方程的根,使马赫数分布的计算更加快速,提高数据处理效率。
进一步地,所述步骤S300中展示边界层参数分布的步骤具体包括:
(a)确定显示区域的大小及起始位置;
(b)选择曲线展示;
(c)清空输出区域;
(d)调整曲线格式;
(e)在Excel中输出边界层参数分布情况。
将边界层区域流场参数采用曲线展示,利用Excel软件的图形显示功能,将数据结果进行画图处理,并将图形结果显示在Excel相应区域,并将边界层区域特征参数利用数据和图形方式保存为word格式的结果文件,供实验操作人员查看。
一种基于Excel的边界层参数计算系统,包括输入模块、计算模块和结果输出模块,其中,
输入模块:在Excel中编写用于读取用户手动输入或导入的输入参数的输入函数;
计算模块:包括函数关系归纳模块和粗大误差检查模块,所述函数关系归纳模块包括用于根据测压装置测试的压力数据计算边界层流场参数的函数和计算边界层尺度参数的函数,调用所述函数关系归纳模块中的函数,将输入模块中的输入参数作为函数的计算因子,得到边界层参数的计算结果;所述粗大误差检查模块用于根据所述边界层参数的计算结果和设定的粗大误差因子检查粗大误差,并提醒和处理粗大误差;
结果输出模块:用于在Excel中输出和展示计算模块中边界层参数的计算结果和粗大误差,并将边界层参数的计算结果生成word格式的报告。
输入模块用于读取输入参数,并将输入参数显示在Excel的单元格中,以及确定待计算的边界层参数的输出单元格,计算模块根据待计算的边界层参数从函数关系归纳模块中调用相关函数,进行计算,并采用粗大误差检查模块检查计算结果,提示粗大误差和根据用户的选择处理粗大误差。结果输出模块将边界层参数的计算结果在Excel中的区域输出数据和图形显示,并生成word格式的报告,供实验人员查看。所述方法和系统并不仅限于处理边界层参数,对于其他类似计算也同样适用,例如流体力学中斜激波的兰金-雨贡纽关系求解、脱体激波入射角计算等。
本发明与现有技术相比,具有以下优点及有益效果:
(1)本发明在Excel采用VBA语言编写程序读取测压装置测量的压力数据,并计算边界层参数和展示,对计算机硬件要求低,所需要的Excel软件为操作系统自带Office软件的一部分,因此移植性强;对实验人员要求不高,不需要了解编程知识,只需导入数据或者输入数据即可;通过图文方式显示数据处理结果,可以使数据处理结果显示得更加直观,并且能够同步反映测试数据的变化,因此实验操作人员操作时交互性更强。
(2)函数关系归纳模块包含了不同的来流流体类型边界层参数的计算函数,适用于水和空气的边界层参数计算,粗大误差检查模块在计算结果进行检查和提醒,便于实验操作人员发现测试数据的粗大误差并处理粗大误差。
(3)占用计算机空间小,容易在不同计算机之间移植,并且该工具操作简单,容易为操作者掌握并使用,因此能够提高实验效率。
(4)通用性强,不仅适用于来流流体为水的情况,还适用于来流流体为空气的情况。当来流流体为空气时,不仅适用于亚声速来流条件,还适用于跨声速和超声速来流条件。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步地详细说明,但本发明的实施方式不限于此。
实施例1:
一种基于Excel的边界层参数计算方法,包括:
步骤S100:在Excel中编写输入函数,用于在Excel的单元格中获取输入参数;
步骤S200:在Excel表格中嵌入计算函数,根据所述输入参数计算边界层参数;
步骤S300:在Excel区域中输出所述边界层参数并生成word格式的报告,并在Excel表中展示边界层参数分布。
工作原理:
Excel中采用VBA语言编写输入函数,用于读取测压装置测量的边界层区域的压力数据,压力数据即输入参数。Excel中嵌入VBA语言编写计算函数,即函数关系归纳模块,用于读取导入文本文件中的输入参数并指定显示的单元格并输出显示,或者读取用户输入Excel单元格的输入参数,根据输入参数的类型选择计算函数中的函数进行计算边界层参数,并指定计算结果输出的单元格。并将计算出的边界层参数生成word格式的报告,并根据计算出的边界层参数的比值,计算并在Excel的区域中采用曲线、图形等方式展示边界层参数分布情况。采用Excel进行计算边界层参数,对计算机的要求只需要安装了Excel程序软件则可,对计算机硬件要求不高,实验人员只需要导入测压装置输出的测量数据即可完成计算和展示操作,无需了解编程知识。且由于在Excel中采用了边界层参数计算结果和边界层参数分布的展示,从数据和图形上进行展示,实验人员可以直观的了解边界层区域的流动参数。
实施例2:
在实施例1的基础上,所述步骤S100中的输入参数包括初始条件数据和从测压装置获取的测试数据,所述初始条件数据包括来流流体类型、来流总温Ts、来流静压ps和来流流体密度ρs,所述测试数据包括边界层位置y及总压py,所述输入参数采用手动输入或导入文本文件。
输入参数包括初始条件和测试数据,Excel采用VBA语言编写的输入函数,读取输入参数,作为计算待测量的边界层参数中的数据,可实现由测压装置测试的压力数据高效快速计算出其他的边界层参数过程,提高数据处理效率。
进一步地,所述步骤S100还包括检测输入参数是否有误:当总压py≥来流静压ps,输入参数正确,否则提示输入参数有误。
在读取输入参数时,进行初步判断是否有误,在计算开始之前就避免了输入参数有误导致计算结果出错的情况,因此提高计算效率。
实施例3:
在实施例2的基础上,所述步骤S200具体包括:
步骤S210:采用手动输入方式时,Excel中的输入函数读取所述输入参数;采用导入文本文件输入时,Excel中的输入函数读取所属输入参数并显示在Excel的单元格中;
步骤S220:输入函数根据读取的输入参数的类型确定待计算的边界层参数,指定所述待计算的边界层参数输出显示的单元格;
步骤S230:根据输入参数中的来流流体类型选择边界层参数计算函数;
步骤S240:运行边界层参数计算函数。
Excel中的输入函数读取导入的输入参数,并显示在Excel的单元格中,手动输入时,Excel读取数据及单元格位置,并根据输入参数的类型,选择计算输出的边界层参数类型以及输出单元格区域,根据来流流体类型选择调用函数关系归纳模块中对应的计算函数进行计算边界层参数即边界层参数分布。输入函数的核心代码如下:
实现输入参数的读取以及在单元格输出。
进一步地,所述步骤S220的边界层参数包括边界层尺度参数、边界层流场参数和边界层参数分布,所述边界层尺度参数包括边界层厚度δ、位移厚度δ*和动量厚度θ,所述边界层流场参数包括速度uy、密度ρy和温度Ty,所述边界层参数分布包括速度比分布、马赫数分布、温度比分布和密度比分布,具体步骤包括:
步骤S221:初步判断输入参数是否出错,若出错则出错提示,若无则进入下一步;
步骤S222:当输入参数中的来流流体类型为不可压缩类型时:
当输入参数中的来流流体类型为可压缩类型时:
边界层厚度δ的计算公式为:δ=h-1(0.99);
Excel中内置的函数关系归纳模块进行计算,并将计算结果在Excel指定的单元格输出;
步骤S223:Excel中内置的粗大误差检测模块查找粗大误差,若不存在粗大误差,跳转至步骤S300,否则,进入下一步;
步骤S224:定位粗大误差所在的数据行,提示用户选择处理粗大误差方式,当用户选择不处理粗大误差时,直接跳转步骤S300;当用户选择处理粗大误差时,查找疑似粗大误差,删除疑似粗大误差所在原始行数据,返回步骤S200。
边界层尺度参数包括边界层厚度δ、位移厚度δ*和动量厚度θ,边界层流场参数包括速度uy、密度ρy和温度Ty,边界层参数分布包括边界层流场参数的比值以及马赫数分布。这些边界层参数的计算函数均位于嵌入Excel中的函数关系归纳模块中,这些计算函数采用VBA语言,将上述数学计算公式采用程序求解,VBA语言为桌面应用程序中执行通用的自动化任务的编程语言,可实现高效快速计算过程,提高数据处理效率。计算结果即得到边界层厚度δ、位移厚度δ*、动量厚度θ、速度uy和密度ρy的计算结果和温度Ty以及速度uy、密度ρy和温度Ty分布和马赫数分布,调用Excel中内置的粗大误差检测模块,查找误差,若不存在则直接输出显示,若存在粗大误差,则找出导致粗大误差的原始数据行,并询问用户是否处理粗大误差,若用于选择不处理,则直接输出显示,若用户要处理粗大误差,则删除导致粗大误差的原始数据行,重新进行计算,直到没有粗大误差时,将计算结果输出显示。输出显示的过程为:将边界层厚度δ、位移厚度δ*、动量厚度θ、速度uy和密度ρy的计算结果在单元格的指定区域输出数据,同时生成word格式的报告,并将速度uy、密度ρy和温度Ty分布和马赫数分布采用曲线或图像在Excel指定区域展示展示。在计算边界层参数的过程中,粗大误差检测模块自动检查测试结果,有利于实验操作人员发现测试数据的粗大误差并进行处理,提高了实验效率,降低数据处理成本。根据压力信息计算边界层参数数据的核心代码如下:
实施例4:
在实施例3的基础上,所述步骤S222中的超越方程f(x)采用二分法求解。
计算边界层马赫数分布情况,需要用到超越方程,超越方程的根采用通用性强的二分法进行求解,对于区间[a,b]上连续并且f(a)f(b)<0的函数f(x),通过不断把函数f的零点所在区间一分为二,使区间的两个端点逐步逼近零点,进而得到零点近似值的方法。采用VBA语言编写求解超越方程的根,使马赫数分布的计算更加快速,提高数据处理效率。
实施例5:
在实施例4的基础上,所述步骤S300中展示边界层参数分布的步骤具体包括:
(a)确定显示区域的大小及起始位置;
(b)选择曲线展示;
(c)清空输出区域;
(d)调整所述曲线格式;
(e)在Excel中输出边界层参数分布情况。
将边界层区域流场参数采用曲线展示,利用Excel软件的图形显示功能,将数据结果进行画图处理,并将图形结果显示在Excel相应区域,并将边界层区域特征参数利用数据和图形方式保存为word格式的结果文件,供实验操作人员查看。
核心代码:
一种基于Excel的边界层参数计算系统,包括输入模块、计算模块和结果输出模块,其中,
输入模块:在Excel中编写用于读取用户手动输入或导入的输入参数的输入函数;
计算模块:包括函数关系归纳模块和粗大误差检查模块,所述函数关系归纳模块包括用于根据测压装置测试的压力数据计算边界层流场参数的函数和计算边界层尺度参数的函数,调用所述函数关系归纳模块中的函数,将输入模块中的输入参数作为函数的计算因子,得到边界层参数的计算结果;所述粗大误差检查模块用于根据所述边界层参数的计算结果和设定的粗大误差因子检查粗大误差,并提醒和处理粗大误差;
结果输出模块:用于在Excel中输出和展示计算模块中边界层参数的计算结果和粗大误差,并将边界层参数的计算结果生成word格式的报告。
输入模块用于读取输入参数,并将输入参数显示在Excel的单元格中,以及确定待计算的边界层参数的输出单元格,计算模块根据待计算的边界层参数从函数关系归纳模块中调用相关函数,进行计算,并采用粗大误差检查模块检查计算结果,提示粗大误差和根据用户的选择处理粗大误差。结果输出模块将边界层参数的计算结果在Excel中的区域输出数据和图形显示,并生成word格式的报告,供实验人员查看。所述方法和系统并不仅限于处理边界层参数,对于其他类似计算也同样适用,例如流体力学中斜激波的兰金-雨贡纽关系求解、脱体激波入射角计算等。
以上所述,仅是本发明的较佳实施例,并非对本发明做任何形式上的限制,凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化,均落入本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种基于Excel的边界层参数计算方法,其特征在于,包括:
步骤S100:在Excel中编写输入函数,用于在Excel的单元格中获取输入参数;
步骤S200:在Excel表格中嵌入计算函数,根据所述输入参数计算边界层参数;
步骤S300:在Excel区域中输出所述边界层参数并生成word格式的报告,并在Excel表中展示边界层参数分布;
所述步骤S100中的输入参数包括初始条件数据和从测压装置获取的测试数据,所述初始条件数据包括来流流体类型、来流总温Ts、来流静压ps和来流流体密度ρs,所述测试数据包括边界层位置y及总压py,所述输入参数采用手动输入或导入文本文件;
所述步骤S200具体包括:
步骤S210:采用手动输入方式时,Excel中的输入函数读取所述输入参数;采用导入文本文件输入时,Excel中的输入函数读取所属输入参数并显示在Excel的单元格中;
步骤S220:输入函数根据读取的输入参数的类型确定待计算的边界层参数,指定所述待计算的边界层参数输出显示的单元格;
所述步骤S220的边界层参数包括边界层尺度参数、边界层流场参数和边界层参数分布,所述边界层尺度参数包括边界层厚度δ、位移厚度δ*和动量厚度θ,所述边界层流场参数包括速度uy、密度ρy和温度Ty,所述边界层参数分布包括速度比分布、马赫数分布、温度比分布和密度比分布,具体步骤包括:
步骤S221:初步判断输入参数是否出错,若出错则出错提示,若无则进入下一步;
步骤S222:当输入参数中的来流流体类型为不可压缩类型时:
当输入参数中的来流流体类型为可压缩类型时:
边界层厚度δ的计算公式为:δ=h-1(0.99);
Excel中内置的函数关系归纳模块进行计算,并将计算结果在Excel指定的单元格输出;
步骤S223:Excel中内置的粗大误差检测模块查找粗大误差,若不存在粗大误差,跳转至步骤S300,否则,进入下一步;
步骤S224:定位粗大误差所在的数据行,提示用户选择处理粗大误差方式,当用户选择不处理粗大误差时,直接跳转步骤S300;当用户选择处理粗大误差时,查找疑似粗大误差,删除疑似粗大误差所在原始行数据,返回步骤S200;
步骤S230:根据输入参数中的来流流体类型选择边界层参数计算函数;
步骤S240:运行边界层参数计算函数。
2.根据权利要求1所述的一种基于Excel的边界层参数计算方法,其特征在于,所述步骤S100还包括检测输入参数是否有误:当总压py≥来流静压ps,输入参数正确,否则提示输入参数有误。
3.根据权利要求1所述的一种基于Excel的边界层参数计算方法,其特征在于,所述步骤S222中的超越方程f(x)采用二分法求解。
4.根据权利要求1-3中任意一项所述的一种基于Excel的边界层参数计算方法,其特征在于,所述步骤S300中展示边界层参数分布的步骤具体包括:
(a)确定显示区域的大小及起始位置;
(b)选择曲线展示;
(c)清空输出区域;
(d)调整曲线格式;
(e)在Excel中输出边界层参数分布情况。
5.一种基于Excel的边界层参数计算系统,执行计算机程序时实现如权利要求1所述方法的步骤;其特征在于,所述边界层参数计算系统包括输入模块、计算模块和结果输出模块,其中,
输入模块:在Excel中编写用于读取用户手动输入或导入的输入参数的输入函数;
计算模块:包括函数关系归纳模块和粗大误差检查模块,所述函数关系归纳模块包括用于根据测压装置测试的压力数据计算边界层流场参数的函数和计算边界层尺度参数的函数,调用所述函数关系归纳模块中的函数,将输入模块中的输入参数作为函数的计算因子,得到边界层参数的计算结果;所述粗大误差检查模块用于根据所述边界层参数的计算结果和设定的粗大误差因子检查粗大误差,并提醒和处理粗大误差;
结果输出模块:用于在Excel中输出和展示计算模块中边界层参数的计算结果和粗大误差,并将边界层参数的计算结果生成word格式的报告。
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