CN108182312A - 一种边界层自然转捩试验数据的天地相关性方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种边界层自然转捩试验数据的天地相关性方法。该方法的设计原理为：试验相似准则与数据拟合公式。该方法的实现方式为：首先开展天地差异分析，归纳影响转捩的主要影响因素；然后通过已有地面试验和飞行试验数据的拟合来构建这些影响因素的修正公式；最后通过该修正公式从地面试验数据外推获得飞行条件下的转捩雷诺数，或实现地面试验与飞行试验数据的关联。该方法的优点在于：强调试验相似准则，减少了需要修正的影响量；通过对天地差异的分类，构建了各影响量解耦形式的修正公式；每个影响因素的修正公式都通过大量试验数据的拟合获得，具有较高的可靠性。

Description

一种边界层自然转捩试验数据的天地相关性方法
技术领域
本发明属于空气动力学技术领域，用于边界层自然转捩数据的天地相关性研究。
背景技术
边界层转捩是指层流到湍流的过渡，由于层流和湍流对质量、动量和能量的输运性质不同，湍流状态下的摩阻和热流是层流时的3-5倍，可见边界层转捩位置对摩阻和热流的预测具有重要影响。摩阻和热流是飞行器设计的重要依据，因此，转捩位置是飞行器设计中基础而重要的依据。
由于飞行器外形复杂，转捩现象也变得十分复杂，地面风洞试验是目前最能客观反映飞行条件下转捩现象的技术手段。然而，风洞试验条件并不能完全模拟飞行条件，由于转捩是强非线性现象，这些模拟条件的天地差异会带来显著的模拟结果上的天地差异，也就是说，转捩的风洞试验结果不能直接用于飞行条件下的设计，因此，发展转捩试验数据的天地相关性方法成为转捩应用研究的关键。
如何将风洞试验获得的转捩数据转换到实际飞行条件下，获得实际飞行条件下的转捩数据，是本领域亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明主要针对转捩地面试验数据的应用问题提出一种天地相关性方法，使得工程人员能够较合理的将转捩地面试验数据外推到实际飞行条件，为飞行器设计提供更准确的流态依据，满足转捩相关设计的要求。
本发明的技术解决方案是：
提供一种边界层自然转捩试验数据的天地相关性方法，包括如下步骤：
(1)获取欲关联风洞的试验条件和飞行条件，包括试验条件和飞行条件下的单位雷诺数Re0,1和Re0,2，试验条件和飞行条件下的来流噪声prms,1和prms,2，试验条件和飞行条件下的壁温Tw,1和Tw,2，试验条件和飞行条件下的壁面绝热温度Taw,1和Taw,2，试验条件和飞行条件下的风洞尺寸D1和D2，以及试验条件转捩雷诺数Retr,1；
(2)分步计算各修正因子，包括雷诺数修正因子来流噪声修正因子壁温修正因子风洞尺寸修正因子n1、n2、n3、n4分别为经验参数，通过拟合获得；
(3)计算关联风洞或飞行试验的转捩雷诺数
提供一种边界层自然转捩试验数据的天地相关性方法，包括如下步骤：
(1)获取第一风洞的试验条件和欲关联的第二风洞试验条件，包括第一风洞的试验条件和第二风洞试验条件的单位雷诺数Re0,1和Re0,2，第一风洞的试验条件和第二风洞试验条件的来流噪声prms,1和prms,2，第一风洞的试验条件和第二风洞试验条件的壁温Tw,1和Tw,2，第一风洞的试验条件和第二风洞试验条件的壁面绝热温度Taw,1和Taw,2，第一风洞的试验条件和第二风洞试验条件的风洞尺寸D1和D2，以及第一风洞的试验条件的转捩雷诺数；
(2)分步计算各修正因子，包括雷诺数修正因子来流噪声修正因子壁温修正因子风洞尺寸修正因子n1、n2、n3、n4分别为经验参数，通过拟合获得；
(3)计算关联风洞或飞行试验的转捩雷诺数
优选的，n1的获取方法如下：在来流噪声、壁温比rT＝Tw,1/Taw,1一致的情况下，在同一风洞中对同一模型开展变雷诺数转捩试验，此时Cdist·CTw·CTs＝1，获取Retr,1随Re0,1变化曲线，然后对该曲线以幂函数进行拟合，获得幂函数指数即为n1。
优选的，n2的获取方法如下：在相同来流雷诺数、壁温比、风洞尺寸下，CRe·CTw·CTs＝1，获取Retr,1随prms,1变化曲线，然后对该曲线以幂函数进行拟合，获得幂函数的指数即为n2。
优选的，n3的获取方法如下：在相同来流雷诺数、来流噪声、风洞尺寸下，CRe·Cdist·CTs＝1，获取Retr,1随壁温比rT变化曲线，然后对该曲线以幂函数进行拟合，幂函数的指数即为n3，rT＝Tw,1/Taw,1。
优选的，n4的获取方法如下：在相同来流雷诺数、来流噪声、壁温比下，CRe·Cdist·CTw＝1，获取Retr,1随风洞尺寸D1变化曲线，然后对该曲线以幂函数进行拟合，获得幂函数的指数即为n4。
优选的，对于平板外形的飞行器，n1～n4分别为：0.78、-0.625、-0.7、0.55；对于圆锥外形的飞行器，n1～n4为分别为：0.249、-0.78、-0.7、0.55。
优选的，D2取3.2m。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明合理选择对自然转捩影响较大的4个参数对转捩雷诺数进行修正，涵盖了风洞试验与飞行试验的主要天地差异，能够实现不同风洞间试验数据的关联，以及地面试验数据到飞行条件的外推，外推的转捩雷诺数更接近于真实的转捩雷诺数。
(2)本发明的修正方法具有较大的适用范围，既可用于平板一类的面对称外形，也可用于圆锥一类的轴对称外形。
(3)本发明的修正方法可以针对上述4个影响因素，也可针对一个或几个影响因素，可用于不同的试验条件。
附图说明
图1为转捩雷诺数随来流雷诺数的变化规律；
图2为转捩雷诺数随背景噪声的变化规律；
图3为转捩雷诺数随壁温比的变化规律；
图4为转捩雷诺数随风洞尺寸的变化规律；
图5为本发明转捩雷诺数修正流程图。
具体实施方式
将飞行试验看成较为特殊的风洞试验，具有较低的背景噪声、较大的风洞尺寸，但是，飞行条件与风洞条件下转捩具有相同的物理机制。根据相似准则分析转捩试验条件的天地差异，获得需要修正的影响因素。根据转捩研究已有认识和经验，来流雷诺数、背景噪声、壁温比、风洞尺寸、4个参数对自然转捩有较显著的影响，构建转捩雷诺数Retr,1与其它风洞或飞行试验条件下转捩雷诺数Retr,2的转换关系式：
Retr,2＝Retr,1·CRe·Cdist·CTw·CTs
上述公式中n1～n4为经验系数，为常数，对于平板外形的飞行器n1～n4为分别为：0.78、-0.625、-0.7、0.55；对于圆锥外形的飞行器n1～n4为分别为：0.249、-0.78、-0.7、0.55。
其中Re0,1和Re0,2代表单位来流雷诺数，prms,1和prms,2代表来流噪声，Tw,1和Tw,2代表壁温，Taw,1和Taw,2代表壁面绝热温度，D1和D2代表风洞尺寸，Retr,1和Retr,2代表转捩雷诺数，其中下标1代表基础风洞的值，下标2代表关联风洞的值或飞行条件的值；CRe为雷诺数修正因子，Cdist为噪声修正因子，为壁温修正因子，CTs为风洞尺寸修正因子。如果为飞行条件，则可以看成大风洞，根据经验，其尺寸D2可取3.2m。
下面以平板边界层转捩数据的天地相关性为例对本发明进行更详细的说明：
(1)在高超常规风洞中开展边界层转捩试验。与飞行条件比较，主要天地差异是来流雷诺数、背景噪声、壁温比和风洞尺寸，这些量对转捩的影响需要修正。
(2)锁定其它条件，开展变来流雷诺数试验。其变化规律如图1所示，根据试验结果标定经验系数n1，可得n1＝0.78。
(3)根据试验结果确定转捩雷诺数随背景噪声的变化规律，其变化规律如图2所示，可得n2＝-0.625。
(4)根据试验结果确定转捩雷诺数随壁温的变化规律，其变化规律如图3所示，可得n3＝-0.7。
(5)根据试验结果确定转捩雷诺数随风洞尺寸的变化规律，其变化规律如图4所示，可得n5＝0.55。同时，将飞行试验看成一次特殊的风洞试验，根据经验，取飞行条件下对应的D2＝3.2m。
(6)用如下公式将地面试验数据外推至飞行条件。
Retr,2＝Retr,1·CRe·Cdist·CTw·CTs
其中
开展转捩飞行试验，获取数据后与外推结果进行比对，可对修正公式中的经验系数进行新的标定，实现转捩地面试验数据与飞行试验数据的关联。
本发明可以根据试验条件判断需要考虑的参数，对比来流雷诺数、背景噪声、壁温比、风洞尺寸的天地差异，如果差异较小，则其修正系数接近于1，不需要进行修正。
本发明未详细描述内容为本领域技术人员公知技术。
以上通过飞行器类平板区域上边界层转捩为具体实例描述了本发明的具体实施方式，但并非是对本发明的限制，实际上，只要转捩试验数据量足够，都可运用本发明所介绍的方法实现数据关联。还需说明的是，凡是依据本发明的技术实质对以上实例所做的任何简单修改均属于本发明的技术范围。

Claims (8)

1.一种边界层自然转捩试验数据的天地相关性方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)获取欲关联风洞的试验条件和飞行条件，包括试验条件和飞行条件下的单位雷诺数Re0,1和Re0,2，试验条件和飞行条件下的来流噪声prms,1和prms,2，试验条件和飞行条件下的壁温Tw,1和Tw,2，试验条件和飞行条件下的壁面绝热温度Taw,1和Taw,2，试验条件和飞行条件下的风洞尺寸D1和D2，以及试验条件转捩雷诺数Retr,1；
(2)分步计算各修正因子，包括雷诺数修正因子来流噪声修正因子壁温修正因子风洞尺寸修正因子n1、n2、n3、n4分别为经验参数，通过拟合获得；
(3)计算关联风洞或飞行试验的转捩雷诺数
2.一种边界层自然转捩试验数据的天地相关性方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)获取第一风洞的试验条件和欲关联的第二风洞试验条件，包括第一风洞的试验条件和第二风洞试验条件的单位雷诺数Re0,1和Re0,2，第一风洞的试验条件和第二风洞试验条件的来流噪声prms,1和prms,2，第一风洞的试验条件和第二风洞试验条件的壁温Tw,1和Tw,2，第一风洞的试验条件和第二风洞试验条件的壁面绝热温度Taw,1和Taw,2，第一风洞的试验条件和第二风洞试验条件的风洞尺寸D1和D2，以及第一风洞的试验条件的转捩雷诺数；
(2)分步计算各修正因子，包括雷诺数修正因子来流噪声修正因子壁温修正因子风洞尺寸修正因子n1、n2、n3、n4分别为经验参数，通过拟合获得；
(3)计算关联风洞或飞行试验的转捩雷诺数
3.根据权利要求1或2所述的一种边界层转捩试验数据的天地相关性方法，其特征在于，n1的获取方法如下：在来流噪声、壁温比rT＝Tw,1/Taw,1一致的情况下，在同一风洞中对同一模型开展变雷诺数转捩试验，此时Cdist·CTw·CTs＝1，获取Retr,1随Re0,1变化曲线，然后对该曲线以幂函数进行拟合，获得幂函数指数即为n1。
4.根据权利要求1或2所述的一种边界层自然转捩试验数据的天地相关性方法，其特征在于，n2的获取方法如下：在相同来流雷诺数、壁温比、风洞尺寸下，CRe·CTw·CTs＝1，获取Retr,1随prms,1变化曲线，然后对该曲线以幂函数进行拟合，获得幂函数的指数即为n2。
5.根据权利要求1或2所述的一种边界层转捩试验数据的天地相关性方法，其特征在于，n3的获取方法如下：在相同来流雷诺数、来流噪声、风洞尺寸下，CRe·Cdist·CTs＝1，获取Retr,1随壁温比rT变化曲线，然后对该曲线以幂函数进行拟合，幂函数的指数即为n3，rT＝Tw,1/Taw,1。
6.根据权利要求1或2所述的一种边界层转捩试验数据的天地相关性方法，其特征在于，n4的获取方法如下：在相同来流雷诺数、来流噪声、壁温比下，CRe·Cdist·CTw＝1，获取Retr,1随风洞尺寸D1变化曲线，然后对该曲线以幂函数进行拟合，获得幂函数的指数即为n4。
7.根据权利要求1或2所述的一种边界层转捩试验数据的天地相关性方法，其特征在于，对于平板外形的飞行器，n1～n4分别为：0.78、-0.625、-0.7、0.55；对于圆锥外形的飞行器，n1～n4为分别为：0.249、-0.78、-0.7、0.55。
8.根据权利要求1所述的一种边界层转捩试验数据的天地相关性方法，其特征在于：D2取3.2m。
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