CN109900451B

CN109900451B - 修正风洞实验测压模型风压信号畸变的方法

Info

Publication number: CN109900451B
Application number: CN201910189727.1A
Authority: CN
Inventors: 何运成; 梁启胜; 李智; 吴玖荣; 傅继阳
Original assignee: Guangzhou University
Current assignee: Guangzhou University
Priority date: 2019-03-13
Filing date: 2019-03-13
Publication date: 2020-12-01
Anticipated expiration: 2039-03-13
Also published as: CN109900451A

Abstract

本发明涉及风洞实验领域，特别是涉及一种修正风洞实验测压模型风压信号畸变的方法。该方法中测试管道长度采用常规尺子测量，测试管道的孔径修正采取注水称重法；压力扫描阀体积的测定是根据实测数据中的幅值比与相位两个参量与理论分析作比较，通过两个参量的加权计算，最后选取吻合度最高时的压力扫描阀体积预估值作为采集系统中压力扫描阀体积的参考值。本发明通过以实验和理论分析相结合，以测量测试管道长度、修正测试管道孔径和测定压力扫描阀体积为前提，通过傅里叶变换和逆变换对风洞实验测压模型风压信号的畸变进行修正，可以消除风压信号的失真。

Description

修正风洞实验测压模型风压信号畸变的方法

技术领域

本发明涉及风洞实验领域，特别是涉及一种修正风洞实验测压模型风压信号畸变的方法。

背景技术

在风工程研究领域，主要包括有风洞实验、数值仿真模拟以及现场实测三种技术手段，风洞实验是依据运动的相对原理，将实验模型或者实物固定在地面人工环境中，人为制造气流通过，通过缩尺与等尺等方式获取实验数据，其主要包括测压与测力两种主要用途。

在开展风洞测压模型实验时，测得建筑模型表面的风压信号是经过管道传送到压力扫描阀上的，在传送的过程中，测试管道的长度、孔径和压力扫描阀的体积会使信号发生放大或缩小的失真效应，而测试管道的长度可以直接采用尺子测量，但是测试管道的孔径以及压力扫描阀的体积由于尺寸结构等难以确定，为了最大限度消除风压信号的失真，需要对相关参数进行理论修正。

发明内容

本发明的目的是提供一种修正风洞实验测压模型风压信号畸变的方法，以解决现有技术中风洞实验测压模型的风压信号失真的问题。

本发明的修正风洞实验测压模型风压信号畸变的方法的技术方案为：

修正风洞实验测压模型风压信号畸变的方法，包括以下步骤，步骤一，采用注水称重法修正测试管道的孔径，将测试管道的孔径出厂参数定为名义孔径，记为D_nom，测试管道的修正孔径记为D_cor，记L为测试管道的管长，M_L为管长的净重，M_{G_L}为测试管道注水后的满水重量，V_{W_L}为测试管道的容水体积，则最终得到的测试管道的修正孔径D_cor为

其中，ρ_W为水的密度；

步骤二，将具有特定频率与幅值的振动信号送入密闭腔室，从而产生气流的流动以引起压力的变化；在密闭腔室上连接步骤一中的测试管道，将待检测体积的压力扫描阀与测试管道连接以采集输入信号S_(in)(t)和输出信号S_(out)(t)，输入信号S_(in)(t)和输出信号S_(out)(t)均为压力的时域信号；

步骤三，将输入信号S_(in)(t)和输出信号S_(out)(t)做傅里叶变换后得到实测频响函数，并将该计算得到的实测频响函数与理论频响函数进行拟合，拟合出最佳的扫描阀体积V(mm³)；将输入信号S_(in)(t)和输出信号S_(out)(t)代入以下公式，

其中，通过傅里叶变换将输入信号S_(in)(t)和输出信号S_(out)(t)的时域信号转变成频域上的信号，输入信号和输出信号转变后的频域信号分别为X_(ω)和Y_(ω)，其中ω为圆频率，ω＝2πf_j(j＝1，2，3，…，N)，f_j为一组振动信号的振动频率，j为各个振动信号的序号；

上述公式的复数形式为，

H(ω)＝|H(ω)|e^{-i·arg(H(ω))}

其中，H(ω)即为实测频响函数，|H(ω)|和arg(H(ω))分别为复数的模和角度；|H(ω)|和arg(H(ω))在频域上分别对应构成了幅值响应函数(ARF)和相位响应函数(PRF)；

理论频响函数为

上式中，

P_r＝μC_p/λ

其中，V_t为长度为L、半径为R的管道的容积，V_t＝πR²L；V(m³)为压力扫描阀的内部体积，σ为传感器无量纲增量，假设为零；K为常数，K＝1.402；γ为空气的比热容；c为声速，P₀为大气压，ρ_s为该P₀大气压下的空气密度；P_r为普朗特数，其中μ＝1.85×10⁵(P_a·s)，C_p＝1007(J/(kg·K))，λ为空气的动态粘度；J₀和J₂是第一类的0阶和2阶贝塞尔函数；α为剪切波数；n与φ为中间变量；

步骤四，测量风洞实验测压模型的测压管道的实际长度，将步骤一中得到的修正孔径与步骤三中得到的压力扫描阀的体积代入风洞实验测压模型，对测压模型上的风压信号进行修正。

该技术方案的有益效果在于，采用注水称重法修正测试管道的孔径，利用修正的孔径信息对采集数据的幅值比和相位与理论公式结合，拟合出压力扫描阀的最佳体积，然后利用实际孔径和扫描阀体积以及风洞实验的实际管长对风压信号进行修正，以消除测压管道的几何参数和压力扫描阀体积对实验数据的失真影响。

进一步地，测试管道包括长度最小的参考管道和长度大于参考管道的长度的信号管道，将压力扫描阀从参考管道采集的信号作为输入信号S_(in)(t)，将压力扫描阀从信号管道采集的信号作为输出信号S_(out)(t)。长度最小的参考管道采集的信号作为输入信号，长度越短，振动信号在传递过程的损耗越小，振动信号更为真实。

进一步地，所述信号管道长度各不相同，记第i个测试管道的管长为L_i(i＝1，2，3，…，n)，将各个测试管道的修正孔径进行平均，得到测试管道的修正孔径的平均值，记M_Li为第i个测试管道的净重，M_{G_Li}为第i个测试管道注水后的满水重量，V_{W_Li}为第i个测试管道的容水体积，则最终得到的测试管道的修正孔径D_cor为

V_{W_Li}＝(M_{G_Li}-M_Li)/ρ_W

其中，D_{cor_Li}为第i个测试管道的修正孔径。对于名义孔径相同的测试管道选取多个长度分别修正孔径，修正孔径的平均值作为该测试管道的实际孔径，可以消除个别误差。

进一步地，将压力扫描阀从第i个测试管道采集的输出信号记为S_{out_Dcor_Li}(t)，将S_{out_Dcor_Li}(t)代入实测频响函数得到相应不同长度的测试管道的实测频响函数，将L_i代入理论频响函数得到相应不同长度的测试管道的理论频响函数，将相应长度的测试管道下的实测频响函数与理论频响函数进行拟合，从而得到相应长度的测试管道下的压力扫描阀的体积，将各个不同长度的测试管道下的压力扫描阀的体积值进行加权得到压力扫描阀的平均体积。对多个测试管道采集的输出信号分别计算实测频响函数，对于得到的压力扫描阀的体积进行加权平均，可以减小操作以及个别测试管道引起的误差。

进一步地，各个信号管道的名义孔径不同，对不同孔径以及不同长度的信号管道分别计算实测频响函数，从而得到不同测试管道下的压力扫描阀的体积，将得到的压力扫描阀的各个体积值加权平均后得到压力扫描阀的平均体积。信号管道的名义孔径以及长度均不同，可以得到不同条件下的压力扫描阀的体积，加权平均后得到的平均体积更为准确。

进一步地，步骤三中，压力扫描阀以固定的采样频率对压力信号进行采集，一组振动信号的振动频率f_j(j＝1，2，3，…，N)中的最大值不小于0.2倍的采样频率且不大于0.5倍的采样频率。一组振动信号的振动频率的最大值不超过0.5倍的采样频率，可以保证一个振动周期内采集到足够的数据点，从而保证拟合时的曲线具有足够的坐标点，提高拟合的准确性。

进一步地，一组振动信号的振动频率f_j采用对数式增长选定。振动信号的振动频率采用对数式增长，振动频率具有规律，拟合曲线制作方便。

进一步地，对于振动频率为f_j的振动信号，压力扫描阀的采集时长至少包含有十个信号周期。采集时长至少有十个信号周期，确保较低信号频率下采样数据的成效性，可以避免因采集时间过短而影响修正结果。

进一步地，步骤三中，大气压为标准大气压，P₀＝1.01×10⁵P_a，ρ_s＝1.185kg/m³，γ为在气温T₀＝298K和标准大气压条件下的空气的比热容，γ＝1.402，动态粘度λ＝0.0261。

附图说明

图1是本发明的修正风洞实验测压模型风压信号畸变的方法实施例1的修正系统示意图；

图2是图1的修正系统的密闭腔室的示意图；

图3是图2的密闭腔室的管道连接块的示意图；

图4是对孔径参数修正的幅值响应函数图像；

图5是对孔径参数修正的相位响应函数图像；

图6是原始数据的幅值响应函数图像；

图7是原始数据的相位响应函数图像；

图8是对孔径和压力扫描阀参数修正的幅值响应函数图像；

图9是对孔径和压力扫描阀参数修正的相位响应函数图像；

图10是畸变信号与修正信号进行比较的部分时程图。

其中，1-信号发生器，2-功率放大器，3-扬声器，4-密闭腔室，41-扩散段，42-直流段，43-前挡板，44-后挡板，5-管道连接块，51-连接孔，52-把手，6-密封胶圈，7-测试管道，71-参考管道，72-信号管道，8-压力传感器，9-压力扫描阀。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

本发明的修正风洞实验测压模型风压信号畸变的方法的实施例1，如图1至图10所示，该修正风洞实验测压模型风压信号畸变的方法采用对应的修正系统对风洞实验测压模型的风压信号进行修改，修正系统包括顺次连接的信号发生器1、功率放大器2、扬声器3和密闭腔室4，密闭腔室4通过测试管道7与待检测的压力扫描阀9连接。信号发生器1能够发出不同频率下的正弦波、方波、三角波等各种振动信号，功率放大器2用于将信号发生器1产生的信号幅值放大，便于识别。扬声器3固定布置在密闭腔室4上，扬声器3的振动盘位于密闭腔室4内。

密闭腔室4由板材相互连接后的内部空间形成，密闭腔室4的前端为与扬声器3连接的扩散段41，密闭腔室4的后端为与扩散段41连接的直流段42，扩散段41的内径沿远离扬声器3的方向逐渐增大。扩散段41的端部设置有前挡板43，前挡板43的中心开设有安装孔，扬声器3固定在安装孔上。

直流段42的端部设有后挡板44，后挡板44的中心可拆布置有管道连接块5，管道连接块5为圆形，管道连接块5与后挡板44插接，管道连接块5与后挡板44之间的环形间隙内安装有密封胶圈6。

管道连接块5上开设有用于连接测试管道7的连接孔51，管道连接块51的中心布置有多个连接孔51，各个连接孔51的孔径不同，以用于连接不同直径的测试管道7。管道连接块5的外侧面上还对称布置有两个把手52，把手52便于管道连接块5的拆装。

管道连接块5的各个连接孔51上分别连接有测试管道7，测试管道7包括长度最小的参考管道71和长度大于参考管道71的长度的信号管道72，参考管道71连接位于管道连接块5的正中心的连接孔51。压力扫描阀9从参考管道71接收的信号作为系统的输入信号，压力扫描阀9从信号管道72接收的信号作为系统的输出信号，各个信号管道72的长度及孔径不同。

本发明的修正风洞实验测压模型风压信号畸变的方法，包括以下步骤，步骤一，采用注水称重法修正测试管道的孔径，将测试管道出厂参数中的孔径定为名义孔径，记为D_nom，单位为毫米(mm)，测试管道的修正孔径记为D_cor，单位为毫米(mm)，将第i个测试管道的管长为L_i(i＝1，2，3，…，n)，单位为米(m)，M_Li为第i个测试管道的净重，单位为克(g)，M_{G_Li}为第i个测试管道注水后的满水重量，单位为克(g)，V_{W_Li}为第i个测试管道的容水体积，单位为立方毫米(mm³)，则名义孔径为D_nom的测试管道的修正孔径D_cor为

V_{W_Li}＝(M_{G_Li}-M_Li)/ρ_W

其中，D_{cor_Li}为第i个测试管道的修正孔径，ρ_W为水的密度，单位为克每立方毫米(g/mm³)，将同一名义孔径的不同长度L_i的测试管道的修正孔径加权平均，得到该名义孔径的测试管道的修正孔径。之后对于不同名义孔径的测试管道重复步骤一的步骤，即可得到各个不同名义孔径的测试管道的修正孔径。出厂参数为1.00mm管子，经过注水称重法实验得到的修正值为0.94mm，其制作误差达到6％。

步骤二，将信号发生器产生的正弦信号经过功率放大器的放大后输送至扬声器，扬声器振动发声，振动信号经过密闭腔室的扩散段以及直流段后传递至测试管道，振动信号引发密闭腔室内的气体流动从而使密闭腔室内的气体压力产生变化，振动信号经过测试管道后输出压力的变化，压力扫描阀与各个测试管道L_i连接以采集压力信号，压力信号为时域信号。其中压力扫描阀从参考管道采集的压力变化信号记为输入信号S_(in)(t)，从信号管道采集的压力变化信号记为输出信号S_(out)(t)，相应地，从不同的信号管道L_i采集的压力变化信号记为S_{out_Dcor_Li}(t)。

步骤三，将步骤二中的输入信号S_(in)(t)和输出信号S_(out)(t)做傅里叶变换后得到实测频响函数，并将该计算得到的实测频响函数与理论频响函数进行拟合，拟合出最佳的扫描阀体积；将输入信号S_(in)(t)和不同的信号管道L_i采集的压力变化信号S_{out_Dcor_Li}(t)代入以下公式，

其中，通过傅里叶变换将输入信号S_(in)(t)和输出信号S_{(out_Dcor_Li)}(t)的时域信号转变成频域上的信号，输入信号和输出信号转变后的频域信号分别为X_(ω)和Y_(ω)，其中ω为圆频率，ω＝2πf_j(j＝1，2，3，…，N)，f_j为一组振动信号的振动频率，j为各个振动信号的序号；

上述公式的复数形式为，

其中，H(ω)即为各个信号管道L_i以及压力扫描阀的实测频响函数，|H(ω)|和arg(H(ω))分别为复数的模和角度；在频域上分别构成了幅值响应函数(ARF)和相位响应函数(PRF)；

根据Bergh和Tijdeman在1965年提出的公式，理论频响函数为

上式中，

P_r＝μC_p/λ

其中，V_t为长度为L、半径为R的管道的容积，V_t＝πR²L；V(m³)为压力扫描阀的内部体积，σ为传感器无量纲增量，假设为零；常数K＝1.402；γ为在气温T₀＝298K和标准大气压P₀＝1.01×10⁵P_a条件下的空气的比热容，γ＝1.402；c为声速，单位为(m/s)，空气密度ρ_s＝1.185kg/m³；P_r为普朗特数，μ＝1.85×10⁵(P_a·s)，C_p＝1007(J/(kg·K))，λ为动态粘度，λ＝0.0261(w/(m·K))；J₀和J₂是第一类的0阶和2阶贝塞尔函数；α为剪切波数；n与φ为中间变量。将步骤一中的各个信号管道L_i的长度以及修正孔径代入理论频响函数，得到经过相应地各个信号管道L_i以及压力扫描阀的理论频响函数，将一组振动信号下的各个实测频响函数与理论频响函数进行拟合，拟合出最佳的扫描阀体积。

步骤四，利用刻度尺测量风洞实验测压模型的测压管道的实际长度，将步骤一中得到的修正孔径与步骤三中得到的压力扫描阀的体积代入风洞实验测压模型，对测压模型上的风压信号进行修正。

优选地，对于振动频率为f_j(j＝1，2，3，…，N)的振动信号进行修正，记理论上信号发生器产生的信号频率为f_nom，由于实验器材制作精度问题，实验时所实际产生的信号频率并非为f_{nom_j}，经数据识别分析，将修正后的振动频率作为实际实验时使用的振动频率，记修正后的振动频率为f_{cor_j}(j＝1，2，3，…，N)，例如，理论上认为信号发生器产生的信号频率f_{nom_j}为100Hz，而由于设备误差以及实验环境影响，经过数据识别，信号发生器产生频率实际为99Hz，则修正后的振动频率f_{cor_j}＝99Hz，将修正后的振动频率f_{cor_j}代入实测频响函数与理论频响函数进行拟合，以保证函数的准确性。

优选地，压力扫描阀以固定的采样频率对压力信号进行采集，修正后的一组振动信号的振动频率f_{cor_j}的取值范围不小于0.2倍的采样频率且不大于0.5倍的采样频率。例如，将f_{cor_j}代入实测频响函数的公式得到修正频率后的实测频响函数，名义孔径为1.00mm相应实验的采样频率为331.5Hz，f_{cor_j}中最大频率取值为70Hz。

优选地，对于一组振动信号，各个修正后的振动频率f_{cor_j}(j＝1，2，3，…，N)的取值以对数式增长选定，便于制作拟合曲线。

优选地，信号发生器产生的信号为正弦信号，对于振动频率为f_{nom_j}的振动信号，为了确保低频f_{nom_j}实验数据的成效性，其采集时间的时长至少包含有十个信号周期，如振动频率f_{nom_j}＝1Hz时，采样时长至少为10秒。为了分析数据的便利性，对于不同频率的振动信号，采样时长统一为10秒。

在步骤三中，测试信号与理论分析信号比较分析得到压力扫描阀的体积可以忽略，其幅值函数图像和相位响应函数图像如图4至图7所示，为了体现压力扫描阀体积不为零时的影响，图8至图9为名义孔径为1.20mm，修正孔径为1.21mm，压力扫描阀体积为570mm³的幅值相位响应函数图像。

图10为风洞实验风压模型风压系数时程信号修正前后的比较，修正值是根据实验测出来的实际孔径、扫描阀的最佳拟合体积和其实际的测压管道长度进行修正。

在其他实施例中，信号管道也可以仅有一个，将参考管道与信号管道检测得到的输入信号与输出信号做傅里叶变换后计算实测频响函数。

在其他实施例中，步骤一中，同一名义孔径下的测试管道也可以仅选择一条计算修正孔径。

在其他实施例中，大气压也可以为两个标准大气压或半个标准大气压，气体密度取该大气压下的气体密度，空气的比热容以及动态粘度取该大气压以及测试温度下的实际值。

在其他实施例中，信号发生器产生的信号也可以选择方波信号，由于方波信号的拟合仅需要确定方波信号的幅值，则在采集方波信号是，采集时长可以缩短至仅包含一个信号周期。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.修正风洞实验测压模型风压信号畸变的方法，其特征在于，包括以下步骤，步骤一，采用注水称重法修正测试管道的孔径，将测试管道的孔径出厂参数定为名义孔径，记为D_nom，测试管道的修正孔径记为D_cor，记L为测试管道的管长，M_L为管长的净重，M_{G_L}为测试管道注水后的满水重量，V_{W_L}为测试管道的容水体积，则最终得到的测试管道的修正孔径D_cor为

V_{W_L}＝(M_{G_L}-M_L)/ρ_W

其中，ρ_W为水的密度；

上述公式的复数形式为，

H(ω)＝|H(ω)|e^{-i·arg(H(ω))}

理论频响函数为

上式中，

P_r＝μC_p/λ

其中，V_t为长度为L、半径为R的管道的容积，V_t＝πR²L；V(m³)为压力扫描阀的内部体积，σ为传感器无量纲增量，假设为零；k 为常数，k ＝1.402；γ为空气的比热容；c为声速，P₀为大气压，ρ_s为该P₀大气压下的空气密度；P_r为普朗特数，其中μ＝1.85×10⁵(P_a·s)，C_p＝1007(J/(kg·K))，λ为空气的动态粘度；J₀和J₂是第一类的0阶和2阶贝塞尔函数；α为剪切波数；n与φ为中间变量；

2.根据权利要求1所述的修正风洞实验测压模型风压信号畸变的方法，其特征在于，测试管道包括长度最小的参考管道和长度大于参考管道的长度的信号管道，将压力扫描阀从参考管道采集的信号作为输入信号S_(in)(t)，将压力扫描阀从信号管道采集的信号作为输出信号S_(out)(t)。

3.根据权利要求2所述的修正风洞实验测压模型风压信号畸变的方法，其特征在于，所述信号管道长度各不相同，记第i个测试管道的管长为L_i(i＝1，2，3，…，n)，将各个测试管道的修正孔径进行平均，得到测试管道的修正孔径的平均值，记M_Li为第i个测试管道的净重，M_{G_Li}为第i个测试管道注水后的满水重量，V_{W_Li}为第i个测试管道的容水体积，则最终得到的测试管道的修正孔径D_cor为

V_{W_Li}＝(M_{G_Li}-M_Li)/ρ_W

其中，D_{cor_Li}为第i个测试管道的修正孔径。

4.根据权利要求3所述的修正风洞实验测压模型风压信号畸变的方法，其特征在于，将压力扫描阀从第i个测试管道采集的输出信号记为S_{out_Dcor_Li}(t)，将S_{out_Dcor_Li}(t)代入实测频响函数得到相应不同长度的测试管道的实测频响函数，将L_i代入理论频响函数得到相应不同长度的测试管道的理论频响函数，将相应长度的测试管道下的实测频响函数与理论频响函数进行拟合，从而得到相应长度的测试管道下的压力扫描阀的体积，将各个不同长度的测试管道下的压力扫描阀的体积值进行加权得到压力扫描阀的平均体积。

5.根据权利要求4所述的修正风洞实验测压模型风压信号畸变的方法，其特征在于，各个信号管道的名义孔径不同，对不同孔径以及不同长度的信号管道分别计算实测频响函数，从而得到不同测试管道下的压力扫描阀的体积，将得到的压力扫描阀的各个体积值加权平均后得到压力扫描阀的平均体积。

6.根据权利要求1-5任一项所述的修正风洞实验测压模型风压信号畸变的方法，其特征在于，步骤三中，压力扫描阀以固定的采样频率对压力信号进行采集，一组振动信号的振动频率f_j(j＝1，2，3，…，N)中的最大值不小于0.2倍的采样频率且不大于0.5倍的采样频率。

7.根据权利要求6所述的修正风洞实验测压模型风压信号畸变的方法，其特征在于，一组振动信号的振动频率f_j采用对数式增长选定。

8.根据权利要求6所述的修正风洞实验测压模型风压信号畸变的方法，其特征在于，对于振动频率为f_j的振动信号，压力扫描阀的采集时长至少包含有十个信号周期。

9.根据权利要求1-5任一项所述的修正风洞实验测压模型风压信号畸变的方法，其特征在于，步骤三中，大气压为标准大气压，P₀＝1.01×10⁵P_a，ρ_s＝1.185kg/m³，γ为在气温T₀＝298K和标准大气压条件下的空气的比热容，γ＝1.402，动态粘度λ＝0.0261。