CN110501134B - 用于高超声速模型底部压力测量的分步增量法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种用于高超声速模型底部压力测量的分步增量法，包括如下步骤：1：高超声速模型底部压力测量试验前，将试验段抽吸至真空，测量真空度并用绝压pv表示；2：开始进行高超声速模型底部压力测量试验，试验过程中测量高超声速模型底部压力增量Δp；3：根据公式pb＝pv+Δp，得到高超声速模型底部压力pb，本发明分步增量法能够有效地消除系统误差、减小随机误差，能够大幅提高底压测量的可靠性与总体精准度。

Description

用于高超声速模型底部压力测量的分步增量法
技术领域
本发明属于高超声速气动试验技术领域，尤其是一种用于高超声速模型底部压力测量的分步增量法。
背景技术
对于不通气模型的高超声速气动试验而言，底阻可能达到总阻的1/3，甚至更高，必须予以扣除修正。底阻修正的最基本方法是基于底部压力的面积分，常用底压均值与底部面积的乘积。可见，底压精细化测量对于高超声速气动试验底阻修正至关重要。
然而，底压(＜1kPa)动态精细化测量一直是高超声速气动试验领域的薄弱环节。对于高超声速试验模型底部低于1kPa的背风区流场而言，一般，数值模拟的精度较差，目前只能通过光学、测压等试验手段获得。对于低于1kPa的绝压而言，即便采用市面上最好的真空压力传感器测量，其总体准度仍然不易确定。
模型底压pb是相对于绝对真空0Pa的绝对压力，可用绝压传感器测量得到。参考端绝压pref是差压传感器或压力扫描阀的参考端绝对压力，可用绝压传感器测量得到或者通过压力控制器调节。差压pdiff是模型底压pb相对于参考端绝压pref的差值，可用差压传感器测量得到。
模型底压pb可表示为同一时刻的参考端绝压pref与差压pdiff之和：
pb＝pref+pdiff (1)
根据现有的绝压传感器、差压传感器或压力扫描阀技术条件，由式(1)可以引出两种传统的底压测量方法：绝压直接法和参考基准差压法。
绝压直接法就是用高频动态绝压传感器直接测量试验时的底压pb，如式(1)等号左边项。该测量方法简单、测量环节少、动态响应快，但绝压直接法的弊端就是系统误差可能较大，而且各种型号的绝压传感器引起的系统误差各不相同。绝压直接法对绝压传感器线性度要求很高，但即使是线性度很好的绝压传感器，其标定曲线向绝对真空0Pa(即零点)延伸的截距也很有可能并不为零，这个截距就是系统误差。对于一个完整、稳定的绝压测试系统而言，系统误差可能会达±100Pa，甚至更高，必须采用标准真空压力源进行现场标定，重新获得全系统压力与电压对应函数关系，尽量减小甚至基本消除各个环节、元器件引起的系统误差。
对于线性度很好的绝压传感器，在消除了系统误差的前提下，基本上能够通过绝压直接法测准底压pb。
参考基准差压法是基于自备的参考基准压力的高频动态差压传感器测压方法，如式(1)等号右边项。将差压传感器的参考端连接自备的已知或可测参考基准压力，一般可认为参考端压力pref与参考基准压力相等；将差压传感器的测量端连接待测底压pb，通过差压传感器测量待测底压pb与参考端压力pref的差压pdiff，再根据式(1)计算得到待测的底压pb。
在绝压直接法中，绝压传感器一般自带0Pa名义参考基准压力；在参考基准差压法中，参考基准压力是自备的，可以高于待测压力(如大气压或适当真空压)，也可以低于待测压力(如绝对真空0Pa)，为获得适当差压信号一般不宜设定在待测压力附近，但必须保证差压在量程内。
差压传感器的优势是易选适当量程、灵敏度与分辨率很高。但是，在参考基准差压法中，需要自备参考基准压力，这会导致测量管路复杂、响应跟随性较慢，而且对引压管路密封要求很高。受泄漏、管路压降与响应跟随性慢等不利因素影响，参考端压力pref与参考基准压力很有可能存在一定差异，这是参考基准差压法的弊端与主要误差来源所在。另外，较小量程的差压传感器的抗过载能力较差，需设置快速切换平衡管路，否则在风洞关车阶段容易因受快速大过载而损坏。因此，在风洞试验条件下，该方法不便于大规模应用测量。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于为了克服传统的底压测量方法的弊端、规避绝压传感器在零点附近测量的截距误差与差压传感器因参考端管路引起的压损误差，提高底压测量的可靠性与总体精准度。
为实现上述发明目的，本发明提技术方案如下：
一种用于高超声速模型底部压力测量的分步增量法，包括如下步骤：
步骤1：高超声速模型底部压力测量试验前，将试验段抽吸至真空，测量真空度并用绝压pv表示；
步骤2：开始进行高超声速模型底部压力测量试验，试验过程中测量高超声速模型底部压力增量Δp；
步骤3：根据公式pb＝pv+Δp，得到高超声速模型底部压力pb。
作为优选方式，步骤2在实验过程中连续测量高超声速模型底部压力增量Δp，根据步骤3计算得到高超声速模型底部压力曲线，对该曲线平稳段取平均值得到最终的底部压力值pb。
作为优选方式，还包括：高超声速模型底部压力测量时的来流条件为：马赫数大于等于5。
作为优选方式，步骤1将试验段抽吸至真空后，用静态的高精度真空计或者低频绝压传感器测量真空度。
作为优选方式，所述的高精度真空计是指精度达到0.25％的真空计。
作为优选方式，步骤2中，实验过程中用精度达到0.25％绝压传感器测量高超声速模型底部压力增量Δp。
作为优选方式，高超声速模型底部压力测量试验在在初始真空绝压低于2000Pa的真空抽吸式高超声速风洞中进行，而不是在初始压力为大气压的引射式高超声速风洞中进行。
本发明的原理如下：
对于真空抽吸式高超声速风洞试验而言，一般试验前需要将试验段抽吸至一定真空度(用绝压pv表示)，试验时测量底压pb可表示为初始真空绝压pv与试验时压力增量Δp之和：
pb＝pv+Δp (2)
分步增量法就是分别测量初始真空绝压pv与试验时压力增量Δp，求和得到试验时的底压pb，如式(2)等号右边项。根据因素解耦思路，将难度较大的底压pb高频动态测量分解为难度较小的初始真空绝压pv低频甚至静态测量环节与压力增量Δp高频动态测量环节的组合。当pb大于pv时，Δp符号为正；当pb小于pv时，Δp符号为负。
分步增量法的关键在于初始真空绝压pv的测量，这是一个静态测量量，可以采用适用于静态的0.25％精度真空计或者低频绝压传感器进行测量。相比于动态pb测量而言，静态pv测量要容易得多、可靠得多。
对于线性度很好的绝压传感器而言，在接入一个有别于原厂家标定的测试系统之后，其压力与电压对应函数关系会发生一定程度变化，灵敏度也可能会发生相应变化。用分步增量法测量压力增量Δp时，只需关注现场标定的灵敏度(即实测的压力与电压的比值)，而并不需要知道确切的压力与电压对应函数关系，或者说，并不关心标定曲线延伸获得的那个并不完全确定的截距值，这就大大减小了标定环节的难度与风险。从这个意义上说，相比于绝压pb测量而言，压力增量Δp测量要容易得多、可靠得多。
静态初始真空测量与动态压力增量测量是分步增量法的优势所在。与绝压直接法相比，分步增量法不是以绝压传感器零点为参考，而是以静态初始真空绝压pv为参考，可规避绝压传感器在零点附近测量的截距误差。与参考基准差压法相比，分步增量法的两个解耦项不是同一时刻的两个测量量，而是两个不同时刻的测量量，可规避差压传感器因参考端管路引起的压损误差。
本发明的有益效果为：本发明分步增量法能够有效地消除系统误差、减小随机误差，能够大幅提高底压测量的可靠性与总体精准度。对于试验时间0.5s的高超声速风洞中绝压200Pa这样很低的底部压力测量而言，绝压直接法的系统误差可能会达±100Pa，甚至更高，根本无法测准绝压200Pa底部压力；参考基准差压法受泄漏、管路压降与响应跟随性慢等不利因素影响，根本无法满足底部压力测量的响应速度需求，也无法测准；只有本发明的分步增量法能准确测量绝压200Pa底部压力，测量误差±15Pa。
附图说明
图1是标模试验喷管静压与模型底压曲线。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
图1中，对于试验时间0.5s的高超声速风洞中绝压200Pa这样很低的底部压力测量而言，分步增量法能准确测量绝压200Pa底部压力，测量误差±15Pa。这表明，分步增量法在高超声速模型底部压力测量中准确、可靠。
实施例1
试验条件：试验时间0.5s的高超声速风洞，马赫数6.0，模型攻角0°，喷管出口静压2500Pa，初始真空绝压1530Pa，真空计精度0.25％，绝压传感器精度0.25％。
一种用于高超声速模型底部压力测量的分步增量法，包括如下步骤：
步骤1：高超声速模型底部压力测量试验前，将试验段抽吸至真空，测量真空度并用绝压pv表示；用静态的高精度真空计或者低频绝压传感器测量真空度。所述的高精度真空计是指精度达到0.25％的真空计。
步骤2：开始进行高超声速模型底部压力测量试验，试验过程中用精度达到0.25％绝压传感器测量高超声速模型底部压力增量Δp。
步骤3：根据公式pb＝pv+Δp，得到高超声速模型底部压力pb。
步骤2在实验过程中连续测量高超声速模型底部压力增量Δp，根据步骤3计算得到高超声速模型底部压力曲线，对该曲线平稳段取平均值得到最终的底部压力值pb。
高超声速模型底部压力测量试验在在初始真空绝压低于2000Pa的真空抽吸式高超声速风洞中进行，而不是在初始压力为大气压的引射式高超声速风洞中进行。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (7)

1.一种用于高超声速模型底部压力测量的分步增量法，其特征在于包括如下步骤：
步骤1：高超声速模型底部压力测量试验前，将试验段抽吸至真空，测量真空度并用绝压pv表示；
步骤2：开始进行高超声速模型底部压力测量试验，试验过程中测量高超声速模型底部压力增量Δp；
步骤3：根据公式pb＝pv+Δp，得到高超声速模型底部压力pb。
2.根据权利要求1所述的用于高超声速模型底部压力测量的分步增量法，其特征在于：步骤2在实验过程中连续测量高超声速模型底部压力增量Δp，根据步骤3计算得到高超声速模型底部压力曲线，对该曲线平稳段取平均值得到最终的底部压力值pb。
3.根据权利要求1所述的用于高超声速模型底部压力测量的分步增量法，其特征在于：高超声速模型底部压力测量时的来流条件为：马赫数大于等于5。
4.根据权利要求1所述的用于高超声速模型底部压力测量的分步增量法，其特征在于：步骤1将试验段抽吸至真空后，用静态的高精度真空计或者低频绝压传感器测量真空度。
5.根据权利要求4所述的用于高超声速模型底部压力测量的分步增量法，其特征在于：所述的高精度真空计是指精度达到0.25％的真空计。
6.根据权利要求1所述的用于高超声速模型底部压力测量的分步增量法，其特征在于：步骤2中，实验过程中用精度达到0.25％的绝压传感器测量高超声速模型底部压力增量Δp。
7.根据权利要求1所述的用于高超声速模型底部压力测量的分步增量法，其特征在于：高超声速模型底部压力测量试验在初始真空绝压低于2000Pa的真空抽吸式高超声速风洞中进行，而不是在初始压力为大气压的引射式高超声速风洞中进行。
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