CN110907126A - 一种风洞稳定段总温间接测量方法 - Google Patents

一种风洞稳定段总温间接测量方法 Download PDF

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李震乾
陈爱国
胡振震
杨彦广
石义雷
龙正义
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Abstract

本发明涉及一种风洞稳定段总温间接测量方法，包括以下步骤，Ⅰ.计算出拉瓦尔喷管喉道口的截面积；Ⅱ.测量风洞运行过程中的气体流量值和稳定段的总压值；Ⅲ.气体流量值和稳定段的总压值的数据传输到数据处理系统中；Ⅳ.数据处理系统判断气体总温是否超过800K，其中，如预判断气体总温小于800K，则将拉瓦尔喷管喉道口的截面积、气体流量值和稳定段的总压值的数据代入预先录入数据处理系统的公式内直接计算出稳定段具体的气体总温值；如预判断气体总温大于或等于800K，将拉瓦尔喷管喉道口的截面积、气体流量值和稳定段的总压值的数据通过迭代计算的方式计算出稳定段具体的气体总温值，本发明具有无需接触测量即可准确计算出稳定段气体总温的优点。

Description

一种风洞稳定段总温间接测量方法
技术领域
本发明涉及风洞试验技术领域，尤其涉及一种风洞稳定段总温间接测量方法。
背景技术
飞行器在再入大气层的过程中要在高马赫数条件下经历稀薄流区，并在这个流区内飞行较长的时间，其气动问题非常复杂；为了通过地面试验模拟来研究飞行器在稀薄条件下的飞行特性，高超声速风洞需要模拟马赫数10～20的流动，为了防止气体冷凝，风洞的稳定段总温要达到3100K以上，总压也要达到10MPa，并且总温是风洞运行的重要参数，但是在这样的高温、高压条件下，空气的氧化性极强，大部分的检测器材都会融化、烧蚀，接触测量难以实现；并且由于空间狭小，温度、压力高，在稳定段上开测试窗口困难，而且非接触测量的测试系统价格昂贵，因此目前非接触测量也不成熟。
因此，针对以上不足，需要提供一种风洞稳定段总温间接测量方法。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明要解决的技术问题是解决风洞运行总温高、总压高、气体氧化性强，直接测量风洞稳定段总温难度大的问题。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种风洞稳定段总温间接测量方法，包括以下步骤，
I.测量获得拉瓦尔喷管喉道口的直径，计算出拉瓦尔喷管喉道口的截面积A*；
Ⅱ.测量风洞运行过程中的气体流量值G和稳定段的总压值P0；
III.气体流量值G和稳定段的总压值P0的数据传输到数据处理系统中；
Ⅳ.数据处理系统通过对预先设定的信息判断气体总温是否超过800K，其中，
如预判断气体总温小于800K，则将拉瓦尔喷管喉道口的截面积A*、气体流量值G和稳定段的总压值P0的数据代入预先录入数据处理系统的公式内直接计算出稳定段具体的气体总温值T0；
如预判断气体总温大于或等于800K，将拉瓦尔喷管喉道口的截面积A*、气体流量值G和稳定段的总压值P0的数据通过迭代计算的方式计算出稳定段具体的气体总温值T0。
作为对本发明的进一步说明，优选地，所述预先录入数据处理系统的公式为
Figure BDA0002304989790000021
其中，
R为气体常数，对于空气，R＝287；
γ为比热比，对于空气，γ＝1.4。
作为对本发明的进一步说明，优选地，所述迭代计算的方式为
1)预估总温T0的初始值；
2)利用测量得到的总压值P0、预估的总温值T0，求解拉瓦尔喷管喉道口的气体温度T*、压力P*和速度值u*；
3)根据质量守恒定律、状态方程和喉道面积A*，求解拉瓦尔喷管喉道口处的气体密度ρ*和流量G*；
4)对比G和G*，如果|G-G*|的值小于某一设定值，则认为计算误差满足要求，输出此时的T0值，这个T0即为本次间接测量的结果；如果|G-G*|的值大于该设定值，则重新估计T0的值，返回2)重新计算，直到得到结果为止。
作为对本发明的进一步说明，优选地，测量得到的总压值P0、预估的总温值T0通过动量守恒定律、等熵流动条件和声速喉道条件求解出拉瓦尔喷管喉道口的气体温度T*、压力P*和速度值u*。
作为对本发明的进一步说明，优选地，气体流量值G采用气体流量计进行测量，稳定段的总压值P0采用压力传感器进行测量。
作为对本发明的进一步说明，优选地，气体流量计固连在进气管道上，压力传感器固连在稳定段上。
作为对本发明的进一步说明，优选地，进气管道的数量大于1，每根进气管道内均安装气体流量计，且气体流量值G为每根进气管道的气体流量总和，即
G＝G1+G2+G3+…+Gn。
作为对本发明的进一步说明，优选地，稳定段上安装有若干个压力传感器，稳定段的总压值P0为各个压力传感器的测量值的平均值，即
Figure BDA0002304989790000041
(三)有益效果
本发明的上述技术方案具有如下优点：
1、本发明通过在风洞上安装流量计、压力传感器等计量工具，方便地测量试验时气体的流量值、稳定段压力值，将这些数据传输到数据处理系统，利用一维等熵流动方程或通过迭代求解确定稳定段的气体总温；即利用间接的测量方法，所测量的量均能通过常规测量方法得到，装置结构简单，易于实现；
2、本发明数据处理采用迭代方式完成，效率高，精度能达到1％以上，并且整个系统构造简单，易实现，效率高，成本低，能达到风洞高总温间接测量的目的。
附图说明
图1是本发明的结构剖面图；
图2是本发明的迭代算法逻辑图。
图中：1、进气管道；2、气体流量计；3、加热装置；4、稳定段；5、拉瓦尔喷管；6、压力传感器；7、数据处理系统。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
一种风洞稳定段总温间接测量方法，如图1所示，应用在一种风洞内，该风洞包括进气管道1、气体流量计2、加热装置3、稳定段4、拉瓦尔喷管5和压力传感器6，进气管道1为圆柱管道，气体流量计2固连在进气管道1上，加热装置3固连在进气管道1的出气口端，稳定段4固连在加热装置3的出气口端，拉瓦尔喷管5的缩口端与稳定段4的出气口端相连，若干个压力传感器6间隔固连在稳定段4四周，不仅能检测稳定段4四周受压是否均已，还能以通过多重检测的方式来判断气体压力是否在稳定段4额定最大承压范围内；气体流量计2和压力传感器6的输出端电性连接有数据处理系统7，该数据处理系统7可为常规的电脑或PLC等内置的计算软件，具有数据存储和计算的功能，数据处理系统7内存有预先设定好的计算方式，以便在气体流量计2和压力传感器6将检测到的数据直接传输至数据处理系统7后能在短时间内得出确切的结果。
本发明的测量方法包括以下步骤，
I.将多根进气管道1连接在加热装置3上，同时测量获得拉瓦尔喷管5喉道口的直径(喉道尺寸是喷管的重要指标，一般在出厂验收是会进行精确测量，且喷管喉道5没有明显变形情况下，有一次比较可信的测量即可，无需每次试验都进行测量)，计算出拉瓦尔喷管5喉道口的截面积A*；
Ⅱ.测量风洞运行过程中的气体流量值G和稳定段4的总压值P0，其中气体流量值G采用气体流量计2进行测量，稳定段4的总压值P0采用压力传感器6进行测量，气体流量计2和压力传感器6不与气体接触，避免被气体高温烧蚀；
因进气管道的数量大于1，且每根进气管道1内均安装气体流量计2，则气体流量值G为每根进气管道的气体流量总和，即
G＝G1+G2+G3+…+Gn；
同样的，稳定段4的总压值P0为各个压力传感器6的测量值的平均值，即
Figure BDA0002304989790000061
III.气体流量值G和稳定段4的总压值P0的数据传输到数据处理系统7中；
Ⅳ.数据处理系统7通过对预先设定的信息判断气体总温是否超过800K，其中，
当预判断气体总温小于800K，可通过直接测量的方式，或可将拉瓦尔喷管5喉道口的截面积A*、气体流量值G和稳定段4的总压值P0的数据代入预先录入数据处理系统7的公式内直接计算出稳定段4具体的气体总温值T0，所述公式为：
Figure BDA0002304989790000062
其中，
R为气体常数，对于空气，R＝287；
γ为比热比，对于空气，γ＝1.4。
通过直接代入公式的计算方式，可直接得出800K以下的气体总温值T0，这种间接的测量方法，所测量的量均通过常规测量方法得到，且装置结构简单，应用成本低，易于实现，且最终的结果具有极高的准确率。
当预判断气体总温大于或等于800K，将拉瓦尔喷管5喉道口的截面积A*、气体流量值G和稳定段4的总压值P0的数据通过迭代计算的方式计算出稳定段4具体的气体总温值T0，所述迭代计算的方式为：
1)先预估总温T0的初始值；
2)利用测量得到的总压值P0、预估的总温值T0，通过动量守恒定律、等熵流动条件和声速喉道条件等现有技术条件求解拉瓦尔喷管5喉道口的气体温度T*、压力P*和速度值u*；
3)根据质量守恒定律、状态方程和喉道面积A*，求解拉瓦尔喷管5喉道口处的气体密度ρ*和流量G*；
4)对比G和G*，如果|G-G*|的值小于某一设定值，则认为计算误差满足要求，输出此时的T0值，这个T0即为本次间接测量的结果；如果|G-G*|的值大于该设定值，则重新估计T0的值，返回2)重新计算，直到得到结果为止。
同时，当气体总温在800～2000K之间时，气体振动激发，气体的比热比γ是温度T的函数，可以通过查表法或拟合公式求出；
当气体温度高于2000K时，气体离解，发生化学反应，计算中采用热力学特性拟合的平衡气体方法，假设流动中的气体处于化学反应平衡状态，而各位置上气体的热力学性质都可以根据当地的两个不同热力学变量的拟合计算式得到；
为保证迭代算法具有较高的正确率，通过采用非接触的测量系统对不同总压下的稳定段4先进行测量，随后通过算法再计算，其中，
当总压为0.8MPa时，测量总温为1322K，计算总温为1313K，相对偏差仅为-0.68％；
当总压为1.9MPa时，测量总温为1630K，计算总温为1639K，相对偏差仅为0.55％；
当总压为9.48MPa时，测量总温为2009K，计算总温为2018K，相对偏差也仅为0.44％。
综上，本发明通过迭代的计算方式，数据处理采用迭代方式完成，效率高，可逐步将计算出的气体总温值推导至与气体总温的实际值相同，精度能达到1％以上，且整个系统构造简单，易实现，效率高，成本低，能达到风洞高总温间接测量的目的。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种风洞稳定段总温间接测量方法，其特征在于：包括以下步骤，
I.测量获得拉瓦尔喷管(5)喉道口的直径，计算出拉瓦尔喷管(5)喉道口的截面积A*；
II.测量风洞运行过程中的气体流量值G和稳定段(4)的总压值P0；
III.气体流量值G和稳定段(4)的总压值P0的数据传输到数据处理系统(7)中；
IV.数据处理系统(7)通过对预先设定的信息判断气体总温是否超过800K，其中，
如预判断气体总温小于800K，则将拉瓦尔喷管(5)喉道口的截面积A*、气体流量值G和稳定段(4)的总压值P0的数据代入预先录入数据处理系统(7)的公式内直接计算出稳定段(4)具体的气体总温值T0；
如预判断气体总温大于或等于800K，将拉瓦尔喷管(5)喉道口的截面积A*、气体流量值G和稳定段(4)的总压值P0的数据通过迭代计算的方式计算出稳定段(4)具体的气体总温值T0。
2.根据权利要求1所述的一种风洞稳定段总温间接测量方法，其特征在于：所述预先录入数据处理系统(7)的公式为
Figure FDA0002304989780000011
其中，
R为气体常数，对于空气，R＝287；
γ为比热比，对于空气，γ＝1.4。
3.根据权利要求1所述的一种风洞稳定段总温间接测量方法，其特征在于：所述迭代计算的方式为
1)预估总温T0的初始值；
2)利用测量得到的总压值P0、预估的总温值T0，求解拉瓦尔喷管(5)喉道口的气体温度T*、压力P*和速度值u*；
3)根据质量守恒定律、状态方程和喉道面积A*，求解拉瓦尔喷管(5)喉道口处的气体密度ρ*和流量G*；
4)对比G和G*，如果|G-G*|的值小于某一设定值，则认为计算误差满足要求，输出此时的T0值，这个T0即为本次间接测量的结果；如果|G-G*|的值大于该设定值，则重新估计T0的值，返回2)重新计算，直到得到结果为止。
4.根据权利要求3所述的一种风洞稳定段总温间接测量方法，其特征在于：测量得到的总压值P0、预估的总温值T0通过动量守恒定律、等熵流动条件和声速喉道条件求解出拉瓦尔喷管(5)喉道口的气体温度T*、压力P*和速度值u*。
5.根据权利要求1所述的一种风洞稳定段总温间接测量方法，其特征在于：气体流量值G采用气体流量计(2)进行测量，稳定段(4)的总压值P0采用压力传感器(6)进行测量。
6.根据权利要求5所述的一种风洞稳定段总温间接测量方法，其特征在于：气体流量计(2)固连在进气管道(1)上，压力传感器(6)固连在稳定段(4)上。
7.根据权利要求6所述的一种风洞稳定段总温间接测量方法，其特征在于：进气管道(1)的数量大于1，每根进气管道(1)内均安装气体流量计(2)，且气体流量值G为每根进气管道(1)的气体流量总和，即
G＝G1+G2+G3+…+Gn。
8.根据权利要求6所述的一种风洞稳定段总温间接测量方法，其特征在于：稳定段(4)上安装有若干个压力传感器(6)，稳定段(4)的总压值P0为各个压力传感器(6)的测量值的平均值，即
Figure FDA0002304989780000031
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