CN111024361A - 一种通气测力试验模型内阻测量装置及测量方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种通气测力试验模型内阻测量装置和测量方法，在通气测力风洞试验中，模型尾部内腔通过设计节流块整流，并测量模型内腔不同截面处支杆壁面静压，根据等熵关系式和质量守恒关系式可求解获得当地总压的数值解，进而反算得到靠近模型内腔尾部出口处截面的马赫数，进一步根据动量守恒关系，得到模型内阻；该方法能够简单有效的获得试验模型内通道阻力，克服了传统总静压排管测量方法装置复杂、误差大等问题，仅通过测量模型尾部内腔不同环形截面静压解算获得试验模型内阻，大大简化试验过程，降低复杂度。

Description

一种通气测力试验模型内阻测量装置及测量方法
技术领域
本发明涉及一种通气测力试验模型内阻测量装置及测量方法，用于通气测力模型风洞试验内阻的测量，属于风洞试验技术领域。
背景技术
开展吸气式飞行器测力风洞试验时，为保证飞行器内外流场相似，试验模型需要设计成通气状态，而不采用堵锥的形式，以减少内外流场干扰的影响。在通气模型中，气流从进气口冲入进气道成为管流，然后再从尾部喷口流出，该过程内流道会产生一定量的阻力，而该阻力不会体现在飞行器真实飞行中，在进行升阻特性分析时需扣除这部分阻力，所以吸气式飞行器测力试验中内阻的测量是必不可少的。
目前，对于通气测力模型内阻的测量方法为测量出口截面总静压，通常采用总压排管和静压排管形式，排管通过基座固定于支杆上，为悬臂梁形式，支撑刚度小，加之当地气流流速高，排管受气流扰动后出现抖动现象，这便导致总静压测量误差大，内阻计算误差随之变大；除此之外，由于总静压排管位于模型内腔和支杆之间的有限空间，模型受力变形后容易与排管相碰，影响测力试验数据，同时总静压排管的存在本身也会影响压力的测量。综上所述，传统总静压排管方法的内阻测量结果精准度差，仅能为工程应用提供参考，难以满足高速风洞试验快速发展的需求。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的上述缺陷，提供一种通气测力试验模型内阻测量方法，该方法在通气测力试验中，能够简单有效的获得试验模型内通道阻力，克服了传统总静压排管测量方法装置复杂、误差大等问题，仅通过测量模型尾部内腔不同环形截面静压解算获得试验模型内阻。
本发明的另外一个目的在于提供一种通气测力试验模型内阻测量装置。
本发明的上述目的主要是通过如下技术方案予以实现的：
一种通气测力试验模型内阻测量方法，采用内阻测量装置进行测量，所述内阻测量试验装置包括测力天平、支杆和节流块，其中测力天平、支杆和节流块均设置在待测通气测力试验模型内部，支杆与测力天平连接，节流块设置在待测通气测力试验模型内腔尾部，并与待测通气测力试验模型连接，具体测量方法如下：
(1)、在待测通气测力试验模型尾部选取两个截面，测量两个截面处支杆壁面静压，所述选取的两个截面的通气面积不同；
(2)、根据等熵关系式，通过两个截面处支杆壁面静压得到两个截面处马赫数的表达式，再根据两个截面之间流动满足质量守恒关系，计算得到待测通气测力试验模型尾部内流当地总压，根据所述当地总压反算出靠近试验模型尾端面的一个截面处的马赫数；
(3)、根据所述截面处的马赫数，结合动量守恒定理，计算得到待测通气测力试验模型的内阻。
在上述通气测力试验模型内阻测量方法中，所述节流块同轴安装于待测通气测力试验模型模型内腔尾部，两者尾端面齐平，所述节流块的内腔前段为直径变化段，后段为等直径圆柱段；且所述节流块内腔前缘与所述试验模型内腔相切。
在上述通气测力试验模型内阻测量方法中，所述支杆半径设为R1，节流块前缘半径设为R2，节流块后缘半径设为R3，满足关系：R2>R3>R1。
在上述通气测力试验模型内阻测量方法中，所述其中一个截面位于节流块前缘上游，与节流块内腔前缘距离L1为3～10mm，另一个截面位于节流块内腔靠近模型尾端面的等直径圆柱段处，与模型尾端面距离L2为3～10mm。
在上述通气测力试验模型内阻测量方法中，所述静压测点位于支杆外表面，静压测点沿支杆外表面周向均匀分布，截面测点个数i≥4。
在上述通气测力试验模型内阻测量方法中，所述步骤(2)中根据两个截面处支杆壁面静压得到两个截面处马赫数的表达式如下：
Figure BDA0002325111040000031
Figure BDA0002325111040000032
其中：Pai为截面A-A的支杆壁面静压；Pbi为截面B-B的支杆壁面静压；Maai为壁面静压Pai对应的马赫数，Mabi为壁面静压Pbi对应的马赫数，Pti为模型尾部内流当地总压。
在上述通气测力试验模型内阻测量方法中，所述步骤(2)中根据两个截面处马赫数的表达式，再根据两个截面之间流动满足质量守恒关系，计算得到待测通气测力试验模型尾部内流当地总压的具体方法如下：
(2.1)、两个截面之间流动满足质量守恒关系，根据质量守恒定律可得：
Aa×q(Maai)＝Ab×q(Mabi) (c)
Figure BDA0002325111040000033
Figure BDA0002325111040000034
其中：q(Maai)为Maai的流量函数；q(Mabi)为Mabi的流量函数；Aa为截面A-A的流通面积，Ab为截面B-B的流通面积；
(2.2)根据两个截面处马赫数的表达式，以及公式(c)、(d)、(e)，计算得到模型尾部内流当地总压Pti。
在上述通气测力试验模型内阻测量方法中，所述步骤(3)中根据靠近试验模型尾端面的一个截面处的马赫数，计算得到待测通气测力试验模型的内阻的具体方法如下：
Figure BDA0002325111040000041
其中：Xin为待测通气测力试验模型的内阻；M∞为风洞来流马赫数，P∞为风洞来流静压，Abi＝Ab/i；i为截面测点个数。
一种通气测力试验模型内阻测量装置，包括测力天平、支杆和节流块，其中测力天平、支杆和节流块均设置在待测通气测力试验模型内部，支杆与测力天平连接，节流块设置在待测通气测力试验模型内腔尾部，并与待测通气测力试验模型连接，所述节流块同轴安装于待测通气测力试验模型模型内腔尾部，两者尾端面齐平，所述节流块的内腔前段为直径变化段，后段为等直径圆柱段，且所述节流块内腔前缘与所述试验模型内腔相切。
在上述通气测力试验模型内阻测量装置中，还包括天平保护罩，所述天平保护罩设置在测力天平外部，用于防止天平受气流冲击；所述测力天平用于测量试验模型六分量力与力矩；所述支杆用于支撑天平同时外表面分布静压孔测点。
在上述通气测力试验模型内阻测量装置中，所述支杆半径设为R1，节流块前缘半径设为R2，节流块后缘半径设为R3，满足关系：R2>R3>R1。
在上述通气测力试验模型内阻测量装置中，所述其中一个截面位于节流块前缘上游，与节流块内腔前缘距离L1为3～10mm，另一个截面位于节流块内腔靠近模型尾端面的等直径圆柱段，与模型尾端面距离L2为3～10mm。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
(1)、本发明公开了一种通气测力试验模型内阻测量装置和测量方法，在通气测力风洞试验中，模型尾部内腔通过设计节流块整流，并测量模型内腔不同截面处支杆壁面静压，根据等熵关系式和质量守恒关系式可求解获得当地总压的数值解，进而反算得到靠近模型内腔尾部出口处截面的马赫数，进一步根据动量守恒关系，得到模型内阻；该方法能够简单有效的获得试验模型内通道阻力，克服了传统总静压排管测量方法装置复杂、误差大等问题，仅通过测量模型尾部内腔不同环形截面静压解算获得试验模型内阻，大大简化试验过程，降低复杂度。
(2)、本发明方法只进行壁面压力测量，不存在测压排管对内流道的影响，精度高，可实现性强；无需开展总压耙设计与加工，成本低，可靠性强。
(3)、本发明方法不用为测压排管预留空间，模型内腔与支杆间距可参照常规测力试验，支杆相对测压排管方法直径大，支撑刚度强，减小了试验过程模型抖动带来的测量误差。
(4)、本发明根据需要设计了特殊结构的节流块，并通过大量试验合理选取两个测压截面的位置，大大提高了计算测量的精度和准确性，提高测量可靠性。
附图说明
图1为本发明通气测力试验模型的内阻测量方法原理图；
图2为本发明“米”字型测量截面示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的描述：
如图1所示为本发明通气测力试验模型的内阻测量方法原理图，本发明通过测量通气测力模型尾部内腔不同环形截面的壁面静压，解算获得模型内通道阻力。本发明通气测力试验模型的内阻测量装置包括测力天平、天平保护罩、支杆和节流块，其中测力天平、天平保护罩、支杆和节流块均设置在待测通气测力试验模型内部，支杆与测力天平连接，节流块设置在待测通气测力试验模型内腔尾部，并与待测通气测力试验模型连接，天平保护罩设置在测力天平外部。节流块同轴安装于待测通气测力试验模型模型内腔尾部，两者尾端面齐平，所述节流块的内腔前段为直径变化段，后段为等直径圆柱段；且节流块内腔前缘与所述试验模型内腔相切。
在通气测力试验中，气流经模型进气口冲入内腔，然后经尾部喷口排出，如图1所示，其中内式测力天平用于测量试验模型六分量力与力矩，天平保护罩用于防止天平受气流冲击，支杆用于支撑天平同时外表面分布静压孔测点；节流块同轴安装于试验模型尾部内腔，两者尾端面齐平，其内腔前缘与模型内腔相切，后缘为等直段，中间为一光滑收缩曲线段。
如图2所示为本发明“米”字型测量截面示意图，支杆半径设为R1，节流块前缘半径设为R2，节流块后缘半径设为R3(模型内腔尾部出口半径)，满足关系：R2>R3>R1。
静压测点位于支杆外表面，测量截面A-A位于节流块前缘上游，与节流块内腔前缘距离L1为3～10mm，测量截面B-B位于节流块内腔靠近模型尾端面的等直径圆柱段，与模型尾端面距离L2为3～10mm。壁面静压测点周向均匀分布，截面测点个数i≥4；在试验过程中，通过压力测量获得模型尾部截面A-A处的支杆壁面静压Pai和截面B-B处的壁面静压Pbi。
本发明通气测力试验模型内阻测量方法具体包括如下步骤：
(1)、在待测通气测力试验模型尾部选取两个截面，测量两个截面处支杆壁面静压，所述选取的两个截面的通气面积不同，本发明一可选实施例中，选取测量截面A-A和测量截面B-B，即测量截面A-A位于节流块外部，与节流块内腔前缘距离L1为3～10mm，测量截面B-B位于节流块内腔靠近模型尾端面的等直径圆柱段，与模型尾端面距离L2为3～10mm。
(2)、气流在两静压截面之间的流动为等熵过程，设当地总压为Pti，根据等熵流关系式两测量截面处马赫数可表示为：
截面A-A：
Figure BDA0002325111040000061
截面B-B：
Figure BDA0002325111040000062
其中，Pai为截面A-A的支杆壁面静压；Pbi为截面B-B的支杆壁面静压；Maai为壁面静压Pai对应的马赫数，Mabi为壁面静压Pbi对应的马赫数，Pti为模型尾部内流当地总压。流动介质为空气。
(3)、两测压截面之间流动满足质量守恒关系，根据质量守恒定律可得：
Aa×q(Maai)＝Ab×q(Mabi) (c)
Figure BDA0002325111040000071
Figure BDA0002325111040000072
其中：
Figure BDA0002325111040000073
为截面A-A流通面积，
Figure BDA0002325111040000074
为截面B-B流通面积，q(Maai)为Maai的流量函数。
(4)、将步骤(2)中马赫数表达式(a)、(b)代入步骤(3)中的质量守恒关系式，计算得到模型尾部内流当地总压Pti。进而反解得到截面B-B处马赫数Mabi。
(5)、根据动量守恒关系，待测通气测力试验模型内阻Xin可表示为：
Figure BDA0002325111040000075
其中：Xin为待测通气测力试验模型的内阻；M∞为风洞来流马赫数，P∞为风洞来流静压，Abi＝Ab/i；i为截面测点个数。
本发明方法只进行壁面压力测量，不存在测压排管对内流道的影响，精度高，可实现性强；无需开展总压耙设计与加工，成本低，可靠性强。
本发明方法不用为测压排管预留空间，模型内腔与支杆间距可参照常规测力试验，支杆相对测压排管方法直径大，支撑刚度强，减小了试验过程模型抖动带来的测量误差。
以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (12)

1.一种通气测力试验模型内阻测量方法，其特征在于：采用内阻测量装置进行测量，所述内阻测量试验装置包括测力天平、支杆和节流块，其中测力天平、支杆和节流块均设置在待测通气测力试验模型内部，支杆与测力天平连接，节流块设置在待测通气测力试验模型内腔尾部，并与待测通气测力试验模型连接，具体测量方法如下：
(1)、在待测通气测力试验模型尾部选取两个截面，测量两个截面处支杆壁面静压，所述选取的两个截面的通气面积不同；
(2)、根据两个截面处支杆壁面静压得到两个截面处马赫数的表达式，再根据两个截面之间流动满足质量守恒关系，计算得到待测通气测力试验模型尾部内流当地总压，根据所述当地总压反算出靠近试验模型尾端面的一个截面处的马赫数；
(3)、根据所述截面处的马赫数，计算得到待测通气测力试验模型的内阻。
2.根据权利要求1所述的通气测力试验模型内阻测量方法，其特征在于：所述节流块同轴安装于待测通气测力试验模型模型内腔尾部，两者尾端面齐平，所述节流块的内腔前段为直径变化段，后段为等直径圆柱段；且所述节流块内腔前缘与所述试验模型内腔相切。
3.根据权利要求1所述的通气测力试验模型内阻测量方法，其特征在于：所述支杆半径设为R1，节流块前缘半径设为R2，节流块后缘半径设为R3，满足关系：R2>R3>R1。
4.根据权利要求2所述的通气测力试验模型内阻测量方法，其特征在于：所述其中一个截面位于节流块前缘上游，与节流块内腔前缘距离L1为3～10mm，另一个截面位于节流块内腔靠近模型尾端面的等直径圆柱段处，与模型尾端面距离L2为3～10mm。
5.根据权利要求2所述的通气测力试验模型内阻测量方法，其特征在于：所述静压测点位于支杆外表面，静压测点沿支杆外表面周向均匀分布，截面测点个数i≥4。
6.根据权利要求1所述的通气测力试验模型内阻测量方法，其特征在于：所述步骤(2)中根据两个截面处支杆壁面静压得到两个截面处马赫数的表达式如下：
Figure FDA0002325111030000021
Figure FDA0002325111030000022
其中：Pai为截面A-A的支杆壁面静压；Pbi为截面B-B的支杆壁面静压；Maai为壁面静压Pai对应的马赫数，Mabi为壁面静压Pbi对应的马赫数，Pti为模型尾部内流当地总压。
7.根据权利要求6所述的通气测力试验模型内阻测量方法，其特征在于：所述步骤(2)中根据两个截面处马赫数的表达式，再根据两个截面之间流动满足质量守恒关系，计算得到待测通气测力试验模型尾部内流当地总压的具体方法如下：
(2.1)、两个截面之间流动满足质量守恒关系，根据质量守恒定律可得：
Aa×q(Maai)＝Ab×q(Mabi)(c)
Figure FDA0002325111030000023
Figure FDA0002325111030000024
其中：q(Maai)为Maai的流量函数；q(Mabi)为Mabi的流量函数；Aa为截面A-A的流通面积，Ab为截面B-B的流通面积；
(2.2)根据两个截面处马赫数的表达式，以及公式(c)、(d)、(e)，计算得到模型尾部内流当地总压Pti。
8.根据权利要求7所述的通气测力试验模型内阻测量方法，其特征在于：所述步骤(3)中根据靠近试验模型尾端面的一个截面处的马赫数，计算得到待测通气测力试验模型的内阻的具体方法如下：
Figure FDA0002325111030000031
其中：Xin为待测通气测力试验模型的内阻；M∞为风洞来流马赫数，P∞为风洞来流静压，Abi＝Ab/i；i为截面测点个数。
9.一种通气测力试验模型内阻测量装置，其特征在于：包括测力天平、支杆和节流块，其中测力天平、支杆和节流块均设置在待测通气测力试验模型内部，支杆与测力天平连接，节流块设置在待测通气测力试验模型内腔尾部，并与待测通气测力试验模型连接，所述节流块同轴安装于待测通气测力试验模型模型内腔尾部，两者尾端面齐平，所述节流块的内腔前段为直径变化段，后段为等直径圆柱段，且所述节流块内腔前缘与所述试验模型内腔相切。
10.根据权利要求9所述的通气测力试验模型内阻测量装置，其特征在于：还包括天平保护罩，所述天平保护罩设置在测力天平外部，用于防止天平受气流冲击；所述测力天平用于测量试验模型六分量力与力矩；所述支杆用于支撑天平同时外表面分布静压孔测点。
11.根据权利要求9所述的通气测力试验模型内阻测量装置，其特征在于：所述支杆半径设为R1，节流块前缘半径设为R2，节流块后缘半径设为R3，满足关系：R2>R3>R1。
12.根据权利要求9所述的通气测力试验模型的内阻测量装置，其特征在于：所述其中一个截面位于节流块前缘上游，与节流块内腔前缘距离L1为3～10mm，另一个截面位于节流块内腔靠近模型尾端面的等直径圆柱段，与模型尾端面距离L2为3～10mm。
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