CN111649903A - 一种利用动模型实验间接测量气动阻力系数的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明实施例涉及一种利用动模型实验间接测量气动阻力系数的方法，包括：在动模型上安装加速度测量仪后，确定动模型的总质量；进行多次动模型实验，获取动模型在每次实验中的加速度数据；对加速度数据进行积分得到速度随时间的演化曲线；基于演化曲线计算动模型在实验段的平均加速度，以及动模型在实验段的平均速度；将每次动模型实验中平均加速度度和平均速度作为实验数据组；采用Davis方程对多组实验数据组进行拟合得到动模型的气动阻力系数。由此本申请提供新的气动阻力间接测量方法，适应于不同速度的动模型测试，且测试方法简单可靠。其次利用多次有效测试结果和非线性偏微分方程的最小误差拟合，可以直接得到模型的气动阻力系数。

Description

一种利用动模型实验间接测量气动阻力系数的方法
技术领域
本发明实施例涉及动模型实验领域，尤其涉及一种利用动模型实验间接测量气动阻力系数的方法。
背景技术
目前，利用动模型实验测试模型气动阻力的方法只有德国人将几乎整个运动装置(包括模型)沉入水中至合适的深度，利用模型在水中匀速运动模拟模型在空气中的运动(在雷诺数相同的情况下，前者的速度比后者约低一个量级)，在测量出总的驱动力后，驱动力减去模型的兴波阻力即等于气动阻力。其缺点在于整个过程必须在水中进行，包括相关的测试仪器，且只能模拟识空气为非压缩气体的低速过程，速度越高，水池的长度要求越长。
在大气环境下，由于直接测量模型沿运动方向的运动阻力十分困难：因为模型在加速和减速过程中，在直接测量实验段的总阻力时，测力传感器必须能够承购在加速段和减速段的巨大加速力和减速力(通常有正负10G以上，甚至更多)，因此对应的测力传感器量程必须很大。而在实验段中，模型总的运行阻力又很小，这样，具有大量程的测力传感器会导致其在实验段的测量精度大幅度降低。
目前,有人利用模型驻点附近气流和速度的对应关系来确定速度和加速度的对应关系。然而，由于这种技术对应的速度范围比较小：高速时压力变化比较大，而低速时压力变化幅度很小，对应的速度变化也很小，因此对应的测量误差非常大。并且，当模型没有前凸驻点时，模型的气动阻力(系数)将无法测试。
发明内容
为了解决上述技术问题或者至少部分地解决上述技术问题，本申请提供了一种利用动模型实验间接测量气动阻力系数的方法。该方法包括：
在动模型上安装加速度测量仪后，确定动模型的总质量；
进行多次动模型实验，获取所述动模型在每次实验中的加速度数据；
对所述加速度数据进行积分得到速度随时间的演化曲线；
基于所述演化曲线计算所述动模型在实验段的平均加速度，以及所述动模型在所述实验段的平均速度；
将每次动模型实验中平均加速度度和平均速度作为实验数据组；
采用Davis方程对多组实验数据组进行拟合得到动模型的气动阻力系数。
在一个可能的实施方式中，所述对所述加速度数据进行积分得到速度随时间的演化曲线，包括：
确定采集所述加速度数据的时间间隔；
根据所述时间间隔和所述加速度数据进行积分得到速度随时间的演化曲线。
在一个可能的实施方式中，所述获取所述动模型在所述实验段的平均速度，包括：
获取所述动模型在实验段的速度随时间的演化部分的初始速度，以及终止速度；
根据所述初始速度和所述终止速度得到所述动模型在所述实验段的平均速度。
在一个可能的实施方式中，所述基于所述演化曲线计算所述动模型在实验段的平均加速度，包括：
确定所述动模型在实验段的速度随时间的演化为直线时，确定所述直线的斜率，将所述斜率作为所述懂模型在实验段的平均加速度。
在一个可能的实施方式中，所述Davis方程为：
Figure BDA0002514827130000031
其中，C为气动阻力系数，M为动模型的总质量。
本发明实施例提供了一种新的气动阻力间接测量方法，无论是何种外形的模型，适应于不同速度的动模型测试，且测试方法简单可靠。其次利用多次有效测试结果和非线性偏微分方程的最小误差拟合，可以直接得到模型的气动阻力系数。且次数越多，实验结果越准确；最后该技术可以用于列车经过长隧道/管道时稳定状态的气动阻力测量，可以为低压管道中列车运行的气动特性甄别和优化隧道截面提供关键的测试技术。此外，这种技术也将使固定翼飞行器在动模型上的滑行过程的气动特性测试成为可能。同时该测量方法对于研究测试模型在速度接近于声速时的气动阻力演化特性具有重要意义。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请实施例提供的一种利用动模型实验间接测量气动阻力系数的方法的流程图。
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法进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例只是本发明一部分实施例，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成果前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后等)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态下各部件之间的相对位置关系，运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
图1为本申请实施例提供的一种利用动模型实验间接测量气动阻力系数的方法的流程图，该方法包括：
步骤S11，在动模型上安装加速度测量仪后，确定动模型的总质量；
首先将可以测试和存储加速度数据的加速度测量仪安装在动模型上，使其能够测得模型沿运动方向的加速度，这里加速度测量仪的安装应该不改变模型的气动外形轮廓，需要称重安装上加速度测量仪后模型的总重量M，并需要标定好加速度测量仪，包括静止时加速度测量仪的致零。
步骤S12，进行多次动模型实验，获取动模型在每次实验中的加速度数据；
在动模型实验开始时，需要使加速度测量仪先开始工作，以便能够记录模型从静止状态开始加速，然后通过实验段，再经过减速至静止状态的加速度数据。
实验结束后，将得到的加速度数据移到计算机上，通过积分程序Vk＝Vk-1+akT。
其中，ak是k时刻的加速度测量值，T是加速度采集的时间间隔，Vk-1和Vk分别是k-1和k时刻的速度值。
需要说明的是，实验的有效性在于得到的速度随时间的演化在开始时模型的速度为零；在实验完成后，模型的速度值也基本为零。利用多次有效实验可以得到多个速度随时间的演化过程数据曲线。有效实验的速度分布要在一个较大的速度范围，且有效实验至少3次以上，实验次数的增加有利于提高测量的精度。
步骤S13，对加速度数据进行积分得到速度随时间的演化曲线；
在本步骤中，首先确定采集加速度数据的时间间隔；然后根据时间间隔和加速度数据进行积分得到速度随时间的演化曲线。
步骤S14，基于演化曲线计算动模型在实验段的平均加速度，以及动模型在实验段的平均速度；
在本步骤中，首先确定动模型在实验段的速度随时间的演化为直线时，确定直线的斜率，将斜率作为懂模型在实验段的平均加速度。
而对于平均速度，可以通过获取所述动模型在实验段的速度随时间的演化部分的初始速度，以及终止速度；根据所述初始速度和所述终止速度得到所述动模型在所述实验段的平均速度。
步骤S15，将每次动模型实验中平均加速度度和平均速度作为实验数据组；
需要说明的是，在完成多次有效实验和得到对应的速度随时间的演化曲线(可以利用origin系列的软件进行相关的数据处理)之后，可以发现模型在实验段的速度随时间的演化为直线，这意味着模型的运动状态为匀减速运动，斜率为对应的加速度，实验段的开始速度和末端速度的平均即为实验段的速度。由此可以从每一次有效实验中获得一组速度和加速度测量值。
步骤S16，采用Davis方程对多组实验数据组进行拟合得到动模型的气动阻力系数。
本步骤中，通过Davis方程和最小均方误差拟合得到气动阻力系数，其中，Davis方程如下：
Figure BDA0002514827130000061
式中，C为气动阻力系数，M为动模型的总质量。
具体的，利用Davis方程和最小均方误差拟合实验得到的速度和加速度数值对组(可以利用origin软件中提供的多项式拟合功能)，即可得到C/M的值，而C即为模型的气动阻力系数。从此可以看出，有效实验次数越多，C数值的准确度越高。
整个实验过程应当注意：由Davis方程可以看出，首先在实验中，M的值不能太大，太大导致模型在实验段的加速度绝对值变小；其次，模型在实验段的速度也不能太小，太小也会导致模型在实验段的加速度绝对值变小；最后，模型在实验段的动摩擦力也不能太大，太大导致气动阻力导致的速度减低所占的比例降低，也不利于气动阻力的精确测量。这里，气动阻力应当和动摩擦力相当或大于动摩擦力；其次实验段不能太长，太长模型在实验段的速度演化变为曲线，不利于模型速度和加速度的取值，拟合误差较大。
以上对发明的具体实施方式进行了详细说明，但是作为范例，本发明并不限制与以上描述的具体实施方式。对于本领域的技术人员而言，任何对该发明进行的同等修改或替代也都在本发明的范畴之中，因此，在不脱离本发明的精神和原则范围下所作的均等变换和修改、改进等，都应涵盖在本发明的范围内。

Claims (5)

1.一种利用动模型实验间接测量气动阻力系数的方法，其特征在于，包括：
在动模型上安装加速度测量仪后，确定动模型的总质量；
进行多次动模型实验，获取所述动模型在每次实验中的加速度数据；
对所述加速度数据进行积分得到速度随时间的演化曲线；
基于所述演化曲线计算所述动模型在实验段的平均加速度，以及所述动模型在所述实验段的平均速度；
将每次动模型实验中平均加速度度和平均速度作为实验数据组；
采用Davis方程对多组实验数据组进行拟合得到动模型的气动阻力系数。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述对所述加速度数据进行积分得到速度随时间的演化曲线，包括：
确定采集所述加速度数据的时间间隔；
根据所述时间间隔和所述加速度数据进行积分得到速度随时间的演化曲线。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基于所述演化曲线计算所述动模型在实验段的平均加速度，包括：
在所述演化曲线中，确定所述动模型在实验段的速度随时间的演化部分；
当所述演化部分为直线时，确定所述直线的斜率，并将所述斜率作为所述懂模型在实验段的平均加速度。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述获取所述动模型在所述实验段的平均速度，包括：
获取所述动模型在实验段的速度随时间的演化部分的初始速度，以及终止速度；
根据所述初始速度和所述终止速度得到所述动模型在所述实验段的平均速度。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述Davis方程为：
Figure FDA0002514827120000021
其中，C为气动阻力系数，M为动模型的总质量。
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