CN112069463B

CN112069463B - 一种风洞群高压空气资源消耗的计算方法

Info

Publication number: CN112069463B
Application number: CN202010892285.XA
Authority: CN
Inventors: 罗昌俊; 司洞洞; 王小飞; 马永一; 郑娟; 袁宗泽; 明丽洪
Original assignee: Computational Aerodynamics Institute of China Aerodynamics Research and Development Center
Current assignee: Computational Aerodynamics Institute of China Aerodynamics Research and Development Center
Priority date: 2020-08-28
Filing date: 2020-08-28
Publication date: 2022-06-03
Anticipated expiration: 2040-08-28
Also published as: CN112069463A

Abstract

本发明适用于风洞试验技术领域，提供了一种风洞群高压空气资源消耗的计算方法，其包括以下步骤，构造拓扑结构模型；建立监测系统；采集风洞群中正在试验风洞的状态，采集高压空气系统的状态；获得正在试验风洞消耗的罐群压力差；更新拓扑结构模型；遍历更新后的拓扑结构模型，获得正在试验风洞的保障容积；通过压差法计算正在试验风洞的高压空气资源消耗；所述高压空气系统包括高压机组、高压罐群、输气总管、输气支管、阀门。本发明通过构建模型的方式，将高压空气系统、风洞之间的实际的物理拓扑结构关系进行了表达，因此，本发明实施例中的风洞群高压空气资源消耗的计算方法，能够自动识别风洞正在使用的高压罐群、输气总管、输气支管。

Description

一种风洞群高压空气资源消耗的计算方法

技术领域

本发明属于风洞试验技术领域，尤其涉及一种风洞群高压空气资源消耗的计算方法。

背景技术

大型风洞设备设施是国家重要战略资源，航空航天、地面交通运输、建筑桥梁、可再生能源、环境保护等多个领域都需要开展风洞试验。根据洞体中气体流速，风洞一般分为低速、高速、超高速等多种类型，每种类型的风洞，按试验段口径、试验类型、试验时间等划分又分为大/小、常规/特种(比如结冰、声学、低温等)、暂冲/连续等不同风洞。

风洞试验的开展，需要水、电、压缩空气、真空以及特种气源等动力资源的有力保障，动力资源消耗成本约占风洞试验总成本的50％，预计未来的动力消耗成本将在试验运行成本中占据更大的比例。因此，实现对风洞试验动力资源消耗的准确计量，作为风洞试验运行管理、设备维修维护以及试验成本核算的基础，具有重要的现实意义。

现有技术中通常采用以下三种方式来计算高压空气资源消耗：通过高压机组总产气量计算、在输气支管上加装流量计、在风洞加装流量计，具体地：

通过高压机组总产气量计算，通常直接将机组的单位时间生产能力和总的生产时间这两个参数相乘，便得到高压机组总产气量，该方法简单，但是无法区分风洞用户和罐群，只能统计到某一个用户群的消耗总量，不能具体到每个风洞每车次的消耗；

在每条输气支管加装流量计的方式，一方面成本太高，另一方面无法区分共用同一输气支管的不同风洞的消耗；

在每座风洞加装流量计的方式，除了代价更高以外，部分风洞由于结构、风洞流场的限制，不能安装流量计，并且也无法精确到每一次试验的消耗。

总之，现有技术中的针对风洞高压空气动力资源消耗量的计算方法中，都存在一些明显的局限，不适合风洞群消耗计量应用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种风洞群高压空气资源消耗的计算方法，旨在解决现有技术中的计算方法不适合风洞群消耗计量的技术问题。

本发明提供了一种风洞群高压空气资源消耗的计算方法，其包括如下步骤：

步骤S1：利用高压空气系统、风洞之间的拓扑结构关系，构造拓扑结构模型；

步骤S2：建立监测系统，用以监控风洞群中正在试验风洞的状态，以及高压空气系统的状态；

步骤S3：采集风洞群中正在试验风洞的状态，采集高压空气系统的状态；

步骤S4：适配风洞群中正在试验风洞的状态与高压空气系统的状态，获得正在试验风洞消耗的罐群压力差Δp；

步骤S5：更新拓扑结构模型；

步骤S6：遍历更新后的拓扑结构模型，获得正在试验风洞的保障容积V；

步骤S7：通过压差法计算正在试验风洞的高压空气资源消耗V_N；

其中，所述高压空气系统包括高压机组、高压罐群、输气总管、输气支管、阀门。

进一步地，所述步骤S1中：

将高压空气系统、风洞以知识的形式进行抽取，形成结构化数据，利用实体、关系、属性进行表示和管理，并借此构建图形数据库模型；通过图形数据库模型构造拓扑结构模型。

进一步地，所述步骤S2和步骤S3中，所述风洞群中正在试验风洞的状态包括风洞群中正在试验风洞的压力、风洞群中正在试验风洞的资源使用状态，其中，所述资源使用状态包括资源使用请求、资源使用开始、资源使用结束的状态；所述高压空气系统的状态包括高压机组、高压罐群、输气总管、输气支管的压力、阀门状态。

进一步地，所述步骤S4中，通过确定正在试验风洞在资源使用开始时的罐群压力、正在试验风洞在资源使用结束时的罐群压力，从而获得正在试验风洞的罐群压力差△p。

进一步地，所述步骤S5中，更新拓扑结构模型包括模式层更新和数据层更新，其中，模式层更新中，针对拓扑结构模型中发生变化的部分，重新以知识的形式进行抽取，更新拓扑结构模型的模式层；数据层更新中，通过监测系统，获取正在试验风洞在资源使用开始时和资源使用结束时的高压空气系统的状态，以此使维持拓扑结构模型与高压空气系统、风洞的一致性及动态变化的时效性。

进一步地，所述步骤S6中，结合广度优化及深度优化遍历算法，遍历更新后的拓扑结构模型。

进一步地，所述步骤S7中，通过以下公式计算高压空气资源消耗V_N：

其中，p_N为标况下的气体压力。

进一步地，还包括步骤S8，用以计算气体质量损耗Δm:

其中，R为气体常数，T为气体温度。

本发明相对于现有技术的技术效果是：

1.本发明通过构建模型的方式，将高压空气系统、风洞之间的实际的物理拓扑结构关系进行了表达，因此，本发明实施例中的风洞群高压空气资源消耗的计算方法，能够自动识别风洞正在使用的高压罐群、输气总管、输气支管。

2.本发明通过获取正在试验风洞在资源使用开始时和资源使用结束时的高压空气系统的状态，以此使维持拓扑结构模型与高压空气系统、风洞的一致性及动态变化的时效性。

3.本发明通过建立高压空气系统与风洞之间的动态逻辑关联，获得正在试验风洞消耗的罐群压力差、正在试验风洞的保障容积，从而实现了高压空气资源消耗、气体质量损耗，满足了风洞试验运行管理、动力设备维修维护以及试验成本核算对动力资源消耗准确、及时计量的需求。

4.本发明相对于现有技术中的“通过高压机组总产气量计算”(即背景技术中的第一种方式)而言，本发明中的计算方法可以区分风洞用户和罐群，可以具体到每个风洞每车次的消耗；相对于现有技术中的“在输气支管上加装流量计”(即背景技术中的第二种方式)、“在风洞加装流量计”(即背景技术中的第三种方式)而言，本发明中的计算方法可以不用流量计，节省了成本，而且能够区分共用同一输气支管的不同风洞的消耗、也能精确到每一次试验的消耗。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明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，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的高压空气系统与风洞之间的物理拓扑结构示意图；

图2是本发明实施例提供的一种风洞群高压空气资源消耗的计算方法示意图；

图3是本发明实施例提供的一种风洞群高压空气资源消耗的计算系统的结构图。

具体实施方式

在下文中将参考附图对本发明的各方面进行更充分的描述。然而，本发明可以具体化成许多不同形式且不应解释为局限于贯穿本发明所呈现的任何特定结构或功能。相反地，提供这些方面将使得本发明周全且完整，并且本发明将给本领域技术人员充分地传达本发明的范围。基于本文所教导的内容，本领域的技术人员应意识到，无论是单独还是结合本发明的任何其它方面实现本文所公开的任何方面，本发明的范围旨在涵盖本文中所公开的任何方面。例如，可以使用本文所提出任意数量的装置或者执行方法来实现。另外，除了本文所提出本发明的多个方面之外，本发明的范围更旨在涵盖使用其它结构、功能或结构和功能来实现的装置或方法。应可理解，其可通过权利要求的一或多个元件具体化本文所公开的任何方面。

在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本公开。在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了所述特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。

在此使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有本领域技术人员通常所理解的含义，除非另外定义。应注意，这里使用的术语应解释为具有与本说明书的上下文相一致的含义，而不应以理想化或过于刻板的方式来解释。

对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。

如图1所示为高压空气系统与风洞之间的物理拓扑结构示意图。

通常而言，风洞试验的压缩空气通过高压空气系统得以保障，高压空气系统主要分为32MPa高压空气系统和22MPa高压空气系统，高压空气系统的主体设备包括高压机组1～n₁、高压储罐1～n₂、配气系统，其中，高压机组由压缩机组成；高压储罐通常有32MPa高压储罐、22MPa高压储罐两种类型，32MPa高压储罐、22MPa高压储罐的数量通常为多个，多个32MPa高压储罐、22MPa高压储罐组成了罐群；配气系统包括高压空气从高压机组生产、高压罐群存储、再输送到风洞所需的阀门、管线及附属设备。由于建设成本的考虑，风洞群的配气系统中的管线通常包括输气总管1～n₃，每条输气总管分为输气支管1～n₄，每条输气支管通常又连接风洞1～n₅，以保障多座风洞；而输气总管之间一般还设置有联通阀。其中，n₁、n₂、n₃、n₄、n₅分别表示高压机组、高压罐群、输气总管、输气支管、风洞的数量。

因此，高压机组、高压罐群、输气总管、输气支管、阀门、风洞之间构成了一组拓扑结构关系，而由于风洞试验的需求是不同的，因此，这种拓扑结构关系是非常复杂、动态变化的，具体地，可能每次风洞试验所对应的高压机组、高压罐群、输气总管、输气支管、阀门可能都不一样，要实时掌握与风洞关联的高压机组、高压罐群、输气总管、输气支管、阀门的动态信息，就比较困难。

如图2所示为本发明实施例提供了一种风洞群高压空气资源消耗的计算方法，如图3所示为本发明实施例中提供的一种风洞群高压空气资源消耗的计算系统的结构图。

本发明实施例提供的一种风洞群高压空气资源消耗的计算方法包括如下步骤：

步骤S4：适配风洞群中正在试验风洞的状态与高压空气系统的状态，获得正在试验风洞消耗的罐群压力差△p；

步骤S5：更新拓扑结构模型；

进一步地，为了形成结构化数据，所述步骤S1中：

具体地，本发明实施例中，可借助Neo4j图形数据库技术，通过节点和边的概念，构建以知识为载体的图形数据库模型，实现物理拓扑结构(即为本发明实施例中的拓扑结构模型)的模型化。这样即实现了终端数据的图形化处理，又可保存数据的自然图形结构。

本发明实施例中，由于将高压空气系统、风洞之间的实际的物理拓扑结构关系，通过构建模型的方式进行了表达，因此，本发明实施例中的风洞群高压空气资源消耗的计算方法，能够自动识别风洞正在使用的高压罐群、输气总管、输气支管。

进一步地，步骤S2中的监测系统包括三个部分：硬件部分、接口部分、软件部分，其中：

(1)硬件部分：采用PLC控制系统，不间断循环扫描风洞试验或高压空气资源生产过程中的压力、阀门状态、资源使用请求等关键性参数和信号，以达到实时检测、感知和管理测点的目的。

(2)接口部分：采用OPCserver服务器，集成多种插件驱动程序，将高压空气系统的信息上传中心服务器，用于信息集中处理和控制。

(3)软件部分：主要进行数据消耗统计、管线拓扑结构可视化等。

在风洞群侧，风洞试验过程中的动态信息以信号的形式上传到调度中心，调度中心负责解析和监控每座风洞的试验运行动态，获得风洞试验高压空气“资源使用请求”、“资源使用开始”、“资源使用结束”等信号。

在高压空气系统侧，采集硬件设备传感器信号数据流，通过绑定的OPC服务，根据OPCserver中建立的地址，完成与调度中心服务器的通信，获得高压机组启停状态、各个罐群压力、各个阀门的开启状态、各个管线占用状态。

值得说明的是，本申请中的管线如没有特指，均包含输气总管、输气支管两部分。

进一步地，在调度中心侧，建立风洞试验运行状态与高压空气系统的状态的对应关系。具体地，所述步骤S4中，通过确定正在试验风洞在资源使用开始时的罐群压力、正在试验风洞在资源使用结束时的罐群压力，从而获得正在试验风洞的罐群压力差△p。

为了保持拓扑结构模型的时效性，在已经建立的动力保障现场的图形数据库模型的基础上，根据风洞试验启停时刻采集的现场实时状态，进行拓扑结构模型的更新。

具体地，所述步骤S5中，更新拓扑结构模型包括模式层更新和数据层更新，其中，模式层更新中，针对拓扑结构模型中发生变化的部分，重新以知识的形式进行抽取，更新拓扑结构模型的模式层；数据层更新中，通过监测系统，获取正在试验风洞在资源使用开始时和资源使用结束时的高压空气系统的状态，以此使维持拓扑结构模型与高压空气系统、风洞的一致性及动态变化的时效性。

为了获得正在试验风洞的保障容积V，所述步骤S6中，结合广度优化及深度优化遍历算法，遍历更新后的拓扑结构模型。

具体地，在与风洞试验时高压空气系统保障现场保持一致的动态图形数据库模型基础上，结合广度优化及深度优化遍历算法，实现拓扑结构遍历，解决保障路径查询问题，构建从高压机组、到阀门、高压罐群、输气总管、输气支管，再到具体保障风洞的动态拓扑结构模型，获得正在保障风洞试验的罐群、输气总管、输气支管的集合，从而可以得到正在试验风洞的保障容积V。

最后，在所述步骤S7中，通过以下公式计算高压空气资源消耗V_N：

其中，p_N为标况下的气体压力。

进一步地，还包括步骤S8，用以计算气体质量损耗Δm:

其中，R为气体常数，T为气体温度。

因此，本发明实施例中，通过建立高压空气系统与风洞之间的动态逻辑关联，获得正在试验风洞消耗的罐群压力差、正在试验风洞的保障容积，从而实现了高压空气资源消耗、气体质量损耗，满足了风洞试验运行管理、动力设备维修维护以及试验成本核算对动力资源消耗准确、及时计量的需求，相对于现有技术中的“通过高压机组总产气量计算”(即背景技术中的第一种方式)而言，本发明中的计算方法可以区分风洞用户和罐群，可以具体到每个风洞每车次的消耗；相对于现有技术中的“在输气支管上加装流量计”(即背景技术中的第二种方式)、“在风洞加装流量计”(即背景技术中的第三种方式)而言，本发明中的计算方法可以不用流量计，节省了成本，而且能够区分共用同一输气支管的不同风洞的消耗、也能精确到每一次试验的消耗。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种风洞群高压空气资源消耗的计算方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤S4：适配风洞群中正在试验风洞的状态与高压空气系统的状态，获得正在试验风洞消耗的罐群压力差∆p；

步骤S5：更新拓扑结构模型；

步骤S7：通过压差法计算正在试验风洞的高压空气资源消耗V _N；

其中，所述高压空气系统包括高压机组、高压罐群、输气总管、输气支管、阀门；

所述步骤S1中：

将高压空气系统、风洞以知识的形式进行抽取，形成结构化数据，利用实体、关系、属性进行表示和管理，并借此构建图形数据库模型；通过图形数据库模型构造拓扑结构模型；

所述步骤S2和步骤S3中，所述风洞群中正在试验风洞的状态包括风洞群中正在试验风洞的压力、风洞群中正在试验风洞的资源使用状态，其中，所述资源使用状态包括资源使用请求、资源使用开始、资源使用结束的状态；所述高压空气系统的状态包括高压机组、高压罐群、输气总管、输气支管的压力、阀门状态；

所述步骤S4中，通过确定正在试验风洞在资源使用开始时的罐群压力、正在试验风洞在资源使用结束时的罐群压力，从而获得正在试验风洞的罐群压力差∆p；

所述步骤S5中，更新拓扑结构模型包括模式层更新和数据层更新，其中，模式层更新中，针对拓扑结构模型中发生变化的部分，重新以知识的形式进行抽取，更新拓扑结构模型的模式层；数据层更新中，通过监测系统，获取正在试验风洞在资源使用开始时和资源使用结束时的高压空气系统的状态，以此使维持拓扑结构模型与高压空气系统、风洞的一致性及动态变化的时效性。

2.如权利要求1所述的一种风洞群高压空气资源消耗的计算方法，其特征在于，所述步骤S6中，结合广度优化及深度优化遍历算法，遍历更新后的拓扑结构模型。

3.如权利要求1所述的一种风洞群高压空气资源消耗的计算方法，其特征在于，所述步骤S7中，通过以下公式计算高压空气资源消耗V _N：

，

其中，

为标况下的气体压力。

4.如权利要求1所述的一种风洞群高压空气资源消耗的计算方法，其特征在于，还包括步骤S8，用以计算气体质量损耗∆m:

,

其中，R为气体常数，T为气体温度。