CN112880966B - 一种基于cfd数值仿真计算的荧光油膜厚度获取方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于CFD数值仿真计算的荧光油膜厚度控制方法，所述方法包括：基于CFD数值仿真计算，根据试验条件相关参数得到待测试飞行器模型表面的摩阻分布；将待测试飞行器模型表面的摩阻分布输入预先建立的油膜厚度与表面摩阻值的关系函数，得到此次试验条件待测试飞行器模型的油膜厚度分布，所述油膜厚度分布为待测试飞行器模型不同位置的油膜厚度的集合。本发明通过标定建立油膜厚度与表面摩阻值的关系函数，能够在风洞试验前测算出最佳的油膜厚度，避免依靠经验设置；极大的降低了试验的经济成本和时间成本，具有很好的推广价值。
Description
技术领域
本发明涉及航空航天工业空气动力学技术领域，尤其涉及一种基于CFD数值仿真计算的荧光油膜厚度获取方法。
背景技术
表面流动显示是空气动力学领域研究复杂流动，揭示边界层分离及其漩涡结构的重要测试技术。荧光油流试验技术作为早期发展的风洞试验流动显示技术之一，其原理主要是通过将一定黏度的特定油剂与荧光示踪粒子粉末均匀混合后喷涂在模型表面，在绕模型气流的摩擦应力作用下，油剂挟带着示踪粒子粉末随气流运动，在模型表面形成油流图谱。通过对油流方向、油膜厚薄变化及图谱分析，可以了解物面流场中奇点的分布规律，判读绕流流经物面形成的附流、气泡、漩涡、激波及分离等气动特征，在湍流、分离流、旋涡运动、非定常流动、激波边界层干扰等课题领域内开展着广泛、深入的基本理论和机理研究工作，以进一步揭示不同外形试验模型的表面流动规律，并为合理解释试验数据或了解某些流动现象产生的机理提供依据。该技术作为表面流动显示最为经济、方便和直观的试验手段，因其简单实用，易于观察，仍为国内外表面流动显示风洞试验所普遍采用。
荧光油流试验时，如果不能很好的控制初始油膜厚度分布，最终的油流试验结果往往会出现油膜过分堆积或者油膜过少，无法形成清晰的油流图谱。由于不知道较为精确的表面摩阻分布，油流试验中往往根据来流速度、飞行器构型等因素，并综合工程经验来确定油膜的厚度。这种经验方法常常会造成模型表面部分区域荧光油流图谱结果无法使用，甚至需要重新进行试验，带来较为昂贵的经济成本与时间成本。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术缺陷，提出了一种基于CFD数值仿真计算的荧光油膜厚度获取方法。
为了实现上述目的，本发明提出了一种基于CFD数值仿真计算的荧光油膜厚度获取方法，所述方法包括：
基于CFD数值仿真计算，根据试验条件相关参数得到待测试飞行器模型表面的摩阻分布；
将待测试飞行器模型表面的摩阻分布输入预先建立的油膜厚度与表面摩阻值的关系函数，得到此次试验条件待测试飞行器模型的油膜厚度分布，所述油膜厚度分布为待测试飞行器模型不同位置的油膜厚度的集合。
作为上述方法的一种改进，所述试验条件相关参数包括来流速度以及风洞的攻角和侧滑角，所述风洞的攻角和侧滑角分别与建立关系函数的攻角和侧滑角相等。
作为上述方法的一种改进，所述方法还包括：建立油膜厚度与表面摩阻值的关系函数的步骤，具体包括：
在风洞中安装实验模型，所述实验模型为表面喷涂特定粘度的工程成熟油流的平板，在平板表面安装至少一个摩阻传感器；
设置风洞试验状态参数，所述风洞试验状态参数包括来流速度以及风洞的攻角和侧滑角；其中，风洞的攻角和侧滑角是固定的，来流速度是变化的；
对实验模型进行荧光油流风洞试验，分别测量实验模型在不同来流速度下的表面摩阻值，并获得对应的清晰油流图谱的油膜厚度值；
将不同来流速度下的表面摩阻值及其对应的油膜厚度值进行拟合，建立油膜厚度与表面摩阻值的关系函数。
作为上述方法的一种改进，所述油膜厚度与表面摩阻值的关系函数为N阶多项式：
其中，h为油膜厚度，τ为摩阻值，Ki为多项式第i项的系数，N为多项式的最高阶数。
作为上述方法的一种改进，所述油膜厚度值由油膜厚度测量仪检测得到。
作为上述方法的一种改进，所述方法还包括：
根据获取的试验条件的油膜厚度分布，将特定粘度的工程成熟油流配方喷涂在待测试飞行器模型表面；
利用油膜厚度测量仪检测调整油膜厚度分布，重点控制模型表面摩阻梯度大的区域；
进行油流试验，获得油流图谱。
与现有技术相比，本发明的优势在于：
1、本发明的方法通过标定建立油膜厚度与表面摩阻值的关系函数，能够在风洞试验前测算出最佳的油膜厚度，避免依靠经验设置；
2、本发明的方法极大的降低了试验的经济成本和时间成本，具有很好的推广价值。
附图说明
图1是本发明的基于CFD数值仿真计算的荧光油膜厚度控制获取流程图；
图2是本发明建立油膜厚度与表面摩阻值的关系函数流程图。
具体实施方式
本发明提供一种基于CFD数值仿真计算的荧光油膜厚度控制方法，包括以下步骤：
在试验成本较低的小尺寸风洞中，加工一个布有摩阻传感器或者已知摩阻分布结果的标准模型；
采用特定粘度的工程成熟油流配方，不同来流速度下进行摩阻标模的荧光油流风洞试验。不同来流速度下，固定区域摩阻值不同，从而标定出可以获得清晰油流图谱结果的油膜厚度与表面摩阻值之间的函数关系为N阶多项式；具体为：
其中h为油膜厚度，τ为摩阻值，Ki为多项式第i项的待标定系数，N为多项式的最高阶数。
根据飞行器风洞试验模型数模以及来流速度、攻角、侧滑角等风洞试验状态参数，利用快速工程估算算法等现代CFD数值计算工具，计算出模型表面摩阻分布；
根据标定得到的油膜厚度与表面摩阻值之间的函数关系以及CFD计算出的模型表面摩阻分布，获得最优的油膜厚度；
将特定粘度的工程成熟油流配方喷涂在模型表面，通过专业油膜厚度测量仪检测调整厚度分布，重点控制模型表面摩阻梯度大的区域；
进行油流试验，获得油流图谱。
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案进行详细的说明。
实施例1
本发明的实施例1提出了一种基于CFD数值仿真计算的荧光油膜厚度获取方法，图1为建立油膜厚度与表面摩阻值之间的函数关系的流程图。具体包括：
S101：在试验成本较低的小尺寸风洞中，加工一个布有摩阻传感器或者已知摩阻分布结果的标准模型。
模型可以是具有较多试验结果和数值计算结果的平板模型，上面可以安装1-2个MEMS摩阻传感器。
S102：采用特定粘度的工程成熟油流配方，不同来流速度下进行摩阻标模的荧光油流风洞试验。不同来流速度下，固定区域摩阻值不同，从而标定出可以获得清晰油流图谱结果的油膜厚度与表面摩阻值之间的函数关系。
采用一定黏度的特定油剂与荧光示踪粒子的工程成熟油流配方，不同来流速度下进行摩阻标模的荧光油流风洞试验。一般来讲，来流速度越高，表面摩阻值越大。记录每一个来流速度下，摩阻传感器测量出的摩阻值以及可以获得清晰油流图谱的油膜厚度值，利用常用的多项式函数标定出特定粘度油流配方下油膜厚度h与表面摩阻值τ之间的函数关系：
其中h为油膜厚度，τ为摩阻值，Ki为多项式第i项的待标定系数，N为多项式的最高阶数。
在获得函数关系后，对于待测试飞行器模型的油膜厚度的获取采用如下步骤，如图2所示。
S103：根据飞行器风洞试验模型数模以及来流速度、攻角、侧滑角等风洞试验状态参数，利用快速工程估算算法等现代CFD数值计算工具，计算出模型表面摩阻分布。
利用快速工程计算程序，计算出特定试验条件下模型表面的摩阻分布。工程经验表明，一定油膜厚度内，都可以获得较为清晰的油膜图谱。所以，油膜厚度控制误差冗余度较大，对CFD计算结果的准确性要求不是很高，只需要计算出较为准确的表面摩阻梯度及整体分布规律。
S104：根据标定得到的油膜厚度与表面摩阻值之间的函数关系以及CFD计算出的模型表面摩阻分布，获得最优的油膜厚度。
根据S102中标定出的油膜厚度与表面摩阻值之间的函数关系以及S103中获得的模型表面摩阻分布，获得最优的油膜厚度分布。
S105：将特定粘度的工程成熟油流配方喷涂在模型表面，通过专业油膜厚度测量仪检测调整厚度分布，重点控制模型表面摩阻梯度大的区域。
将油流喷涂在模型表面，通过专业油膜厚度测量仪检测调整油膜厚度分布。工程经验表明，一定油膜厚度内，都可以获得较为清晰的油膜图谱。油膜厚度控制误差冗余度交大，重点控制模型表面摩阻梯度较大的区域。
S106：进行油流试验，获得油流图谱。
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (4)
1.一种基于CFD数值仿真计算的荧光油膜厚度获取方法，所述方法包括：
基于CFD数值仿真计算，根据试验条件相关参数得到待测试飞行器模型表面的摩阻分布；
将待测试飞行器模型表面的摩阻分布输入预先建立的油膜厚度与表面摩阻值的关系函数，得到此次试验条件待测试飞行器模型的油膜厚度分布，所述油膜厚度分布为待测试飞行器模型不同位置的油膜厚度的集合；
所述方法还包括：建立油膜厚度与表面摩阻值的关系函数的步骤，具体包括：
在风洞中安装实验模型，所述实验模型为表面喷涂特定粘度的工程成熟油流的平板，在平板表面安装至少一个摩阻传感器；
设置风洞试验状态参数，所述风洞试验状态参数包括来流速度以及风洞的攻角和侧滑角；其中，风洞的攻角和侧滑角是固定的，来流速度是变化的；
对实验模型进行荧光油流风洞试验，分别测量实验模型在不同来流速度下的表面摩阻值，并获得对应的清晰油流图谱的油膜厚度值；
将不同来流速度下的表面摩阻值及其对应的油膜厚度值进行拟合，建立油膜厚度与表面摩阻值的关系函数；
所述油膜厚度与表面摩阻值的关系函数为N阶多项式：
其中，h为油膜厚度，τ为摩阻值，Ki为多项式第i项的系数，N为多项式的最高阶数。
2.根据权利要求1所述的基于CFD数值仿真计算的荧光油膜厚度获取方法，其特征在于，所述试验条件相关参数包括来流速度以及风洞的攻角和侧滑角，所述风洞的攻角和侧滑角分别与建立关系函数的攻角和侧滑角相等。
3.根据权利要求1所述的基于CFD数值仿真计算的荧光油膜厚度获取方法，其特征在于，所述油膜厚度值由油膜厚度测量仪检测得到。
4.根据权利要求1所述的基于CFD数值仿真计算的荧光油膜厚度获取方法，其特征在于，所述方法还包括：
根据获取的试验条件的油膜厚度分布，将特定粘度的工程成熟油流配方喷涂在待测试飞行器模型表面；
利用油膜厚度测量仪检测调整油膜厚度分布，重点控制模型表面摩阻梯度大的区域；
进行油流试验，获得油流图谱。
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