CN113375897B - 一种面向暂冲式风洞系统的建模仿真方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种面向暂冲式风洞系统的建模仿真方法，主要用来对暂冲式风洞的基本组件和参数进行仿真分析。该建模仿真方法的主要假设为一维均匀流假设，在该假设下整个风洞系统建模主要分为三部分：1)引射器和喷管的建模；2)其他部件气流建模，以“压力容腔‑阀门‑压力容腔”三元组模式进行分析；3)阀门建模及其控制仿真。该方法的主要假设及三元组分析模式可以用于其他类型的风洞，但不能用于超高声速的燃烧风洞。本发明采用MATLAB/Simulink软件进行仿真，可通过调整模型相关参数实现风洞系统的退化和故障模拟。

Description

一种面向暂冲式风洞系统的建模仿真方法

技术领域：

本发明属于数值仿真领域，涉及一种对暂冲式风洞系统进行建模仿真的方法。

具体来说，是一种基于MATLAB/Simulink的对暂冲式风洞系统进行数值建模仿真的方法，主要用于暂冲式风洞关键部件的健康管理研究。

技术背景：

百余年来，风洞试验一直都是空气动力学的试验支撑。如今国家对航空航天相关领域的大力投入，进一步抬升了风洞等空气动力研究设施的重要地位。大型风洞试验模拟能力日益精细，试验任务逐年增加，风洞长周期满负荷高强度运行成为常态，设备维护专业化程度加深，对设备安全稳定持续运行的要求愈发迫切。传统的定期维修和事后维修的模式，面对日益突出的试修矛盾已明显暴露出维修不足或维修过剩问题，难以满足装备保障的预见性、及时性、有效性。

在健康管理领域，开发基于OSA-CBM的体系结构的自主维护保障系统是解决装备维护问题的先进技术。在我国，针对风洞设备的健康管理平台开发仍处于逐渐应用完善的发展阶段，对风洞的故障与退化数据存在较强的依赖性。但受限于装备条件和实验成本，实际的风洞故障与退化实验都很难进行，风洞故障诊断、寿命预测等技术理论研究与平台开发常受到缺乏数据和模型支撑的掣肘。

因此，通过建立风洞关键参数的数字化仿真模型，将为风洞的故障状态模拟和寿命预测提供必备的模型和数据支撑，有利于实现风洞系统综合维护平台的子模块完善开发，对分析设备状态达成自主式后勤策略有着极大的促进作用。

发明内容：

本发明基于机理模型和数值方法提供了一种暂冲式风洞系统的仿真模型搭建方法，用于通过仿真分析为风洞系统的故障模拟和健康管理研究提供必要支撑。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

由于风洞系统本身体积庞大，配套设施繁杂，本发明提供的建模方法应在对风洞故障历史及主要退化方式的FMECA分析的基础上确定主要仿真参数后进行，其主要步骤示意图如图1所示，具体包括：

(1)采用一维均匀流假设对风洞系统进行简化，主要保留与气流相关的分部件，得到简化后的风洞系统组成如图2所示。其主要假设在于风洞系统内的气体流动是一维的，将风洞内大部分容腔管道考虑为常温气体管道，气流在风洞内大多数分部件内的流动参数(包括密度、速度、压强、温度等)仅沿轴向变化，且与设备壁面之间的传热为准稳态方式。

(2)根据可压缩气体流量公式，对风洞系统气流相关组件进行梳理分析建模。将整个风洞系统涉及气体流动的部件主要分为压力容腔和阀门两类，以“压力容腔-阀门-压力容腔”三元组模式进行分析，并以可压缩气体流量公式进行机理建模。

(3)对阀门及风洞控制系统进行建模，并根据需求对其他组件如加热器、冷却器等进行相应程度的建模分析。

(4)应用MATLAB/Simulink图形化仿真工具对系统进行仿真，“模块-子部件-系统”多层结构的模块化建模方式，逐级测试组合，实现整个风洞系统仿真模型搭建。

(5)调节控制参数使暂冲式风洞仿真模型能够实现正常运行，并通过模型参数调整实现多状态仿真。

基于本发明建立的仿真模型，可结合非线性参数退化过程与故障作用机理以故障注入的方式生成模拟退化数据。本发明提供的实施案例为暂冲式风洞，但其模型简化方法也可用于连续式风洞部分组件的研究，另本发明不适用于超高声速的燃烧风洞。

附图说明：

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。

图1本发明提供建模仿真方法主要步骤示意图。

图2典型暂冲式超声速风洞系统简化组成结构示意图

图3压力容腔、阀门、压力容腔三元组示意图

图4典型调压阀流量与相对行程的特性曲线

图5典型蝶阀流量与相对行程的特性曲线

图6PID控制下风洞稳定段总压变化曲线

图7“模块-子部件-系统”多层结构示例

具体实施方式：

下面结合附图对本发明作进一步说明。

(1)风洞系统简化分析

本发明所涉及的针对风洞系统建立的仿真模型，其简化和模型构建过程主要分为气动模型和附加装置两部分进行。

气动模型部分简化主要沿着气体流动的路径，将气体经过的大部分子部件包括高压气源、主阀门、调压阀、沉降室、稳定段、喷管、引射器、扩散段、真空罐和相应管道等，按照一维均匀流假设，分为阀门类部件和压力容腔类部件。并假定所有管道为常温气体管道，管道内气体仅存在一维流动，气体参数仅沿着轴向变化，但喷管和引射器需考虑其各自的独立气动特性，其中引射器还需单独分析其结构和气流走向。

附加装置包括风洞系统中气流不经过的部分，如控制器、阀门的液压装置、加热器的加热装置等均需独立建模。

本发明中可运用一维均匀流假设简化的部分主要为气动部分。

(2)基于可压缩气体流量公式的气动部件建模

1)采用可压缩气体流量公式，按照风洞主气流的流动顺序，对风洞基本组件逐步进行流量分析。其流量计算方式如下：

A.对于基本的压力容腔、阀门、压力容腔三元组合，如图3，按照可压缩气体非阻塞流流量公式进行计算，在考虑阀门开度的情况下，容腔1到容腔2的气体，其质量流量计算公式为：

其中，

f_m——气体质量流量；

m——阀门开度；

C_v——阀门系数；

N——工程单位常数；

F_p——管道几何常数；

P₁——容腔1内的气体压强；

P₂——容腔2内的气体压强；

M——空气相对分子质量；

z——空气压缩系数；

γ——空气的比热比系数；

X——两压力容腔压差比；

Y——膨胀系数；

X_t——临界压降比值。

B.喷管这一特殊部件，其前后压差较大流速变化剧烈，按照可压缩气体阻塞流流量公式进行计算，其质量流量计算公式为：

其中，K_n——喷管常数；

P_n——喷管前稳定段气体压力；

T_n——喷管前稳定段气体温度。

C.引射器这一部件，气体在从高压气源引出到引射器的过程中管件较长，同样设有(引射器)主阀和(引射器)调压阀，其阀门流量与风洞主系统计算近似。同样按照一维理论对其进行仿真分析，对其另有五点假设：

a.主引射气流和被引射气流在混合式入口满足静压匹配关系，流场只有沿流向的速度分量，两股气流均为比热恒定、比热比恒定的理想气体。

b.不考虑混合室内的具体掺混过程，气体在掺混过程中不发生化学反应，且认为混合室出口已完成掺混，混合气流也为理想气体。

c.忽略混合室的壁面摩擦损失。

d.扩压器出口气流为亚音速气流。

e.气流为绝热等熵流。

此时，按照多喷嘴等面积引射器正常工作时引射气流的流量公式计算：

其中，f_m——引射系数喷管常数；

C——气体特性常数；

P_p——引射器高压容腔气体压力；

T_p——引射器高压容腔气体总温；

λ_p——高压气体速度系数；

A_p——高压气体流通面积；

C——气体特性常数；

q(λ_p，γ)——描述质量流量的气动函数；

π(λ_p，γ)——气体特性常数；

2)对各容腔分析完成后，根据压力容器的连续方程，自高压气源起至真空罐止，构成完整的气体流动关系。

其通用连续方程为：

其中，F_in——流入气体流量；

F_out——流出气体流量；

P_i——容器i内部气体压强；

t——时间t；

C_i——常数

T_i——容器i内部气体温度；

R_g——气体常数(空气)；

对于高压气源，F_in为0，相应的真空系统(真空罐)F_out为0。

(3)其他部分建模

阀门控制特别是调压阀的控制对风洞气流稳定至关重要，相应的主阀门的开关动作较为简单。后者可以是闸板阀、蝶阀，前者一般选为调节性能好、控制精度高的环状缝隙调压阀。由于暂冲式风洞的阀门，载荷较大且调节行程大，要求调节系统出力大，动态响应快，因此一般选择液压驱动或电液混合驱动装置。

1)阀门建模。

阀门模型应当分为两部分：

A.根据风洞选取的环状缝隙调压阀、蝶阀的特性以及相应的液压驱动装置进行数学建模，分别得到输出为阀门相对行程

的传递函数。其中，

调压阀阀门相对行程

蝶阀阀门相对行程

B.根据调压阀的型面特性和蝶阀的流量特性，确定流量与相对行程的特性曲线。

一般环状缝隙调压阀的型面曲线为指数特性，阀后压力相对变化量基本上线性比例于阀门调节行程的相对位移量，即流量正比于开度，开度与相对行程通过型面曲线关联。而蝶阀的开度正比于其相对行程，即流量与开度通过流量特性曲线关联，开度与相对行程成正比。

综合其特性，分别确定调压阀与蝶阀的流量与相对行程的特性曲线并建立相应的特性函数，典型调压阀与蝶阀的特性曲线见附图4与附图5。

C.最后串联传递函数与特性函数完成阀门建模。

2)控制方式

风洞的控制采用PID方法的双闭环控制，即两层PID控制器分别接受阀门的位置反馈和稳定段总压。通过调整总压调节器可以采用模拟PID，也可以采用数字PID，或者使用应对滞后控制问题的Smith控制器、智能控制等其他控制策略。验证控制方法也是仿真模型的重要功能。采用模拟PID控制，调整参数，可达成较好的控制效果。模型运行中稳定段气压曲线如图6，可以满足风洞平稳运行1min左右的要求。

(4)Simulink图形化仿真

采用MATLAB/Simulink软件进行仿真，在Simulink界面下创建各函数模块，根据风洞机理模型各公式编写相应的计算函数，并按照风洞各部件进行合理布局，最终图形化的仿真模型。“模块-子部件-系统”多层结构示例如图7。根据风洞的故障模式或退化机理，可通过仿真分析风洞设备的退化参数变化对风洞运行的影响。

Claims (3)

1.一种对暂冲式风洞系统进行建模仿真的方法，其特征在于：所述建模仿真的方法建立的模型为暂冲式风洞运行机理模型，采用可压缩气体流量公式对风洞气流所流经的部分进行建模，并可通过调整模型的相关参数完成暂冲式风洞的多状态运行仿真；

将整个风洞系统的涉及气流流动的部件分为压力容腔、阀门、特殊部件三类，前两类部件的气流分析以“压力容腔-阀门-压力容腔”三元组模式进行，并用可压缩气体流量公式进行机理建模；

特殊部件包括引射器、喷管，也包括根据实际需求决定是否仿真的风洞气流未流经的控制器、液压装置、冷却器；

对于“压力容腔-阀门-压力容腔”三元组，按照可压缩气体非阻塞流流量公式进行计算，在考虑阀门开度的情况下，容腔1到容腔2的气体，其质量流量计算公式为：

其中，

fm——气体质量流量；m——阀门开度；C_v——阀门系数；N——工程单位常数；F_p——管道几何常数；P₁——容腔1内的气体压强；P₂——容腔2内的气体压强；M——空气相对分子质量；Z——空气压缩系数；γ——空气的比热比系数；X——两压力容腔压差比；Y——膨胀系数；X_t——临界压降比值；

喷管这一特殊部件，其前后压差较大流速变化剧烈，按照可压缩气体阻塞流流量公式进行计算，其质量流量计算公式为：

其中，K_n——喷管常数；P_n——喷管前稳定段气体压力；T_n——喷管前稳定段气体温度；

引射器设有主阀和调压阀，按照一维理论对其进行仿真分析，对其另有五点假设：

a.主引射气流和被引射气流在混合式入口满足静压匹配关系，流场只有沿流向的速度分量，两股气流均为比热恒定、比热比恒定的理想气体；

b.不考虑混合室内的具体掺混过程，气体在掺混过程中不发生化学反应，且认为混合室出口已完成掺混，混合气流也为理想气体；

c.忽略混合室的壁面摩擦损失；

d.扩压器出口气流为亚音速气流；

e.气流为绝热等熵流；

按照多喷嘴等面积引射器正常工作时引射气流的流量公式计算：

其中，f_m——引射系数喷管常数；

C——气体特性常数；P_p——引射器高压容腔气体压力；T_p——引射器高压容腔气体总温；λ_p——高压气体速度系数；A_p——高压气体流通面积；

q(λ_p，γ)——描述质量流量的气动函数；

π(λ_p，γ)——气体特性常数；

2.根据权利要求1所述的一种对暂冲式风洞系统进行建模仿真的方法，其特征在于：采用一维均匀流假设对风洞系统进行简化，保留与气流相关的分部件，其假设在于风洞系统内的气体流动是一维的，将风洞内大部分容腔管道考虑为常温气体管道，气流在风洞内大多数分部件内的流动参数仅沿轴向变化，且与设备壁面之间的传热为准稳态方式。

3.根据权利要求1所述的一种对暂冲式风洞系统进行建模仿真的方法，其特征在于：除流量计算外，阀门的内部结构及驱动装置可以采用机理建模也可以采用数值模拟。

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