CN113390601A - 一种动态流场测量方法、系统及设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种动态流场测量方法、系统及设备，动态流场测量设备包括测压主体，所述测压主体的头部装设有探针头且尾部装设有插座，所述测压主体中设有分别与所述探针头和所述插座连接的压力传感器。上述动态流场测量设备，能够实现对风洞阵风试验方向场进行准确实时的测量，接口规范，即插即用。

Description

一种动态流场测量方法、系统及设备

技术领域

本发明涉及流场测量技术领域，特别涉及一种动态流场测量系统。还涉及一种动态流场测量方法。还涉及一种动态流场测量设备。

背景技术

飞机在大气中飞行，经常会受到阵风（或称突风）和大气紊流的干扰，形成附加的气动载荷和机翼弹性模态振动，引起飞机颠簸，最终造成疲劳损伤甚至损坏。

国际通用的民用飞机适航条例明确规定新型民用客机必须通过阵风响应检验才能交付使用，合理确定阵风载荷并减缓阵风影响对于确保飞机飞行安全具有重大意义。为减小阵风影响，通常采用主动控制技术控制操纵面偏转来实现阵风减缓。为了验证主动控制技术方案效果，最经济和安全的方法是在风洞中进行阵风响应及抑制验证实验，这就要求飞行器的操控系统必须准确实时获得阵风方向场数据，并以此作为飞行器反馈控制关键参数。

常规实验流场测量时，可采用的设备包括热线、PIV、PDA等，这些设备对使用条件较苛刻，或精度达不到要求，更关键的是无法满足连续不间断向飞行器的操控系统实时输出结果的要求。

因此，如何能够提供一种解决上述技术问题的动态流场测量设备是本领域技术人员亟需解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种动态流场测量设备，能够实现对风洞阵风试验方向场进行准确实时的测量，接口规范，即插即用。本发明的另一目的是提供一种动态流场测量系统。本发明的再一目的是提供一种动态流场测量方法。

为实现上述目的，本发明提供一种动态流场测量设备，包括测压主体，所述测压主体的头部装设有探针头且尾部装设有插座，所述测压主体中设有分别与所述探针头和所述插座连接的压力传感器。

优选地，所述探针头具有七组通道，一组所述通道位于所述探针头的中心，六组所述通道以所述中心为圆心等距均匀分布；所述压力传感器的数量为七个且分别与七组所述通道连接。

优选地，所述通道包括连通的测压通道和连接通道，所述连接通道的内径大于所述测压通道的内径，所述测压通道连通外界，所述连接通道通过引压管连接所述压力传感器。

优选地，所述测压主体中设有压力多通器，所述压力多通器的第一侧用以连接七个所述压力传感器的参考压力支管、第二侧设有与所述第一侧连通且用以与外界连通的参考压力总管。

优选地，所述测压主体包括管壳和装设于所述管壳的头部的接头，所述探针头插入并固定于所述接头。

优选地，所述插座包括装设于所述管壳的尾部的插座固定座和装设于所述插座固定座的插座本体，所述插座固定座具有连接所述参考压力总管的参考压力通道。

优选地，所述插座本体的第一侧具有与所述压力传感器连接的引脚、第二侧具有与所述引脚连接且用以供插头插入。

优选地，所述测压主体中设有与所述压力传感器和所述插座连接的调理补偿器。

本发明还提供一种动态流场测量系统，包括设置在风洞来流的路径上的阵风发生器、如上述任一项所述的动态流场测量设备和飞行器模型，所述动态流场测量设备与数据采集系统连接，所述数据采集系统与飞行控制器连接，所述飞行控制器与所述飞行器模型连接。

本发明还提供一种动态流场测量方法，应用于如上述所述的动态流场测量系统，包括：

建立稳定风洞风速后模拟不稳定气流；

采集来流阵风参数，实时解算方向场并发布方向场数据；

根据所述方向场数据主动控制减缓阵风影响。

相对于上述背景技术，本发明所提供的动态流场测量设备包括测压主体、探针头、压力传感器和插座，探针头装设于测压主体的头部，插座装设于探针头的尾部，压力传感器设于测压主体中且分别与探针头和插座连接。

在该动态流场测量设备的工作过程中，该动态流场测量设备对前方的不稳定气流进行实时测量；其中，气流通过探针头流入，由压力传感器实现来流阵风参数的实时获取，此时探针头处的气流压力信号会以转换为电压信号的方式输出至插座，再通过插座将信号传输至配合的风洞设备实现后续处理；该动态流场测量设备能够实现对风洞阵风试验方向场进行准确实时的测量，采用风洞常规试验测力的天平线路接口规范，实现了即插即用，且在动态流场测量设备中对气流压力信号及时处理后转换为电压信号，信号响应快，实时有效，衰减影响小。

附图说明

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，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的动态流场测量设备的示意图；

图2为本发明实施例提供的动态流场测量系统的示意图；

图3为图1中探针头的第一示意图；

图4为图1中探针头的第二示意图；

图5为图1中测压主体的示意图；

图6为图5中接头的第一示意图；

图7为图5中接头的第二示意图；

图8为图5中管壳的第一示意图；

图9为图5中管壳的第二示意图；

图10为图1中压力多通器的第一示意图；

图11为图1中压力多通器的第二示意图；

图12为图1中插座固定座的第一示意图；

图13为图1中插座固定座的第二示意图；

图14为图1中插座本体的示意图；

图15为本发明实施例提供的动态流场测量设备的尺寸示意图。

其中：

1-阵风发生器、2-动态流场测量设备、3-飞行器模型、10-测压主体、20-探针头、30-引压管、40-压力传感器、50-压力多通器、60-调理补偿器、70-插座、101-接头、102-管壳、201-测压通道、202-连接通道、701-插座固定座、702-插座本体。

具体实施方式

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案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为了使本技术领域的技术人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

请参考图1至图15，其中，图1为本发明实施例提供的动态流场测量设备的示意图，图2为本发明实施例提供的动态流场测量系统的示意图，图3为图1中探针头的第一示意图，图4为图1中探针头的第二示意图，图5为图1中测压主体的示意图，图6为图5中接头的第一示意图，图7为图5中接头的第二示意图，图8为图5中管壳的第一示意图，图9为图5中管壳的第二示意图，图10为图1中压力多通器的第一示意图，图11为图1中压力多通器的第二示意图，图12为图1中插座固定座的第一示意图，图13为图1中插座固定座的第二示意图，图14为图1中插座本体的示意图，图15为本发明实施例提供的动态流场测量设备的尺寸示意图。

在第一种具体的实施方式中，本发明所提供的动态流场测量设备2包括测压主体10、探针头20、压力传感器40和插座70；其中，测压主体10作为容纳和安装零件的主体，呈外表面光滑的柱状结构，内部留空以容纳和安装零件；在零件的容纳和安装中，探针头20装设于测压主体10的头部，插座70装设于测压主体10的尾部，压力传感器40设于测压主体10中，压力传感器40分别与探针头20和插座70连接。

在本实施例中，探针头20具有连通外界和测压主体10内部的通道，通道供前方的不稳定气流流入后作用于压力传感器40，通过压力传感器40测量不稳定气流的压力实现来流阵风参数的实时获取，压力传感器40将气流压力信号转换为电压信号后输入插座70，最终通过插座70以电压信号的形式将来流阵风参数传输至配合的风洞设备实现后续处理。

进一步的，以上述动态流场测量设备2作为方向场实时测量的核心，配合风洞的数据采集设备和采集处理软件，实现了阵风试验过程中方向场的在线实时测量，提高设备利用率；属于低速风洞试验技术，利用风洞现有的采集系统的动态采集功能，采集频率不低于1000Hz，实时解算出的方向场数据通过UDP数据包实时传送，几乎没有延时，满足飞行器的操控系统实时控制的要求。

需要强调的是，该动态流场测量设备2在风洞阵风试验中，对前方的不稳定气流进行实时测量，实现来流阵风参数即风洞阵风试验方向场的准确实时的测量。

与现有的普通七孔探针的原理相同，将已知校准系数的动态流场测量设备2安置在被测量的流场中，根据不同孔的压力值以及最大压力孔来确定所在点气流的方向角及总压和静压，由总、静压差可以求出风速大小，再根据流动方向求出各向速度分量。在该动态流场测量设备2中，探针头20与压力传感器40相邻近，从而对气流压力信号及时处理后转换为电压信号，信号响应快，实时有效，减少信号迟滞和衰减等影响，实现实时脉动压力测量；插座70采用风洞常规实验测力的天平线路接口规范，实现了即插即用。

示例性的，探针头20具有七组通道，相当于七孔探头，每组通道同时进气，压力传感器40的数量为七个且分别与七组通道连接，每组通道的气流独立且同步检测；其中，一组通道位于探针头20的中心，六组通道以中心为圆心等距均匀分布。

在本实施例中，探针头20采用整体加工完成，外径为6mm，探针头20的长度为25mm，每个通道的孔径为1.2mm；动态流场测量设备2的总长度为280mm，外径为18mm；压力传感器40为高精度动态压力传感器，其满量程为1psi，七个高精度动态压力传感器彼此独立，直接把动态压力信号转换为电压信号输出；不对高精度动态压力传感器进行任何物理改变，拆卸后仍可在风洞进气道等狭窄空间流场测量或脉动压力测量等特种实验中使用，提高使用率。

进一步的，通道包括连通的测压通道201和连接通道202，连接通道202的内径大于测压通道201的内径，测压通道201连通外界并供气流流入，连接通道202供引压管30装入，连接通道202通过引压管30连接压力传感器40供气流流出。

在本实施例中，探针头20加工成本低，使用寿命长，稳定可靠，最大可探测气流偏角约70°，头部设计为圆锥形，锥顶角为60°，外径为6mm，测压通道201的直径为1.2mm，连接通道202的直径为1.6mm，除中心的通道外，周边六个通道的中心圆直径为3.4mm；引压管30的材质为不锈钢，不锈钢引压管起到连接探针头20和压力传感器40的作用；不锈钢引压管的外径为1.5mm，直接插入1.6mm的连接通道202，间隙采用熔锡密封；每个压力传感器40到探针头20的距离被控制在120mm以内，以提高动态响应特性，从而克服现有技术中需要较长的管路把测压孔压力引导到压力采集系统时存在较大延时问题，该实施例中直接将压力转换功能放在动态流场测量设备2内部完成，输出七路动态电信号。

示例性的，测压主体10中设有压力多通器50，压力多通器50相当于第一侧多管且第二侧单管的结构，其第一侧连接七个压力传感器40的参考压力支管，第二侧设有与外界连通的参考压力总管，参考压力总管与第一侧及其参考压力支管连通。

在本实施例中，每个压力传感器40的参考压端口采用柔性密封，方便拆卸更换；压力多通器50的外径略小于测压主体10的内径，以便在测压主体10内移动调整位置；七个压力传感器40的参考压端口相当于通过压力多通器50连接在一起后一同校准，从而给七个压力传感器40提供相同的参考压力，结构简化，操作方便。

示例性的，测压主体10包括管壳102和装设于管壳102的头部的接头101，探针头20插入接头101，探针头20在管壳102中用轴向定位圈定位，在接头101处通过锁紧螺钉固定。

在本实施例中，管壳102的材质为不锈钢，具有屏蔽外部电磁干扰的能力，其外径为18mm；接头101呈锥形，外壁连接于管壳102，内壁连接于探针头20。

示例性的，插座70包括插座固定座701和插座本体702，插座固定座701装设于管壳102的尾部，插座本体702装设于插座固定座701，插座固定座701具有参考压力通道，参考压力通道连接参考压力总管使其与外界连通。

在本实施例中，插座本体702为超微型精密连接插头插座，其外径为10mm，确保压力传感器40的全部导线与外部进行良好的电器连接；插座固定座701起到固定插座本体702的作用，插座固定座701的外径为15.5mm，比管壳102的内径略小，可以轻松通过管壳102；插座本体702通过环氧树脂固定于插座固定座701中；参考压力通道为嵌入的直径1mm的不锈钢管，以便与参考压力总管连通，使参考压力总管经过插座固定座701与外界连通以获取外部参考压力。

示例性的，插座本体702的第一侧具有与压力传感器40连接的引脚、第二侧具有与引脚连接且用以供插头插入。

在本实施例中，27芯引脚为27芯高密度镀金引脚，引脚功能包括供电、电信号输出等，针脚定义与风洞常规天平一致，相当于该动态流场测量设备2虚拟为一台可实现即插即用的测压天平；27芯引脚焊接37芯转接线，37芯插头端严格按照风洞常规天平线缆定义焊接，转接线控制在500mm左右；其供电和信号线通过圆形接插件接到风洞标准天平线缆上，针脚定义同所在风洞常规测力天平线缆定义一致，可实现了动态探针在风洞测控系统的快速接入。

示例性的，测压主体10中设有与压力传感器40和插座70连接的调理补偿器60。

在本实施例中，每个压力传感器40都配备有调理补偿器60，调理补偿器60起到信号调理补偿的作用；更具体的，压力信号被调理补偿为0～25mv的电压信号，同风洞的常规天平信号一致。

本发明还提供一种动态流场测量系统，包括阵风发生器1、动态流场测量设备2和飞行器模型3，三者在风洞来流的路径上依次设置，动态流场测量设备2与数据采集系统连接，数据采集系统与飞行控制器连接，飞行控制器与飞行器模型3连接。

在本实施例中，动态流场测量设备2和飞行器模型3均处于风洞试验段中间，位于阵风发生器1的下游，阵风发生器1使原本平稳均匀的试验段气流在水平和垂直方向上产生周期性的波动，模拟飞行器在空中遇到的不稳定气流，使其作用于飞行器模型3；将动态流场测量设备2虚拟成天平，采用风洞常规采集系统进行采集，配合实时处理软件，简化了测量系统，降低了系统设备成本；动态流场测量设备2尺寸小，不会对试验段原始流场产生影响；动态流场测量设备2采用全金属外壳设计，实现其压力传感器40的电磁干扰屏蔽和隔绝，减少信号干扰。

在控制过程中，利用动态流场测量设备2实时获取来流阵风参数，动态流场测量设备2直接将气流压力信号转换为电压信号输出，配合风洞常规天平信号采集系统和实时处理软件，可以快速实时获取来流阵风结果参数。在此基础上，实时采集的电信号经过探针系数矩阵实时解算成方向场，实时向飞行控制器发送数据，飞行控制器依赖对来流阵风参数的实时获取进行自动闭环控制，降低不稳定气流对飞行器模型3的影响。

在本实施例中，为了实时正确计算阵风方向场数据，采用风洞常规天平信号采集系统的动态采集模块进行探针输出电信号的采集，利用提前标定好的探针通道系数，采集系统可以直接将测得的电信号还原成压力值；风洞测控系统采集计算出的方向场数据以固定格式的浮点数组形式，通过UDP网络通讯方式不间断实时广播发送；测控系统采集频率不低于1000Hz，计算软件按照飞行器控制系统要求频率进行滤波、计算和发布实时方向场数据。

本发明还提供一种动态流场测量方法，应用于上述动态流场测量系统，包括：第一步、建立稳定风洞风速后模拟不稳定气流；第二步、采集来流阵风参数，实时解算方向场并发布方向场数据；第三步、根据方向场数据主动控制减缓阵风影响。

示例性的，在动态流场测量设备2的准备流程中，包括：探针头20的七个通道的系数矩阵标定；筛选并标定压力传感器40；装配并安装调整动态流场测量设备2；连接天平线缆及管路。

在系数矩阵标定中，先将未安装压力传感器40的动态流场测量设备2在风洞中进行吹风校准；动态流场测量设备2安装在由步进电机控制的自动坐标架上，坐标架能使探针在俯仰、侧滑、前后、左右和上下五个方向运动；探针头20始终正对风洞来流，等间隔变化俯仰和侧滑角，采集七个通道的压力值，采用插值拟合出不同分区的系数矩阵。

在筛选与标定中，选用了风洞试验常用于进气道脉动压力测量的微型动态差压传感器XCQ-062。直径1.7mm，压力参考端直径0.4mm，动静态特性优秀，精度为0.1%。在恒定压力下通电20分钟内输出信号达到稳定为合格；不同的压力传感器40的转换系数是不同的，需要通过精确标定获得，采用0.02%精度的压力校验仪和风洞常规采集系统对压力传感器40进行标定，通过标定可以进一步剔除不满足测压要求的压力传感器40，对合格的压力传感器40进行编号并记录其对应的转换系数。

在装配中，检查管路的气密性（注水法或通气法），擦拭干净后用软性密封胶将其封装；将从探针头20引出的不锈钢管引压管通过软管与压力传感器40头部相连，软管的内径采用1.2mm，连接过程中注意均匀用力使压力传感器40头部完全被气压软管包裹；将压力传感器40尾部所带参考压毛细管依次装入压力多通器50第一侧并用胶封住间隙；将压力传感器40的信号线与插座70依次焊接，将压力传感器40的电源正负端分别焊接在插座70的正负电源引入端；接好参考压力总管；注意保证管线长度足够以免装入后被拉扯导致虚接；在确认长度后再将气压管两端用密封胶进行二次固定；将待装入测压主体10的零件和管线理顺后用纸胶带分段捆扎，确认连接无误后一并装入测压主体10，旋紧紧固螺钉；焊接27芯转37芯转接线，37芯插头端严格按照风洞常规天平线缆定义焊接，转接线控制在500mm左右；封装好后可在探针头20统一外加1Kpa左右压力，如果七个通道皆有信号回馈且压力值能在3分钟之内稳定并且上下波动不超过10pa，则可以认定动态流场测量设备2装配成功。

在安装中，将动态流场测量设备2安装固定于风洞试验段，其位置介于阵风发生装置1和飞行器模型3之间，调整动态流场测量设备2，使其正对来流平行于风洞中轴线。

在连线中，将风洞常规天平线缆和动态流场测量设备2尾端引出插头相连，将参考压力总管接到尾端参考压上；启动风洞设备和软件，进行阵风方向场实时测量流程。

在完成上述准备流程后，可快速实现方向场实时测量任务，包括：S1、加载探针系数矩阵；S2、风洞建立稳定风速；按指定周期和振幅运行阵风发生器1；S3、采集动态流场测量设备2的原始信号；S4、实时解算方向场；S5、实时发布方向场数据；S6、飞行控制器实时控制飞行器模型3。

在上述流程中，由S1至S6依次执行，在执行S6后，返回至S3，以此形成封闭的循环。

需要说明的是，在本说明书中，诸如第一和第二之类的关系术语仅仅用来将一个实体与另外几个实体区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体之间存在任何这种实际的关系或者顺序。

以上对本发明所提供的动态流场测量方法、系统及设备进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种动态流场测量设备，其特征在于，包括测压主体（10），所述测压主体（10）的头部装设有探针头（20）且尾部装设有插座（70），所述测压主体（10）中设有分别与所述探针头（20）和所述插座（70）连接的压力传感器（40）。

2.根据权利要求1所述的动态流场测量设备，其特征在于，所述探针头（20）具有七组通道，一组所述通道位于所述探针头（20）的中心，六组所述通道以所述中心为圆心等距均匀分布；所述压力传感器（40）的数量为七个且分别与七组所述通道连接。

3.根据权利要求2所述的动态流场测量设备，其特征在于，所述通道包括连通的测压通道（201）和连接通道（202），所述连接通道（202）的内径大于所述测压通道（201）的内径，所述测压通道（201）连通外界，所述连接通道（202）通过引压管（30）连接所述压力传感器（40）。

4.根据权利要求2所述的动态流场测量设备，其特征在于，所述测压主体（10）中设有压力多通器（50），所述压力多通器（50）的第一侧用以连接七个所述压力传感器（40）的参考压力支管、第二侧设有与所述第一侧连通且用以与外界连通的参考压力总管。

5.根据权利要求4所述的动态流场测量设备，其特征在于，所述测压主体（10）包括管壳（102）和装设于所述管壳（102）的头部的接头（101），所述探针头（20）插入并固定于所述接头（101）。

6.根据权利要求5所述的动态流场测量设备，其特征在于，所述插座（70）包括装设于所述管壳（102）的尾部的插座固定座（701）和装设于所述插座固定座（701）的插座本体（702），所述插座固定座（701）具有连接所述参考压力总管的参考压力通道。

7.根据权利要求6所述的动态流场测量设备，其特征在于，所述插座本体（702）的第一侧具有与所述压力传感器（40）连接的引脚、第二侧具有与所述引脚连接且用以供插头插入。

8.根据权利要求1至7任一项所述的动态流场测量设备，其特征在于，所述测压主体（10）中设有与所述压力传感器（40）和所述插座（70）连接的调理补偿器（60）。

9.一种动态流场测量系统，其特征在于，包括设置在风洞来流的路径上的阵风发生器（1）、如权利要求1至8任一项所述的动态流场测量设备（2）和飞行器模型（3），所述动态流场测量设备（2）与数据采集系统连接，所述数据采集系统与飞行控制器连接，所述飞行控制器与所述飞行器模型（3）连接。

10.一种动态流场测量方法，其特征在于，应用于如权利要求9所述的动态流场测量系统，包括：

建立稳定风洞风速后模拟不稳定气流；

采集来流阵风参数，实时解算方向场并发布方向场数据；

根据所述方向场数据主动控制减缓阵风影响。

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