CN114608784B - 一种获取射流风洞超声速射流动态运行压力匹配点的方法 - Google Patents

一种获取射流风洞超声速射流动态运行压力匹配点的方法 Download PDF

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CN114608784B CN202210500199.9A CN202210500199A CN114608784B CN 114608784 B CN114608784 B CN 114608784B CN 202210500199 A CN202210500199 A CN 202210500199A CN 114608784 B CN114608784 B CN 114608784B
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Abstract

本发明属于高速自由射流风洞试验技术领域，公开了一种获取射流风洞超声速射流动态运行压力匹配点的方法。该方法包括以下步骤：在高速自由射流风洞布置静压测点；在高速自由射流风洞的移测机构上安装模型，模型位于初始状态位置；启动高速自由射流风洞；连续调整调压阀门开度，稳定后采集模型位于初始状态位置的数据；将模型变换至第二个状态，稳定后采集模型第二个状态的数据；继续变换模型状态，直至采集所有数据；关闭高速自由射流风洞。本发明的获取射流风洞超声速射流动态运行压力匹配点的方法思路简单、明确，理论依据充分，有助于准确获取试验模型状态变化条件下对应的运行压力匹配点，兼顾了流场均匀性与试验质量效率的要求。

Description

一种获取射流风洞超声速射流动态运行压力匹配点的方法
技术领域
本发明属于高速自由射流风洞试验技术领域，具体涉及一种获取射流风洞超声速射流动态运行压力匹配点的方法。
背景技术
传统的高速自由射流风洞在进行超声速试验时，通常采取提高运行总压的方式进行吹风，这种方式可以确保喷管出口的菱形区域为均匀气流。而气流在菱形区域以外和射流边界以内会进行反复的膨胀加速和压缩减速过程，使得菱形区以外的流场品质急剧恶化。菱形区以内的均匀气流可以进行小迎角进气道、发动机特性等对均匀区范围要求较小的试验，且模型尺度不能超出菱形区范围。其余对流场品质要求不高的吹袭试验也可在较大射流范围内开展。但是菱形区的均匀流场范围过小，难以满足大迎角进气道、进气\机体\发动机一体化、推力矢量特性以及较大尺度模型等的高品质试验要求。
高速自由射流风洞是在20世纪中叶开始发展的，由于没有闭口风洞试验段的壁板严格限制，允许模型堵塞度大，支撑及测试设备布置灵活，是开展推进系统、动态特性等特种风洞试验的重要地面模拟设备，主要用于开展进气道、发动机特性等试验或吹袭试验，解决了飞行器研制过程中的诸多气动问题。目前，高速自由射流风洞的重要性日益显现，正在加快发展。
高速自由射流风洞的显著优势是允许模型的堵塞度大，但传统运行方式下的超声速射流流场均匀区较小，限制了高速自由射流风洞作用发挥。采用静态压力匹配点方式只能适应模型状态不变或变化较小的情况，一旦模型状态发生较大变化，则流场的匹配压力需要同时进行相应变化才能保持超声速流场有较大的均匀区范围。要进一步拓展高速自由射流风洞应用范围，更好满足新一代飞行器研制需求，需要根据模型状态变化实时快速确定相应试验状态的匹配运行压力。
当前，亟需发展一种在试验过程中能够适应模型状态变化的获取射流风洞超声速射流动态运行压力匹配点的方法。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种获取射流风洞超声速射流动态运行压力匹配点的方法。
本发明的获取射流风洞超声速射流动态运行压力匹配点的方法，包括以下步骤：
S10.在高速自由射流风洞布置静压测点；
在高速自由射流风洞的喷管出口布置喷管出口静压测点，测量喷管出口静压
Figure DEST_PATH_IMAGE001
；在高速自由射流风洞的试验舱的内壁布置试验舱参考点静压测点，测量试验舱参考点静压
Figure 771981DEST_PATH_IMAGE002
；
S20.在高速自由射流风洞的移测机构上安装模型，模型位于初始状态位置；
在高速自由射流风洞的移测机构上安装模型，并驱动高速自由射流风洞的移测机构，将模型定位在初始状态位置；
S30.启动高速自由射流风洞；
将高速自由射流风洞的喷管对应的马赫数的静态运行压力匹配点压力
Figure DEST_PATH_IMAGE003
作为启动总压，启动高速自由射流风洞；
S40.连续调整调压阀门开度，稳定后采集模型位于初始状态位置的数据；
在高速自由射流风洞的稳定段测量稳定段总压
Figure 443133DEST_PATH_IMAGE004
，连续调整调压阀门开度控制稳定段总压
Figure 882205DEST_PATH_IMAGE004
，直至稳定段总压
Figure 424045DEST_PATH_IMAGE004
满足风洞总压判稳条件：
Figure DEST_PATH_IMAGE005
；
令
Figure 719897DEST_PATH_IMAGE006
，当前状态为模型初始运行状态Z1；
高速自由射流风洞的压力采集系统在初始运行状态Z1下，连续采集高速自由射流风洞试验舱的静压参考点静压
Figure 612767DEST_PATH_IMAGE002
、喷管出口静压
Figure 855529DEST_PATH_IMAGE001
和风洞稳定段总压
Figure DEST_PATH_IMAGE007
，获得对应的高速自由射流风洞试验舱的静压参考点静压数组
Figure 48613DEST_PATH_IMAGE008
、喷管出口静压数组
Figure DEST_PATH_IMAGE009
和风洞稳定段总压数组
Figure 518296DEST_PATH_IMAGE010
；
Figure DEST_PATH_IMAGE011
代表模型状态序号，模型位于初始状态位置时，
Figure 898462DEST_PATH_IMAGE012
；
Figure DEST_PATH_IMAGE013
代表时间序列点；
同时，在模型初始运行状态Z1的运行过程中，按照动态压力匹配条件
Figure 476074DEST_PATH_IMAGE014
判断高速自由射流风洞是否处于稳定运行状态，当
Figure 992506DEST_PATH_IMAGE014
时，高速自由射流风洞处于稳定运行状态，进入步骤S50；
Figure DEST_PATH_IMAGE015
为静压匹配准度，
Figure 364581DEST_PATH_IMAGE016
为静压匹配精度，均是预先在风洞运行数据库中选取的给定的值；
S50.将模型变换至第二个状态，稳定后采集模型第二个状态的数据；
模型变换至第二个状态后，
Figure DEST_PATH_IMAGE017
，如果仍然满足
Figure 966464DEST_PATH_IMAGE018
，则继续采集数据；
如果不满足
Figure 551029DEST_PATH_IMAGE014
，则动态调整调压阀门开度，将
Figure 921967DEST_PATH_IMAGE003
调整至
Figure DEST_PATH_IMAGE019
，
Figure 464944DEST_PATH_IMAGE019
为模型在第二个状态时，高速自由射流风洞的喷管对应的马赫数的静态运行压力匹配点压力，在
Figure 554123DEST_PATH_IMAGE019
满足
Figure 697308DEST_PATH_IMAGE014
后，再继续采集数据；
S60.继续变换模型状态，直至采集所有数据；
高速自由射流风洞的移测机构将模型依次变换至下一个模型状态，每变换一次，
Figure 188332DEST_PATH_IMAGE011
递增1，即
Figure 371051DEST_PATH_IMAGE020
，重复步骤S50，直至完成所有模型状态的数据采集；
S70.关闭高速自由射流风洞。
本发明的获取射流风洞超声速射流动态运行压力匹配点的方法是基于以下理论发展起来的：
a. 稳定段总压
Figure 681947DEST_PATH_IMAGE004
变化对喷管出口静压
Figure 342736DEST_PATH_IMAGE001
的影响；
根据超声速总静压关系式：
Figure 688266DEST_PATH_IMAGE022
在超声速（
Figure DEST_PATH_IMAGE023
）的马赫数
Figure 573046DEST_PATH_IMAGE024
一定时，喷管出口静压
Figure 371237DEST_PATH_IMAGE001
与稳定段总压
Figure 101296DEST_PATH_IMAGE004
的变化方向相同；
b.稳定段总压
Figure 301333DEST_PATH_IMAGE004
变化对试验舱参考点静压
Figure 281315DEST_PATH_IMAGE002
的影响；
高速自由射流风洞未启动时，试验舱内压力等于环境大气压，当高速自由射流风洞启动，来流产生射流引射的效果，该引射效果使得试验舱压力降低，当射流马赫数一定时，其引射效果与射流流量相关，试验舱被引射流量为
Figure DEST_PATH_IMAGE025
，射流流量为
Figure 363540DEST_PATH_IMAGE026
，当前马赫数的引射系数为
Figure DEST_PATH_IMAGE027
，
Figure 428448DEST_PATH_IMAGE027
是与引射性能相关的量，此处可视为定值，有
Figure 482992DEST_PATH_IMAGE028
，
Figure DEST_PATH_IMAGE029
,
Figure 443995DEST_PATH_IMAGE030
，
Figure DEST_PATH_IMAGE031
是喷管出口面积，
Figure 13516DEST_PATH_IMAGE032
是用速度系数
Figure DEST_PATH_IMAGE033
表征的流量函数，
Figure 616536DEST_PATH_IMAGE034
是总温，在单次超声速吹风过程中总温变化较小，
Figure DEST_PATH_IMAGE035
、
Figure 56745DEST_PATH_IMAGE031
、
Figure 923070DEST_PATH_IMAGE032
、
Figure 914641DEST_PATH_IMAGE034
均视为定值，
Figure 790193DEST_PATH_IMAGE026
随
Figure 553750DEST_PATH_IMAGE004
的增大而增大，故试验舱被引射流量
Figure 856555DEST_PATH_IMAGE025
与
Figure 338352DEST_PATH_IMAGE004
变化方向相同，试验舱气流被引射后，由于气体质量的减少必然导致密度和压力的降低，且引射量越大，静压降得越低，即试验舱参考点静压
Figure 17595DEST_PATH_IMAGE002
与稳定段总压
Figure 901237DEST_PATH_IMAGE004
变化相反；
c.由于喷管出口静压
Figure 374944DEST_PATH_IMAGE001
与试验舱参考点静压
Figure 344037DEST_PATH_IMAGE002
在稳定段总压
Figure 561392DEST_PATH_IMAGE004
变化时呈现相反的变化关系，故可以通过调节稳定段总压
Figure 33961DEST_PATH_IMAGE004
来使其匹配。
通过对高速自由射流风洞动态压力匹配条件的分析，本发明的获取射流风洞超声速射流动态运行压力匹配点的方法通过控制稳定段总压
Figure 944148DEST_PATH_IMAGE004
的变化，进而改变喷管出口的静压
Figure 134958DEST_PATH_IMAGE001
和试验舱参考点静压
Figure 156004DEST_PATH_IMAGE002
，使得喷管出口静压
Figure 14239DEST_PATH_IMAGE001
和试验舱参考点静压
Figure 564169DEST_PATH_IMAGE002
在保持一定匹配范围的情况下，扩大射流流场均匀区范围。
本发明的获取射流风洞超声速射流动态运行压力匹配点的方法，首先将基本状态静态压力匹配点运行总压
Figure 510783DEST_PATH_IMAGE003
作为风洞启动总压；通过压力采集系统实时测量采集喷管出口静压、试验舱参考点静压和稳定段总压；待
Figure 69941DEST_PATH_IMAGE003
达到风洞总压控制精度范围后，采集模型初始运行状态气动参数；模型上一状态气动参数采集完毕后，根据预定程序改变模型姿态或位置，运动至第二个试验状态，此时由于模型状态变化将导致超声速射流均匀区压力匹配点发生变化；通过本方法所述的试验舱参考点静压和喷管出口静压匹配判据将风洞运行压力从
Figure 782682DEST_PATH_IMAGE003
调整至
Figure 769092DEST_PATH_IMAGE019
，若符合判据要求则保持
Figure 934495DEST_PATH_IMAGE036
；若不符合判据要求，则通过调节调压阀门开度调整运行总压，直至满足判据要求，得到新的状态匹配点运行压力
Figure 31764DEST_PATH_IMAGE019
；待
Figure 864590DEST_PATH_IMAGE019
满足风洞总压控制精度要求后，流场重新变得均匀，采集模型第二个状态的气动参数；以此类推，直至完成模型最后一个状态气动参数采集后，风洞按预定程序关车，完成试验。
采用本发明的获取射流风洞超声速射流动态运行压力匹配点的方法，可以在超声速射流风洞试验运行中通过实时确定不同状态的运行压力匹配点从而保持流场均匀的情况下开展模型复杂状态试验，相较于采取单一固定静态压力匹配点的方式，可以减少风洞启动车次，提高试验效率，节省能源消耗；相较于采取提高运行总压吹风方式，可以获取更大范围的超声速均匀区流场。
本发明的获取射流风洞超声速射流动态运行压力匹配点的方法，能够为确定高速自由射流风洞试验中的实时运行压力匹配点提供指导；解决了高速自由射流风洞试验中由于模型姿态、位置变化，导致的风洞匹配运行压力变化进而引起的射流流场品质恶化问题。
本发明的获取射流风洞超声速射流动态运行压力匹配点的方法思路简单、明确，理论依据充分，有助于准确获取试验模型状态变化条件下对应的运行压力匹配点，兼顾流场均匀性与试验质量效率的要求，适于工程推广应用。
附图说明
图1为本发明的获取射流风洞超声速射流动态运行压力匹配点的方法的流程图；
图2为本发明的获取射流风洞超声速射流动态运行压力匹配点的方法中的静压测点布置图；
图3为实施例1使用的十字总压排架的结构示意图；
图4为实施例1使用的十字总压排架及移测机构示意图。
图中，1.喷管出口静压测点；2.试验舱参考点静压测点；3.喷管出口；4.试验舱；5.收集器。
具体实施方式
下面结合附图和实施例详细说明本发明。
实施例1
如图2所示，按照风洞气流方向，从前至后依次为高速自由射流风洞的喷管、试验舱4和收集器5。超声速喷管马赫数为2.0；静态压力匹配点
Figure DEST_PATH_IMAGE037
，动态运行压力匹配准度a=100%，b=2%；模型为如图3所示的十字总压排架。
本实施例用十字总压排架测量，采用静态压力匹配条件（固定稳定段总压
Figure 553061DEST_PATH_IMAGE004
）和动态压力匹配条件（根据匹配条件变化总压）下流场的均匀性变化情况作为对比，十字总压排架在风洞中的移动测量过程模拟了模型在风洞中的状态变化过程，十字总压排架移动测量示意图见图4。
如图1所示，本实施例的具体实施步骤如下：
S10.在高速自由射流风洞布置静压测点；
在高速自由射流风洞的喷管出口布置喷管出口静压测点，测量喷管出口静压
Figure 205759DEST_PATH_IMAGE001
；在高速自由射流风洞的试验舱的内壁布置试验舱参考点静压测点，测量试验舱参考点静压
Figure 106719DEST_PATH_IMAGE002
；
S20.在高速自由射流风洞的移测机构上安装十字总压排架，十字总压排架位于X轴的最右端即距离喷管出口的最远端；
在高速自由射流风洞的移测机构上安装十字总压排架；十字总压排架面向高速自由射流风洞来流；十字总压排架的中心轴线与高速自由射流风洞的中心轴线重合；驱动高速自由射流风洞的移测机构，将十字总压排架定位在X轴的最右端；
S30.启动高速自由射流风洞；
将高速自由射流风洞的喷管对应的马赫数2.0的静态运行压力匹配点压力
Figure 794052DEST_PATH_IMAGE037
作为启动总压，启动高速自由射流风洞；
S40.连续调整调压阀门开度，稳定后采集十字总压排架位于X轴的最右端的数据；
在高速自由射流风洞的稳定段测量稳定段总压
Figure 122265DEST_PATH_IMAGE004
，连续调整调压阀门开度控制稳定段总压
Figure 262260DEST_PATH_IMAGE004
，直至稳定段总压
Figure 701331DEST_PATH_IMAGE004
满足风洞总压判稳条件：
Figure 243171DEST_PATH_IMAGE005
；
令
Figure 4935DEST_PATH_IMAGE038
，当前状态为模型初始运行状态Z1；
高速自由射流风洞的压力采集系统在初始运行状态Z1下，连续采集高速自由射流风洞试验舱的静压参考点静压
Figure 632225DEST_PATH_IMAGE002
、喷管出口静压
Figure 874988DEST_PATH_IMAGE001
和风洞稳定段总压
Figure 271334DEST_PATH_IMAGE007
，获得对应的高速自由射流风洞试验舱的静压参考点静压数组
Figure 941350DEST_PATH_IMAGE008
、喷管出口静压数组
Figure 55936DEST_PATH_IMAGE009
和风洞稳定段总压数组
Figure 836811DEST_PATH_IMAGE010
；
Figure 87663DEST_PATH_IMAGE011
代表模型状态序号，十字总压排架位于X轴的最右端，
Figure 928580DEST_PATH_IMAGE012
；
Figure 530463DEST_PATH_IMAGE013
代表时间序列点；
同时，在十字总压排架初始运行状态Z1的运行过程中，按照动态压力匹配条件
Figure DEST_PATH_IMAGE039
判断高速自由射流风洞是否处于稳定运行状态，当
Figure 646187DEST_PATH_IMAGE039
时，高速自由射流风洞处于稳定运行状态，进入步骤S50；若不满足，需调整总压
Figure 17125DEST_PATH_IMAGE007
使其满足；
S50.将十字总压排架向喷管方向沿X轴移动至第二个位置，稳定后采集十字总压排架在第二个位置的数据；
模型变换至第二个位置后，
Figure 28943DEST_PATH_IMAGE017
，如果仍然满足
Figure 118122DEST_PATH_IMAGE040
，则继续采集数据；
如果不满足
Figure 240799DEST_PATH_IMAGE040
，则动态调整调压阀门开度，将
Figure 469174DEST_PATH_IMAGE003
调整至
Figure 448631DEST_PATH_IMAGE019
，
Figure 759527DEST_PATH_IMAGE019
为模型在第二个状态时，高速自由射流风洞的喷管对应的马赫数的静态运行压力匹配点压力，在
Figure 685894DEST_PATH_IMAGE019
满足
Figure 765846DEST_PATH_IMAGE040
后，再继续采集数据；
S60.继续沿X轴移动十字总压排架位置，直至采集所有位置的数据。
高速自由射流风洞的移测机构将十字总压排架依次向喷管方向沿X轴移动至下一个位置，每移动一次，
Figure 385046DEST_PATH_IMAGE011
递增1，即
Figure 917658DEST_PATH_IMAGE020
，重复步骤S50，直至完成所有十字总压排架位置的数据采集；
S70.关闭高速自由射流风洞。
试验结果表明，十字总压排架测量采用静态压力匹配条件（固定稳定段总压
Figure 647717DEST_PATH_IMAGE004
）测得移测区域内马赫数均方根偏差，十字总压排架测量采用动态压力匹配（根据匹配条件变化总压）测得相同移测区域内马赫数均方根偏差，均匀性提升39%。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域。对于熟悉本领域的人员而言，在不脱离本发明原理的前提下，可容易地实现另外的改进和润饰，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (1)

1.一种获取射流风洞超声速射流动态运行压力匹配点的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S10.在高速自由射流风洞布置静压测点；
在高速自由射流风洞的喷管出口布置喷管出口静压测点，测量喷管出口静压
Figure DEST_PATH_IMAGE002
；在高速自由射流风洞的试验舱的内壁布置试验舱参考点静压测点，测量试验舱参考点静压
Figure DEST_PATH_IMAGE004
；
S20.在高速自由射流风洞的移测机构上安装模型，模型位于初始状态位置；
在高速自由射流风洞的移测机构上安装模型，并驱动高速自由射流风洞的移测机构，将模型定位在初始状态位置；具体如下：
在高速自由射流风洞的移测机构上安装十字总压排架，十字总压排架位于X轴的最右端即距离喷管出口的最远端；
在高速自由射流风洞的移测机构上安装十字总压排架；十字总压排架面向高速自由射流风洞来流；十字总压排架的中心轴线与高速自由射流风洞的中心轴线重合；驱动高速自由射流风洞的移测机构，将十字总压排架定位在X轴的最右端；
S30.启动高速自由射流风洞；
将高速自由射流风洞的喷管对应的马赫数的静态运行压力匹配点压力
Figure DEST_PATH_IMAGE006
作为启动总压，启动高速自由射流风洞；
S40.连续调整调压阀门开度，稳定后采集模型位于初始状态位置的数据；
在高速自由射流风洞的稳定段测量稳定段总压
Figure DEST_PATH_IMAGE008
，连续调整调压阀门开度控制稳定段总压
Figure 840389DEST_PATH_IMAGE008
，直至稳定段总压
Figure 757530DEST_PATH_IMAGE008
满足风洞总压判稳条件：
Figure DEST_PATH_IMAGE010
；
令
Figure DEST_PATH_IMAGE012
，当前状态为模型初始运行状态Z1；
高速自由射流风洞的压力采集系统在初始运行状态Z1下，连续采集高速自由射流风洞试验舱的静压参考点静压
Figure 209371DEST_PATH_IMAGE004
、喷管出口静压
Figure 870159DEST_PATH_IMAGE002
和风洞稳定段总压
Figure DEST_PATH_IMAGE014
，获得对应的高速自由射流风洞试验舱的静压参考点静压数组
Figure DEST_PATH_IMAGE016
、喷管出口静压数组
Figure DEST_PATH_IMAGE018
和风洞稳定段总压数组
Figure DEST_PATH_IMAGE020
；
Figure DEST_PATH_IMAGE022
代表模型状态序号，模型位于初始状态位置时，
Figure DEST_PATH_IMAGE024
；
Figure DEST_PATH_IMAGE026
代表时间序列点；
同时，在模型初始运行状态Z1的运行过程中，按照动态压力匹配条件
Figure DEST_PATH_IMAGE028
判断高速自由射流风洞是否处于稳定运行状态，当
Figure 58433DEST_PATH_IMAGE028
时，高速自由射流风洞处于稳定运行状态，进入步骤S50；
Figure DEST_PATH_IMAGE030
为静压匹配准度，
Figure DEST_PATH_IMAGE032
为静压匹配精度，均是预先在风洞运行数据库中选取的给定的值；
S50.将模型变换至第二个状态，稳定后采集模型第二个状态的数据；
将十字总压排架向喷管方向沿X轴移动至第二个位置，稳定后采集十字总压排架在第二个位置的数据；十字总压排架的第二个位置即模型的第二个状态；
模型变换至第二个状态后，
Figure DEST_PATH_IMAGE034
，如果仍然满足
Figure DEST_PATH_IMAGE036
，则继续采集数据；
如果不满足
Figure 21841DEST_PATH_IMAGE028
，则动态调整调压阀门开度，将
Figure 554453DEST_PATH_IMAGE006
调整至
Figure DEST_PATH_IMAGE038
，
Figure 222195DEST_PATH_IMAGE038
为模型在第二个状态时，高速自由射流风洞的喷管对应的马赫数的静态运行压力匹配点压力，在
Figure 94336DEST_PATH_IMAGE038
满足
Figure 353279DEST_PATH_IMAGE028
后，再继续采集数据；
S60.继续变换模型状态，直至采集所有数据；
高速自由射流风洞的移测机构将模型依次变换至下一个模型状态，每变换一次，
Figure 310871DEST_PATH_IMAGE022
递增1，即
Figure DEST_PATH_IMAGE040
，重复步骤S50，直至完成所有模型状态的数据采集；
S70.关闭高速自由射流风洞。
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