CN114608785B - 获取大范围超声速射流流场均匀区静压匹配准度的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于高速自由射流风洞试验技术领域，公开了一种获取大范围超声速射流流场均匀区静压匹配准度的方法。本发明的获取大范围超声速射流流场均匀区静压匹配准度的方法包括以下步骤：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十字总压排架；启动高速自由射流风洞；采用连续变稳定段总压方式运行高速自由射流风洞；在高速自由射流风洞运行过程中，连续采集相关流场参数；关闭高速自由射流风洞；数据处理，获得最佳静压匹配准度。本发明的获取大范围超声速射流流场均匀区静压匹配准度的方法思路简单、明确，理论依据充分，具有工程应用价值。

Description

获取大范围超声速射流流场均匀区静压匹配准度的方法
技术领域
本发明属于高速自由射流风洞试验技术领域，具体涉及一种获取大范围超声速射流流场均匀区静压匹配准度的方法。
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。
为了适应先进飞行器研制对大范围的超声速射流均匀区流场模拟能力的迫切需求，亟需发展一种获取大范围超声速射流流场均匀区静压匹配准度的方法。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种获取大范围超声速射流流场均匀区静压匹配准度的方法。
本发明的获取大范围超声速射流流场均匀区静压匹配准度的方法，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 100002_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 100002_DEST_PATH_IMAGE004
；
S20.在高速自由射流风洞的移测机构上安装十字总压排架；
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，确保十字总压排架的测点一部分置于与当前喷管对应的菱形区内部，另一部测点置于与当前喷管对应的菱形区外部；十字总压排架的测量截面为其测点所在平面与高速自由射流风洞的中心轴线垂直的竖直截面；
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运行总压作为启动总压，启动高速自由射流风洞；
S40.采用连续变稳定段总压方式运行高速自由射流风洞；
将试验舱参考点静压与喷管出口静压关系
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE006
作为运行压力匹配准则，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE008
为静压匹配准度，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE010
为静压匹配精度；以
Figure 770825DEST_PATH_IMAGE006
作为压力闭环控制目标，在预先设定的匹配精度条件下，按照预先设定的静压匹配准度范围
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE012
，采取连续调节稳定段总压进而改变试验舱参考点静压与喷管出口静压关系的方式进行连续吹风；
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE014
为预先设定的静压匹配准度的最小值，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE016
为预先设定的静压匹配准度的最大值；
根据射流压力与环境压力匹配理论，
Figure 812599DEST_PATH_IMAGE014
和
Figure 530019DEST_PATH_IMAGE016
的取值应当在100%附近，即静压匹配准度的最小值
Figure 925228DEST_PATH_IMAGE014
小于且接近100%，静压匹配准度的最大值
Figure 926551DEST_PATH_IMAGE016
大于且接近100%；
S50.在高速自由射流风洞运行过程中，连续采集相关流场参数；
在高速自由射流风洞运行过程中，高速自由射流风洞的压力采集系统连续采集高速自由射流风洞试验舱的静压参考点静压
Figure 749014DEST_PATH_IMAGE004
、喷管出口静压
Figure 16047DEST_PATH_IMAGE002
和风洞稳定段总压
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE018
，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 100002_DEST_PATH_IMAGE020
、喷管出口静压数组
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE022
和风洞稳定段总压数组
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE024
；十字总压排架连续采集所在位置的波后总压
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE026
；
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE028
代表时间序列点，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE030
代表十字总压排架测点编号；
S60.关闭高速自由射流风洞；
数据采集完成后，关闭高速自由射流风洞；
S70.数据处理，获得最佳静压匹配准度；
S71.计算十字总压排架测得的马赫数
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE032
，公式如下：
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE033
其中：
Figure 404828DEST_PATH_IMAGE032
代表十字总压排架的第
Figure 73706DEST_PATH_IMAGE030
个测点在第
Figure 254021DEST_PATH_IMAGE028
个时间序列点上计算得到的马赫数；
S72.计算十字总压排架在各采集时间点测得的马赫数均方根偏差
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE034
，公式如下：
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE035
其中：
Figure 946033DEST_PATH_IMAGE034
代表十字总压排架在第
Figure 683045DEST_PATH_IMAGE028
个时间序列点测得的马赫数均方根偏差；
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE036
代表十字总压排架在第i个时间序列点所有测点测得的马赫数的算术平均值；
n代表十字总压排架上的测点总数；
S73.计算匹配准度
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE038
；
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE039
；
S74.获取最佳静压匹配准度
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE041
；
绘制马赫数均方根偏差与静压匹配准度关系曲线，将采集时间序列内马赫数数均方根偏差最小值对应的静压匹配准度
Figure 331064DEST_PATH_IMAGE041
作为该测量马赫数的最佳静压匹配准度。
进一步地，所述的十字总压排架替换为皮托管。
进一步地，所述的运行压力匹配准则替换为：
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE043
。
本发明的获取大范围超声速射流流场均匀区静压匹配准度的方法首先将十字总压排架安装并置于特定位置，确保十字总压排架的测点一部分置于与当前喷管对应的菱形区内部，另一部测点置于与当前喷管对应的菱形区外部，该位置的流场均匀性变化情况可以反映出因改变静压匹配准度而引起的流场均匀性变化；再基于超声速喷管对应的启动总压，根据运行压力匹配准则将试验舱参考点静压与喷管出口静压关系作为闭环控制目标，在既有匹配精度条件下，通过设定一定的静压匹配准度范围，采取连续缓慢调节稳定段总压进而改变试验舱参考点静压和喷管出口静压关系的方式进行吹风；压力采集系统实时测量并采集喷管出口静压、试验舱参考点静压和稳定段总压，十字总压排架连续采集所在位置的波后总压；在稳定段总压变化的时间段内，按照采集时间序列，计算十字总压排架测得的马赫数；在总压变化的时间段内，按照采集时间序列，计算十字排架测得的马赫数在各时间序列点上的均方根偏差；在总压变化的时间段内，按照采集时间序列，计算静压匹配准度；将采集时间序列内马赫数均方根偏差最小值对应的静压匹配准度作为该测量马赫数的最佳静压匹配准度。
本发明的获取大范围超声速射流流场均匀区静压匹配准度的方法能够为确定高速自由射流风洞不同超声速马赫数喷管出口静压与试验舱参考点静压的匹配准度提供指导，是针对性提高不同超声速马赫数静压匹配准度的有效方法；解决了由于超声速不同马赫数的射流发展变化，导致的流场均匀性不佳的问题，能够为高速自由射流风洞不同超声速马赫数流场提供最佳个性化匹配准度方案，进而提高流场均匀性、扩大均匀区范围，满足各类试验需求。
本发明的获取大范围超声速射流流场均匀区静压匹配准度的方法思路简单、明确，理论依据充分，具有工程应用价值。
附图说明
图1为本发明的获取大范围超声速射流流场均匀区静压匹配准度的方法中的静压测点布置图；
图2为本发明的获取大范围超声速射流流场均匀区静压匹配准度的方法的流程图；
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的安装位置示意图；
图5为实施例1获得的马赫数数均方根偏差与静压匹配准度关系曲线。
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1所示，按照风洞气流方向，高速自由射流风洞从前至后依次包括喷管、试验舱4和收集器5。超声速喷管马赫数为1.5。
如图2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；
如图1所示，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 944929DEST_PATH_IMAGE022
；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 124238DEST_PATH_IMAGE020
；
S20.在高速自由射流风洞的移测机构上安装十字总压排架；
如图3、图4所示，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，十字总压排架的测点一部分置于与当前喷管对应的菱形区内部，另一部测点置于与当前喷管对应的菱形区外部；十字总压排架的测量截面为其测点所在平面与高速自由射流风洞的中心轴线垂直的竖直截面，距喷管出口1200mm；
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运行总压作为启动总压，启动高速自由射流风洞；
S40.采用连续变稳定段总压方式运行高速自由射流风洞；
将试验舱参考点静压与喷管出口静压关系
Figure 399362DEST_PATH_IMAGE006
作为运行压力匹配准则，
Figure 42833DEST_PATH_IMAGE008
为静压匹配准度，
Figure 564950DEST_PATH_IMAGE010
为静压匹配精度；以
Figure 293871DEST_PATH_IMAGE006
作为压力闭环控制目标，在预先设定的匹配精度
Figure DEST_PATH_IMAGE045
条件下，按照预先设定的静压匹配准度范围（94.6%，103.5%），采取连续缓慢调节稳定段总压进而改变试验舱参考点静压与喷管出口静压关系的方式进行连续吹风；
S50.在高速自由射流风洞运行过程中，连续采集相关流场参数；
在高速自由射流风洞运行过程中，高速自由射流风洞的压力采集系统连续采集高速自由射流风洞试验舱的静压参考点静压
Figure 310369DEST_PATH_IMAGE004
、喷管出口静压
Figure 808346DEST_PATH_IMAGE002
和风洞稳定段总压
Figure 766944DEST_PATH_IMAGE018
，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 717582DEST_PATH_IMAGE020
、喷管出口静压数组
Figure 537771DEST_PATH_IMAGE022
和风洞稳定段总压数组
Figure 890255DEST_PATH_IMAGE024
；十字总压排架连续采集所在位置的波后总压
Figure 832803DEST_PATH_IMAGE026
；
Figure 457688DEST_PATH_IMAGE028
代表时间序列点，
Figure 878305DEST_PATH_IMAGE030
代表十字总压排架测点编号；
S60.关闭高速自由射流风洞；
数据采集完成后，关闭高速自由射流风洞；
S70.数据处理，获得最佳静压匹配准度；
S71.计算十字总压排架测得的马赫数
Figure 288558DEST_PATH_IMAGE032
，公式如下：
Figure 402007DEST_PATH_IMAGE033
对上式采用数值方法求解；
其中：
Figure 517119DEST_PATH_IMAGE032
代表十字总压排架的第
Figure 741426DEST_PATH_IMAGE030
个测点在第
Figure 802923DEST_PATH_IMAGE028
个时间序列点上计算得到的马赫数；
S72.计算十字总压排架测得的马赫数均方根偏差
Figure 24957DEST_PATH_IMAGE034
，公式如下：
Figure 437484DEST_PATH_IMAGE035
其中：
Figure 652434DEST_PATH_IMAGE034
代表十字总压排架在第
Figure 834016DEST_PATH_IMAGE028
个时间序列点测得的马赫数均方根偏差；
Figure 23689DEST_PATH_IMAGE036
代表十字总压排架在第i个时间序列点所有测点测得的马赫数的算术平均值；
n代表十字总压排架上的测点总数；
S73.计算匹配准度
Figure 861195DEST_PATH_IMAGE038
；
Figure 427306DEST_PATH_IMAGE039
S74.获取最佳静压匹配准度
Figure 915925DEST_PATH_IMAGE041
；
在匹配准度
Figure 276499DEST_PATH_IMAGE038
中查找最小值
Figure DEST_PATH_IMAGE047
，
Figure DEST_PATH_IMAGE049
为最佳静压匹配准度，获得的马赫数数均方根偏差与静压匹配准度关系曲线见图5。
进一步地，所述的十字总压排架替换为皮托管。
进一步地，所述的运行压力匹配准则替换为：
Figure 601301DEST_PATH_IMAGE043
。
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 (3)

1.获取大范围超声速射流流场均匀区静压匹配准度的方法，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十字总压排架；
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，确保十字总压排架的测点一部分置于与当前喷管对应的菱形区内部，另一部测点置于与当前喷管对应的菱形区外部；十字总压排架的测量截面为其测点所在平面与高速自由射流风洞的中心轴线垂直的竖直截面；
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运行总压作为启动总压，启动高速自由射流风洞；
S40.采用连续变稳定段总压方式运行高速自由射流风洞；
将试验舱参考点静压与喷管出口静压关系
Figure DEST_PATH_IMAGE006
作为运行压力匹配准则，
Figure DEST_PATH_IMAGE008
为静压匹配准度，
Figure DEST_PATH_IMAGE010
为静压匹配精度；以
Figure 447338DEST_PATH_IMAGE006
作为压力闭环控制目标，在预先设定的匹配精度条件下，按照预先设定的静压匹配准度范围
Figure DEST_PATH_IMAGE012
，采取连续调节稳定段总压进而改变试验舱参考点静压与喷管出口静压关系的方式进行连续吹风；
Figure DEST_PATH_IMAGE014
为预先设定的静压匹配准度的最小值，
Figure DEST_PATH_IMAGE016
为预先设定的静压匹配准度的最大值；
S50.在高速自由射流风洞运行过程中，连续采集相关流场参数；
在高速自由射流风洞运行过程中，高速自由射流风洞的压力采集系统连续采集高速自由射流风洞试验舱的静压参考点静压
Figure 302162DEST_PATH_IMAGE004
、喷管出口静压
Figure 265920DEST_PATH_IMAGE002
和风洞稳定段总压
Figure DEST_PATH_IMAGE018
，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_IMAGE020
、喷管出口静压数组
Figure DEST_PATH_IMAGE022
和风洞稳定段总压数组
Figure DEST_PATH_IMAGE024
；十字总压排架连续采集所在位置的波后总压
Figure DEST_PATH_IMAGE026
；
Figure DEST_PATH_IMAGE028
代表时间序列点，
Figure DEST_PATH_IMAGE030
代表十字总压排架测点编号；
S60.关闭高速自由射流风洞；
数据采集完成后，关闭高速自由射流风洞；
S70.数据处理，获得最佳静压匹配准度；
S71.计算十字总压排架测得的马赫数
Figure DEST_PATH_IMAGE032
，公式如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE033
其中：
Figure 910397DEST_PATH_IMAGE032
代表十字总压排架的第
Figure 724769DEST_PATH_IMAGE030
个测点在第
Figure 484915DEST_PATH_IMAGE028
个时间序列点上计算得到的马赫数；
S72.计算十字总压排架在各采集时间点测得的马赫数均方根偏差
Figure DEST_PATH_IMAGE034
，公式如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE035
其中：
Figure 938899DEST_PATH_IMAGE034
代表十字总压排架在第
Figure 75482DEST_PATH_IMAGE028
个时间序列点测得的马赫数均方根偏差；
Figure DEST_PATH_IMAGE036
代表十字总压排架在第i个时间序列点所有测点测得的马赫数的算术平均值；
n代表十字总压排架上的测点总数；
S73.计算匹配准度
Figure DEST_PATH_IMAGE038
；
Figure DEST_PATH_IMAGE039
；
S74.获取最佳静压匹配准度
Figure DEST_PATH_IMAGE041
；
绘制马赫数均方根偏差与静压匹配准度关系曲线，将采集时间序列内马赫数数均方根偏差最小值对应的静压匹配准度
Figure 871924DEST_PATH_IMAGE041
作为该测量马赫数的最佳静压匹配准度。
2.根据权利要求1所述的获取大范围超声速射流流场均匀区静压匹配准度的方法，其特征在于，所述的十字总压排架替换为皮托管。
3.根据权利要求1所述的获取大范围超声速射流流场均匀区静压匹配准度的方法，其特征在于，所述的运行压力匹配准则替换为：
Figure DEST_PATH_IMAGE043
。
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