CN114608790A - 获取高速自由射流风洞亚跨声速流场均匀区边界试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于高速风洞试验技术领域，公开了一种获取高速自由射流风洞亚跨声速流场均匀区边界试验方法。包括以下步骤：竖直安装一字型的静压排架；建立高速自由射流风洞的流场均匀区；运行移测机构采集数据；建立测点坐标矩阵；计算各测点位置处受扰动影响的马赫数；计算各测点位置处的马赫数差量矩阵；进行流场马赫数差量矩阵插值；判断各测点位置是否超出流场均匀区的边界；确定流场均匀区的边界坐标点；确定XOY平面流场均匀区的边界。本发明的获取高速自由射流风洞亚跨声速流场均匀区边界试验方法能够克服静压排架堵塞扰动干扰量影响，快速确定亚跨声速射流均匀区边界，具有简便、高效的优点。

Description

获取高速自由射流风洞亚跨声速流场均匀区边界试验方法

技术领域

本发明属于高速风洞试验技术领域，具体涉及一种获取高速自由射流风洞亚跨声速流场均匀区边界试验方法。

背景技术

高速自由射流风洞的流场均匀区范围需要满足一定指标后，方能正常开展高速风洞试验。高速自由射流风洞的亚跨声速流场除了需要测量核心流均匀区长度外，还需要对其宽度和高度进行测量。由于亚跨声速范围内的支架干扰会向上游传播，通过静压排架直接测量流场边界的方式始终无法避免支架前传干扰的影响，进而难以直接对流场均匀区范围作出判断。同时，受限于测量装置的移动测量范围的影响，实际测量时，通常仅需要测量满足试验需求的射流均匀区，不需要对全射流流场进行测量。若喷管出口为正方形，正方形边长为a，满足试验要求所需的射流流场高度和宽度通常为0.5a~0.7a，长度通常为1.2a~1.5a，也就是说，对于高速射流风洞，必需要测量此范围内的射流均匀区流场，并判断流场均匀区的边界。

随着航空航天飞行器的发展需要，具备高速自由射流风洞亚跨声速大范围均匀区流场测试能力已十分紧迫，亟需发展一种获取高速自由射流风洞亚跨声速流场均匀区边界试验方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种获取高速自由射流风洞亚跨声速流场均匀区边界试验方法。

本发明的获取高速自由射流风洞亚跨声速流场均匀区边界试验方法，获得流场均匀区在XOY平面的边界包括以下步骤：

S01.竖直安装一字型的静压排架；

在高速自由射流风洞的移测机构上，安装竖直方向即Y向的一字型的静压排架，坐标原点O位于高速自由射流风洞的中心轴线与高速自由射流风洞喷管出口截面相交的点上，OX轴位于中心轴线上，沿气流方向向前为正X方向，Y轴竖直向上，Z轴符合右手定则；静压排架上各测点i从上至下顺序标号为N_i，根据各测点N_i距离高速自由射流风洞的喷管中心轴线的垂直距离确定各测点N_i在Y方向坐标；

S02.建立高速自由射流风洞的稳定流场；

按照流场名义马赫数M_t，启动高速自由射流风洞，建立高速自由射流风洞的稳定流场；

S03.运行移测机构采集数据；

移测机构驱动一字型的静压排架沿X向移动，从流场均匀区的测量起始位置逐步移动至测量终点位置，移测步长Δx，总移测截面数为j，移测总距离为L=（j-1）×Δx；为避免测压排架的移动对流场造成的干扰，每个移测截面到位后，延时t秒采集流场数据；采集完成后，关闭高速自由射流风洞；

S04.建立测点坐标矩阵；

将测量起始位置截面记为第1个移测截面，顺气流方向即沿X向，将移测截面依次排序，第k个移测截面的编号为k，k=1,2…j，横坐标位置为L_k，横坐标值为L_k=（k-1）×Δx；一字型的静压排架的N_i测点移动至第k个移测截面时，所测得的静压值为P_i,k，纵坐标值为N_a，所处的位置坐标为（L_k，N_a）；

S05.计算各测点位置处受扰动影响的马赫数；

按照以下公式计算各测点位置处受扰动影响的M_i,k：

其中：P ₀－稳定段总压，Pa；

P _i,k－静压排架第Ni测点在第k个移测截面测得的静压，Pa；

M _i,k －静压排架第Ni测点在第k个移测截面计算得到的受扰动影响的马赫数；

S06.计算各测点位置处的马赫数差量矩阵；

计算各测点位置处受扰动影响的M_i,k与对应的喷管出口截面的测点位置M_i,1的差量ΔM_i,k，ΔM_i,k=M_i,k –M_i,1，将ΔM_i,k值与其对应的位置坐标（L_k ，N_a）组成流场马赫数差量矩阵[L,N, ΔM]；

S07.进行流场马赫数差量矩阵插值；

通过插值进一步细化流场，提高边界位置判断准确性；对流场马赫数差量矩阵[L,N, ΔM]进行插值，插值方法选用样条插值或者平滑插值等方式；

S08.判断各测点位置是否超出流场均匀区的边界；

高速自由射流风洞的射流主流与周围气体参混形成边界层，根据边界层理论，将边界层边界条件定义为与主流速度比值的99%处，即假设主流速度为u，边界层边界速度为u₁，在u₁/u=0.99的位置，为主流与边界层的界面；在流场均匀区内，各测点位置的马赫数差量ΔM_i,k应当满足：|ΔM_i,k/M_t|≤1%；

当|ΔM_i,k/M_t|＞1%时，判定该测点位置超出了流场均匀区范围；

S09.确定流场均匀区的边界坐标点；

对于流场马赫数差量矩阵[L,N, ΔM]，假设第i测点所在移测方向上第一次出现|ΔM_i,k/M_t|＞1%的位置在第k个移测截面，将该测点所在的第k-1个移测截面的位置坐标定义为为均匀区边界点Bi（L_k-1，N_i），找到所有的B_i点；

S10.确定XOY平面流场均匀区的边界；

采用直线或者样条曲线沿X向依次连接喷管中心轴线上方的所有B_i点，再采用直线或者样条曲线沿X向依次连接喷管中心轴线下方的所有B_i点，形成上方连续曲线和下方连续曲线，用线性外插的方式分别确定上方连续曲线与最后截面的交点，以及下方连续曲线与最后截面的交点，得到流场均匀区在XOY平面的边界。

进一步地，获得流场均匀区在XOZ平面的边界包括以下步骤：

首先利用移测机构将静压排架移动至起始位置截面，再将静压排架绕X轴旋转90°，使得静压排架处于高速自由射流风洞的中心轴线的水平平面上，沿用静压排架上各测点i的顺序标号N_i，根据各测点N_i距离高速自由射流风洞的喷管中心轴线的水平距离确定各测点N_i在X方向坐标；最后重复步骤S02~S10，得到XOZ平面流场均匀区的边界。

进一步地，获得流场均匀区在静压排架所在平面内的流场边界包括以下步骤：

首先利用移测机构将静压排架移动至起始位置截面，再将静压排架绕X轴旋转至预先设定的角度，沿用静压排架上各测点i的顺序标号N_i，根据各测点N_i距离高速自由射流风洞的喷管中心轴线的水平距离确定各测点N_i在X方向坐标，根据各测点N_i距离高速自由射流风洞的喷管中心轴线的垂直距离确定各测点N_i在Y方向坐标；最后重复步骤S02~S10，得到静压排架所在平面内的流场边界。

本发明的获取高速自由射流风洞亚跨声速流场均匀区边界试验方法是一种在无法避免支架干扰的条件下，获取高速自由射流风洞亚跨声速射流均匀区边界的方法。本发明的获取高速自由射流风洞亚跨声速流场均匀区边界试验方法适用于高速自由射流风洞名义马赫数小于1.2的亚跨声速速域范围，在高速自由射流风洞核心流场流校测完成后开展。在高速自由射流风洞亚跨声速情况下，静压排架测量的各测点处的静压值包括了静压排架的干扰压力前传而产生的扰动量，即堵塞扰动产生的干扰量。由于静压排架对各测点的堵塞扰动干扰量是固定的，可以利用等熵关系式计算得到各测点的马赫数，再根据各测点的马赫数差量比例确定射流均匀区边界。

本发明的获取高速自由射流风洞亚跨声速流场均匀区边界试验方法能够克服静压排架堵塞扰动干扰量影响，快速确定亚跨声速射流均匀区边界，具有简便、高效的优点。

附图说明

图1为本发明的获取高速自由射流风洞亚跨声速流场均匀区边界试验方法的流程图；

图2为实施例1使用的移测装置示意图；

图3为实施例1获得的流场均匀区。

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

本实施例用于喷管出口直径为2000mm×2000mm的高速自由射流风洞，测量马赫数0.8在XOY平面的均匀区边界。

如图2所示，一字型的静压排架竖直安装在喷管出口，喷管边长a=2000mm；静压排架总计33个静压测点，处于中心位置的静压测点安装在高速自由射流风洞的中心轴线上，每个测点竖直间隔50mm，可以测出在Y方向±800mm高度的流场区域（0.8a）。高速自由射流风洞的移测机构总计移测范围L=3000mm（1.5a），从喷管出口开始，共计测量16个排面，每个排面间隔Δx=200mm。如图1所示，具体实施过程如下：

S01.竖直安装一字型的静压排架；

将一字型的静压排架通过移测机构竖直安装在喷管出口，各测点i的编号从上至下依次编为N1~N33，各测点i距离高速自由射流风洞的喷管中心轴线的Y方向坐标为Na，单位mm，具体见表1：

S02.建立高速自由射流风洞的流场均匀区；

按照流场名义马赫数M_t=0.8，启动高速自由射流风洞，建立高速自由射流风洞的流场均匀区；

S03.运行移测机构采集数据；

移测机构驱动一字型的静压排架沿X向移动，从喷管出口截面移动测量至距离喷管出口截面3000mm的位置，移测步长Δx=200mm，总移测截面数为16，移测总距离为L=（16-1）×200=3000mm；为避免测压排架的移动对流场造成的干扰，每个移截面到位后，延时t=3s采集流场数据；采集完成后，关闭高速自由射流风洞；

S04.建立测点坐标矩阵；

将喷管出口截面记为第1个移测截面，顺气流方向即沿X向，将移测阶梯依次排序，第k个移测截面的编号为k，k=1,2…16，横坐标位置为L_k，横坐标值为L_k=（k-1）×200；一字型的静压排架的第i个测点移动至第k个移测截面时，所测得的静压值为P_i,k，纵坐标值为N_a，所处的位置坐标为（L_k ，N_a）；各截面的横坐标值见表2；

S05.计算各测点位置处受扰动影响的马赫数；

按照以下公式计算各测点位置处受扰动影响的M_i,k：

其中：P ₀－稳定段总压，Pa；

P _i,k－静压排架第Ni测点在第k个移测截面测得的静压，Pa；

M _i,k －静压排架第Ni测点在第k个移测截面计算得到的受扰动影响的马赫数；

获得的马赫数矩阵见表3；

由表3可见，当流场名义马赫数M_t稳定在0.8时，由于支架干扰影响，其实际测量值与真实的流场参数不一致；

S06.计算各测点位置处的马赫数差量矩阵；

计算各测点位置处受扰动影响的M_i,k与对应的喷管出口截面的测点位置M_i,1的差量ΔM_i,k，ΔM_i,k=M_i,k –M_i,1，将ΔM_i,k值与其对应的位置坐标（L_k ，N_a）组成流场马赫数差量矩阵[L,N, ΔM]；表4为各测点与第1个移测截面对应测点的马赫数差量矩阵；

S07.进行流场马赫数差量矩阵插值；

由于本实施例各测点及移测截面的间距较大，需进一步细化流场，以提高边界位置判断准确性；采用三次样条插值方式对流场马赫数差量矩阵[L,N, ΔM]进行插值，插值点数在X方向为100个点，在Y方向为60个点，相应的L_k中的k取值范围为1~100，N_i中的i取值范围为1~60，由于本实施例中的样条插值数据量较大，在此不一一列出；

S08.判断各测点位置是否超出流场均匀区的边界；

根据判据|ΔM_i,k/M_t|＞1%，寻找各插值测点在X方向首次出现＞1%的位置坐标，在高速自由射流风洞的中心轴线上方，找到了3点，分别是（L83，N1）=（2484.85,800），（L97，N2）=（2909.1,772.88），（L100，N3）=（3000，745.76）；在高速自由射流风洞的中心轴线下方，找到了2点，分别是（L79，N60）=（2363.64，-800），（L99，N59）=（2969.7，-772.9）；

S09.确定流场均匀区的边界坐标点；

对于流场马赫数差量矩阵[L,N, ΔM]，假设第i测点所在移测方向上第一次出现|ΔM_i,k/M_t|＞1%的位置在第k个移测截面，将该测点所在的第k-1个移测截面的位置坐标确定为均匀区边界点Bi（L_k-1，N_i），找到所有的B_i点；本实施例的B_i点如下：

在高速自由射流风洞的中心轴线上方，对应有3点，分别是B1=（L82，N1）=（2454.55，800），B2=（L96，N2）=（2878.8，772.88），B3=（L99，N3）=（2969.7，745.76）；在高速自由射流风洞的中心轴线下方，对应有2点，分别是B4=（L78，N60）=（2333.3，-800），B5=（L98，N59）=（2939.4，-772.9）；

S10.确定XOY平面流场均匀区的边界；

采用直线分别连接B1~B3和B4~B5，并各自外插到与第16个移测截面相交，即得到如图3所示的流场均匀区在XOY平面的边界。从图3可知，在距离喷管出口1.5a（a=2000mm）范围内，射流均匀区高度达到0.75a，满足开展试验需求。

本实施例可以利用移测机构将静压排架移动至喷管出口截面，再将静压排架绕X轴旋转90°，使得静压排架处于高速自由射流风洞的中心轴线的水平平面上，沿用静压排架上各测点i的顺序标号N_i，根据各测点N_i距离高速自由射流风洞的喷管中心轴线的水平距离确定各测点N_i在X方向坐标；最后重复步骤S02~S10，得到XOZ平面流场均匀区的边界。

本实施例可以利用移测机构将静压排架移动至喷管出口截面，再将静压排架绕X轴旋转至预先设定的角度，沿用静压排架上各测点i的顺序标号N_i，根据各测点N_i距离高速自由射流风洞的喷管中心轴线的水平距离确定各测点N_i在X方向坐标，根据各测点N_i距离高速自由射流风洞的喷管中心轴线的垂直距离确定各测点N_i在Y方向坐标；最后重复步骤S02~S10，得到静压排架所在平面内的流场边界。

由于本实施例是矩形喷管，而矩形喷管流场具有对称性，通过测量XOY平面流场均匀区的边界和XOZ平面流场均匀区的边界就能够实现试验测试需求。

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.获取高速自由射流风洞亚跨声速流场均匀区边界试验方法，其特征在于，获得流场均匀区在XOY平面的边界包括以下步骤：

S01.竖直安装一字型的静压排架；

在高速自由射流风洞的移测机构上，安装竖直方向即Y向的一字型的静压排架，坐标原点O位于高速自由射流风洞的中心轴线与高速自由射流风洞喷管出口截面相交的点上，OX轴位于中心轴线上，沿气流方向向前为正X方向，Y轴竖直向上，Z轴符合右手定则；静压排架上各测点i从上至下顺序标号为N_i，根据各测点N_i距离高速自由射流风洞的喷管中心轴线的垂直距离确定各测点N_i在Y方向坐标；

S02.建立高速自由射流风洞的稳定流场；

按照流场名义马赫数M_t，启动高速自由射流风洞，建立高速自由射流风洞的稳定流场；

S03.运行移测机构采集数据；

移测机构驱动一字型的静压排架沿X向移动，从流场均匀区的测量起始位置逐步移动至测量终点位置，移测步长Δx，总移测截面数为j，移测总距离为L=（j-1）×Δx；为避免测压排架的移动对流场造成的干扰，每个移测截面到位后，延时t秒采集流场数据；采集完成后，关闭高速自由射流风洞；

S04.建立测点坐标矩阵；

将测量起始位置截面记为第1个移测截面，顺气流方向即沿X向，将移测截面依次排序，第k个移测截面的编号为k，k=1,2…j，横坐标位置为L_k，横坐标值为L_k=（k-1）×Δx；一字型的静压排架的N_i测点移动至第k个移测截面时，所测得的静压值为P_i,k，纵坐标值为N_a，所处的位置坐标为（L_k，N_a）；

S05.计算各测点位置处受扰动影响的马赫数；

按照以下公式计算各测点位置处受扰动影响的M_i,k：

其中：P ₀－稳定段总压，Pa；

P _i,k－静压排架第Ni测点在第k个移测截面测得的静压，Pa；

M _i,k －静压排架第Ni测点在第k个移测截面计算得到的受扰动影响的马赫数；

S06.计算各测点位置处的马赫数差量矩阵；

计算各测点位置处受扰动影响的M_i,k与对应的喷管出口截面的测点位置M_i,1的差量ΔM_i,k，ΔM_i,k=M_i,k –M_i,1，将ΔM_i,k值与其对应的位置坐标（L_k ，N_a）组成流场马赫数差量矩阵[L,N, ΔM]；

S07.进行流场马赫数差量矩阵插值；

通过插值进一步细化流场，提高边界位置判断准确性；对流场马赫数差量矩阵[L,N,ΔM]进行插值，插值方法选用样条插值或者平滑插值等方式；

S08.判断各测点位置是否超出流场均匀区的边界；

高速自由射流风洞的射流主流与周围气体参混形成边界层，根据边界层理论，将边界层边界条件定义为与主流速度比值的99%处，即假设主流速度为u，边界层边界速度为u₁，在u₁/u=0.99的位置，为主流与边界层的界面；在流场均匀区内，各测点位置的马赫数差量ΔM_i,k应当满足：|ΔM_i,k/M_t|≤1%；

当|ΔM_i,k/M_t|＞1%时，判定该测点位置超出了流场均匀区范围；

S09.确定流场均匀区的边界坐标点；

对于流场马赫数差量矩阵[L,N, ΔM]，假设第i测点所在移测方向上第一次出现|ΔM_i,k/M_t|＞1%的位置在第k个移测截面，将该测点所在的第k-1个移测截面的位置坐标定义为为均匀区边界点Bi（L_k-1，N_i），找到所有的B_i点；

S10.确定XOY平面流场均匀区的边界；

采用直线或者样条曲线沿X向依次连接喷管中心轴线上方的所有B_i点，再采用直线或者样条曲线沿X向依次连接喷管中心轴线下方的所有B_i点，形成上方连续曲线和下方连续曲线，用线性外插的方式分别确定上方连续曲线与最后截面的交点，以及下方连续曲线与最后截面的交点，得到流场均匀区在XOY平面的边界。

2.根据权利要求1所述的获取高速自由射流风洞亚跨声速流场均匀区边界试验方法，其特征在于，获得流场均匀区在XOZ平面的边界包括以下步骤：

首先利用移测机构将静压排架移动至起始位置截面，再将静压排架绕X轴旋转90°，使得静压排架处于高速自由射流风洞的中心轴线的水平平面上，沿用静压排架上各测点i的顺序标号N_i，根据各测点N_i距离高速自由射流风洞的喷管中心轴线的水平距离确定各测点N_i在X方向坐标；最后重复步骤S02~S10，得到XOZ平面流场均匀区的边界。

3.根据权利要求1所述的获取高速自由射流风洞亚跨声速流场均匀区边界试验方法，其特征在于，获得流场均匀区在静压排架所在平面内的流场边界包括以下步骤：

首先利用移测机构将静压排架移动至起始位置截面，再将静压排架绕X轴旋转至预先设定的角度，沿用静压排架上各测点i的顺序标号N_i，根据各测点N_i距离高速自由射流风洞的喷管中心轴线的水平距离确定各测点N_i在X方向坐标，根据各测点N_i距离高速自由射流风洞的喷管中心轴线的垂直距离确定各测点N_i在Y方向坐标；最后重复步骤S02~S10，得到静压排架所在平面内的流场边界。

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