CN114894423B - 一种亚声速风洞可压缩流体声模态传播特性测量与分析方法 - Google Patents

一种亚声速风洞可压缩流体声模态传播特性测量与分析方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于试验空气动力学领域，公开了一种亚声速风洞可压缩流体声模态传播特性测量与分析方法。该方法包括以下步骤：在亚声速风洞中布置两根一维热线探针；进行亚声速风洞试验，获得两列离散电压信号；分别计算两列离散电压信号的输出电压脉动量；计算两列离散电压信号的互相关函数；计算两列离散电压信号的互相关系数；获得声模态传播特性；该方法基于热线风速仪，建立了声模态传播特性的分析方法，为亚声速风洞中精确定位声模态扰动源，采取措施削弱声模态强度，提高风洞试验结果精度奠定了基础。

Description

一种亚声速风洞可压缩流体声模态传播特性测量与分析方法
技术领域
本发明属于试验空气动力学领域，具体涉及一种亚声速风洞可压缩流体声模态传播特性测量与分析方法。
背景技术
众所周知，风洞试验段模型区的核心流区域是经过整流装置整流后的风洞中流场品质最好的区域，尽管如此，进入风洞试验段的自由来流仍然具有非定常特性。风洞自由来流扰动会对风洞试验结果的精度产生影响，致使风洞试验结果产生误差，风洞试验结果误差对于飞行器设计而言即意味着升力、阻力系数等气动参数存在设计误差，进而会导致飞行器载重量存在估算误差，严重制约了飞行器的经济性与安全性。
风洞自由来流扰动是由三种基本扰动模态叠加构成的，分别为：声模态、涡模态及熵模态，且三种扰动模态的构成成分不尽相同。声模态是由等熵状态下的压力脉动、密度脉动、温度脉动及无旋速度脉动构成的；涡模态是由有旋速度脉动构成的；熵模态是由定压状态下的熵脉动、密度脉动与温度脉动构成的。由于三种扰动模态的构成成分不同，其产生机制也不尽相同。一般来说，湍流边界层是声模态的主要来源，风洞中的蜂窝器与阻尼网等是涡模态的主要来源，流场中的非均匀温度场是熵模态的主要来源。
对于亚声速风洞可压缩流体，可以认为是一维等熵流动，由等熵关系式可知熵模态为零，故亚声速风洞可压缩风洞自由来流扰动为声模态与涡模态两种扰动模态构成；而对于以亚声速飞行的真实飞行器，大气自由来流扰动仅存在涡模态一种形式。因此，为了保证风洞试验数据能够高保真反映真实飞行过程中飞行器气动特性，必须要尽可能降低风洞中声模态的量值，从而保证风洞自由来流与大气自由来流高度相似。而要想降低亚声速风洞可压缩风洞自由来流扰动中声模态的量值，首先要测量并掌握声模态在风洞中的传播特性，在此基础上对声模态在风洞中的扰动源进行精确定位，进而根据扰动源类型采取相应措施来削弱声模态。
目前，亚声速风洞可压缩流速域在众多客机、军用运输机、远程战略轰炸机、预警机及加油机等先进大型飞机的气动力评估及气动外形精细化设计中发挥了重要作用，但正是由于声模态的存在导致风洞自由来流与大气自由来流扰动模态不完全相同，进而导致风洞试验结果精度无法得到精确量化。因此，亟需发展一种亚声速风洞可压缩流体声模态传播特性测量与分析方法。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种亚声速风洞可压缩流体声模态传播特性测量与分析方法。
本发明的亚声速风洞可压缩流体声模态传播特性测量与分析方法，包括以下步骤：
a.在亚声速风洞中布置两根一维热线探针；
将编号为1号热线探针、2号热线探针的两根一维热线探针分别安装在两根支杆上，两根支杆分别固定在两个夹持机构上，两个夹持机构分别安装在亚声速风洞试验段中，再将1号热线探针、2号热线探针分别连接热线风速仪；
1号热线探针位于亚声速风洞流场下游，2号热线探针位于亚声速风洞流场上游，1号热线探针、2号热线探针测点所在的空间位置，在流向方向的距离大于等于风洞试验段特征尺度，在法向方向错位分布；
b.进行亚声速风洞试验，获得两列离散电压信号；
开启亚声速风洞，在预先设定的来流马赫数M和热线风速仪采样频率下，对亚声速风洞试验段流场进行测量，热线风速仪同时输出两组、每组一个序列、各序列中的离散电压信号总数相同的序列E1(i)和序列E2(i)，其中，序列E1(i)对应1号热线探针，序列E2(i)对应2号热线探针，i为离散电压信号在序列中的序数，i＝1,2,……,m，m为序列中的离散电压信号总数；
c.分别计算两列离散电压信号的输出电压脉动量；
分别计算1号热线探针的输出电压脉动量x(i)和2号热线探针的输出电压脉动量y(i)：
Figure BDA0003704285970000031
Figure BDA0003704285970000032
d.计算两列输出电压脉动量的互相关函数；
计算1号热线探针的输出电压脉动量x(i)和2号热线探针的输出电压脉动量y(i)的互相关函数Cxy(h)：
Cxy(h)＝E[x(i)y(i+h)]；
式中，自变量h为两个序列的序数移动值，算子E为均值算子；
e.计算两列输出电压脉动量的互相关系数；
计算1号热线探针的输出电压脉动量x(i)和2号热线探针的输出电压脉动量y(i)的互相关系数Cor(h)：
Figure BDA0003704285970000033
f.获得声模态传播特性；
通过分析1号热线探针、2号热线探针的空间位置、互相关系数Cor(h)最大值对应的序数移动值hmax及热线风速仪采样频率，得到声模态的传播速度和传播方向。
进一步地，所述的步骤f中的声模态传播特性的分析方法如下：
f1.亚声速风洞可压缩流动为等熵流动，熵模态为0，则1号热线探针的输出电压脉动量x(i)和2号热线探针的输出电压脉动量y(i)均由声模态和涡模态构成，即：
x(i)＝xP(i)+xω(i)i＝1,2,…,m；
y(i)＝yP(i)+yω(i)i＝1,2,…,m；
式中，下角标P代表声模态分量，下角标ω代表涡模态分量；
f2.包含声模态分量、涡模态分量的互相关函数Cxy(h)为：
Figure BDA0003704285970000041
f3.亚声速风洞中涡的最大特征尺度与风洞试验段特征尺度一致，1号热线探针、2号热线探针在流向方向的距离大于等于风洞试验段特征尺度，在同一时刻进行测量时，1号热线探针、2号热线探针位于不同的涡结构中，感受到的涡模态导致的流场脉动不相关，即：
Figure BDA0003704285970000042
由于造成声模态与涡模态产生的流动现象及结构不同，声模态与涡模态导致的流场脉动不相关，即：
Figure BDA0003704285970000043
Figure BDA0003704285970000051
f4.互相关函数Cxy(h)简化为声模态分量的互相关函数Cxy(h)，即：
Figure BDA0003704285970000052
互相关系数Cor(h)简化为声模态分量的互相关系数Cor(h)，即：
Figure BDA0003704285970000053
当互相关系数Cor(h)取得最大值时，两个序列x(i)与y(i)中声模态分量的相关性最强，互相关系数Cor(h)最大值对应的序数移动值hmax为与声模态传播特性相关的物理量，通过分析1号热线探针、2号热线探针的空间位置、互相关系数Cor(h)最大值对应的序数移动值hmax及热线风速仪采样频率，得到声模态的传播速度和传播方向。
本发明的亚声速风洞可压缩流体声模态传播特性测量与分析方法将两根一维热线探针布置在亚声速风洞并做好数据采集准备；再通过热线风速仪对亚声速风洞试验段中流向、法向存在一定距离的两根一维热线探针的测点进行同步测量，获得两列离散电压信号；分别计算两列离散电压信号的输出电压脉动量，再计算两列离散电压信号的互相关函数和互相关系数，最后分析获得声模态传播特性。
本发明的亚声速风洞可压缩流体声模态传播特性测量与分析方法基于热线风速仪，建立了声模态传播特性的分析方法，为亚声速风洞中精确定位声模态扰动源，采取措施削弱声模态强度，提高风洞试验结果精度奠定了基础。
附图说明
图1为实施例1中的两根一维热线探针的测点相对位置示意图；
图2为实施例1的亚声速风洞可压缩流体声模态传播特性测量与分析方法的流程图；
图3为实施例1中的获得的互相关系数分布图(M＝0.603)。
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，本实施例的亚声速风洞为亚声速射流风洞，喷管直径为60mm，喷管的中心轴线为水平中心轴线；1号热线探针在亚声速射流流场的下游，距离喷管出口75mm，位于喷管水平中心轴线的下方，与喷管水平中心轴线的垂直距离为15mm；2号热线探针在亚声速射流流场的上游，距离喷管出口15mm，位于喷管水平中心轴线的上方，与喷管水平中心轴线的垂直距离为15mm；即1号热线探针、2号热线探针之间的流向距离Δd＝60mm，法向距离为30mm。
亚声速射流风洞的来流马赫数M＝0.603，热线风速仪采样频率为40kHz，采样时间间隔为Δth＝0.025ms；
如图2所示，本实施例的亚声速风洞可压缩流体声模态传播特性测量与分析方法包括以下步骤：
a.在亚声速风洞中布置两根一维热线探针；
将编号为1号热线探针、2号热线探针的两根一维热线探针分别安装在两根支杆上，两根支杆分别固定在两个夹持机构上，两个夹持机构分别安装在亚声速风洞试验段中，再将1号热线探针、2号热线探针分别连接热线风速仪；
1号热线探针位于亚声速风洞流场下游，2号热线探针位于亚声速风洞流场上游，1号热线探针、2号热线探针测点所在的空间位置，在流向方向的距离大于等于风洞试验段特征尺度，在法向方向错位分布；
b.进行亚声速风洞试验，获得两列离散电压信号；
开启亚声速风洞，在预先设定的来流马赫数M和热线风速仪采样频率下，对亚声速风洞试验段流场进行测量，热线风速仪同时输出两组、每组一个序列、各序列中的离散电压信号总数相同的序列E1(i)和序列E2(i)，其中，序列E1(i)对应1号热线探针，序列E2(i)对应2号热线探针，i为离散电压信号在序列中的序数，i＝1,2,……,m，m为序列中的离散电压信号总数；
c.分别计算两列离散电压信号的输出电压脉动量；
分别计算1号热线探针的输出电压脉动量x(i)和2号热线探针的输出电压脉动量y(i)：
Figure BDA0003704285970000071
Figure BDA0003704285970000072
d.计算两列输出电压脉动量的互相关函数；
计算1号热线探针的输出电压脉动量x(i)和2号热线探针的输出电压脉动量y(i)的互相关函数Cxy(h)：
Cxy(h)＝E[x(i)y(i+h)]；
式中，自变量h为两个序列的序数移动值，算子E为均值算子；
e.计算两列输出电压脉动量的互相关系数；
计算1号热线探针的输出电压脉动量x(i)和2号热线探针的输出电压脉动量y(i)的互相关系数Cor(h)：
Figure BDA0003704285970000081
本实施例的互相关系数求解结果见图3；
f.获得声模态传播特性；
f1.因为亚声速风洞可压缩流动为等熵流动，熵模态为0，所以，1号热线探针的输出电压脉动量x(i)和2号热线探针的输出电压脉动量y(i)均由声模态和涡模态构成，即：
x(i)＝xP(i)+xω(i)i＝1,2,…,m；
y(i)＝yP(i)+yω(i)i＝1,2,…,m；
式中，下角标P代表声模态分量，下角标ω代表涡模态分量；
f2.包含声模态分量、涡模态分量的互相关函数Cxy(h)为：
Figure BDA0003704285970000082
f3.亚声速风洞中涡的最大特征尺度与风洞试验段特征尺度一致，1号热线探针、2号热线探针在流向方向的距离大于等于风洞试验段特征尺度，在同一时刻进行测量时，1号热线探针、2号热线探针位于不同的涡结构中，感受到的涡模态导致的流场脉动不相关，即：
Figure BDA0003704285970000083
因为声模态是由等熵状态下的压力脉动、密度脉动、温度脉动及无旋速度脉动构成的；涡模态是由有旋速度脉动构成的；产生声模态与涡模态的流动现象及结构不同，所以声模态与涡模态的流场脉动不相关，即：
Figure BDA0003704285970000084
Figure BDA0003704285970000091
f4.互相关函数Cxy(h)简化为声模态分量的互相关函数Cxy(h)，即：
Figure BDA0003704285970000092
互相关系数Cor(h)简化为声模态分量的互相关系数Cor(h)，即：
Figure BDA0003704285970000093
当互相关系数Cor(h)取得最大值时，两个序列x(i)与y(i)中声模态分量的相关性最强，互相关系数Cor(h)最大值对应的序数移动值hmax≈7，因为hmax≈7>0，1号热线探针在2号热线探针的下游，可知声模态导致的流场脉动先作用于1号探针，后作用于2号探针，即声模态在流场中的传播方向是从下游向上游传播的，声模态传播速度v如下：
Figure BDA0003704285970000094
可知，声模态是以声速在流场中从下游向上游传播的。据此结果在亚声速射流风洞中精确定位声模态扰动源，采取措施削弱声模态强度，进而提高亚声速射流风洞的试验结果精度。

Claims (2)

1.一种亚声速风洞可压缩流体声模态传播特性测量与分析方法，其特征在于，所述的声模态传播特性测量与分析方法包括以下步骤：
a.在亚声速风洞中布置两根一维热线探针；
将编号为1号热线探针、2号热线探针的两根一维热线探针分别安装在两根支杆上，两根支杆分别固定在两个夹持机构上，两个夹持机构分别安装在亚声速风洞试验段中，再将1号热线探针、2号热线探针分别连接热线风速仪；
1号热线探针位于亚声速风洞流场下游，2号热线探针位于亚声速风洞流场上游，1号热线探针、2号热线探针测点所在的空间位置，在流向方向的距离大于等于风洞试验段特征尺度，在法向方向错位分布；
b.进行亚声速风洞试验，获得两列离散电压信号；
开启亚声速风洞，在预先设定的来流马赫数M和热线风速仪采样频率下，对亚声速风洞试验段流场进行测量，热线风速仪同时输出两组、每组一个序列、各序列中的离散电压信号总数相同的序列E1(i)和序列E2(i)，其中，序列E1(i)对应1号热线探针，序列E2(i)对应2号热线探针，i为离散电压信号在序列中的序数，i＝1,2,……,m，m为序列中的离散电压信号总数；
c.分别计算两列离散电压信号的输出电压脉动量；
分别计算1号热线探针的输出电压脉动量x(i)和2号热线探针的输出电压脉动量y(i)：
Figure FDA0003704285960000011
Figure FDA0003704285960000012
d.计算两列输出电压脉动量的互相关函数；
计算1号热线探针的输出电压脉动量x(i)和2号热线探针的输出电压脉动量y(i)的互相关函数Cxy(h)：
Cxy(h)＝E[x(i)y(i+h)]；
式中，自变量h为两个序列的序数移动值，算子E为均值算子；
e.计算两列输出电压脉动量的互相关系数；
计算1号热线探针的输出电压脉动量x(i)和2号热线探针的输出电压脉动量y(i)的互相关系数Cor(h)：
Figure FDA0003704285960000021
f.获得声模态传播特性；
通过分析1号热线探针、2号热线探针的空间位置、互相关系数Cor(h)最大值对应的序数移动值hmax及热线风速仪采样频率，得到声模态的传播速度和传播方向。
2.根据权利要求1所述的亚声速风洞可压缩流体声模态传播特性测量与分析方法，其特征在于，所述的步骤f中的声模态传播特性的分析方法如下：
f1.亚声速风洞可压缩流动为等熵流动，熵模态为0，则1号热线探针的输出电压脉动量x(i)和2号热线探针的输出电压脉动量y(i)均由声模态和涡模态构成，即：
x(i)＝xP(i)+xω(i)i＝1,2,…,m；
y(i)＝yP(i)+yω(i)i＝1,2,…,m；
式中，下角标P代表声模态分量，下角标ω代表涡模态分量；
f2.包含声模态分量、涡模态分量的互相关函数Cxy(h)为：
Figure FDA0003704285960000031
f3.亚声速风洞中涡的最大特征尺度与风洞试验段特征尺度一致，1号热线探针、2号热线探针在流向方向的距离大于等于风洞试验段特征尺度，在同一时刻进行测量时，1号热线探针、2号热线探针位于不同的涡结构中，感受到的涡模态导致的流场脉动不相关，即：
Figure FDA0003704285960000032
由于造成声模态与涡模态产生的流动现象及结构不同，声模态与涡模态导致的流场脉动不相关，即：
Figure FDA0003704285960000033
Figure FDA0003704285960000034
f4.互相关函数Cxy(h)简化为声模态分量的互相关函数Cxy(h)，即：
Figure FDA0003704285960000035
互相关系数Cor(h)简化为声模态分量的互相关系数Cor(h)，即：
Figure FDA0003704285960000036
当互相关系数Cor(h)取得最大值时，两个序列x(i)与y(i)中声模态分量的相关性最强，互相关系数Cor(h)最大值对应的序数移动值hmax为与声模态传播特性相关的物理量，通过1号热线探针、2号热线探针的空间位置、互相关系数Cor(h)最大值对应的序数移动值hmax及热线风速仪采样频率，得到声模态的传播速度和传播方向。
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