CN115408960A - 一种参数化处理五孔探针数据的方法 - Google Patents

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张文渔
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Abstract

本发明公开了一种参数化处理五孔探针数据的方法，其包括：步骤1、获取五孔探针各孔测点对应的压力值即五孔探针压力值；步骤2、对所述五孔探针压力值进行拟合处理获取对应的五孔探针拟合压力值，并建立校准系数拟合方程组；步骤3、基于五孔探针拟合压力值获取对应的角度系数；步骤4、基于所述校准系数拟合方程组，计算出各孔测点对应的气流角度、总压系数以及静压系数；步骤5、计算算出各孔测点对应的流场参数，所述流场参数至少包括总压值、静压值、马赫数以及速度参数。本发明能够在降低五孔探针加工精度的基础上进一步提升五孔探针的计算速度。

Description

一种参数化处理五孔探针数据的方法
技术领域
本发明涉及多孔气动探针数据处理技术领域，特别涉及一种参数化处理五孔探针数据的方法。
背景技术
航空发动机不仅是人类航空器飞行的动力，也是推动航空事业发展的推力，被称为飞机的心脏。航空发动机技术的提高促进着人类航空史上每一次重要的变革。它对我国的经济、国防意义重大。在当今流场测试手段日趋丰富、成熟的环境下，很多应用和实验环境都涉及流场测量，这就需要精确的仪器和方法测量流场参数。相比于其他测试方法，气动探针有着方便耐用，对试验环境要求低等优点，此外最重要是气动探针可以测量得到测点的压力值。气动探针可分为三孔探针、五孔探针、七孔探针等类型。其中三孔探针用于测量二维空间内的流动参数；五孔探针和七孔探针可用于测量三维流场中的气流参数，但由于七孔探针制造精度较高，校准数据点多，工作量大，因此五孔探针的使用频率最高。五孔探针常常作为一种简单、直接的测量工具，能准确测量流场中气流方向、速度、总压、静压等参数。但是五孔探针的计算精度取决于插值算法、校准结果以及探针的加工精度。
在相同的加工精度下，五孔探针的插值算法对计算精度有着较大的影响。五孔探针测量三维流场分为三种方法：对向测量法、半对向测量法、非对向测量法。
(1)对向测量法：比较直观，但是需要较多时间寻找1、3孔，4、5孔的压力平衡，实际测量较为复杂；
(2)半对向测量法：操作简单，只需要寻找一对压力孔的压力平衡，所需数据处理量较少，适合均匀流场测量；
(3)非对向测量法通过采集五个孔的压力值，对照该探针的校准数据，可以插值计算出测量点的俯仰角、偏航角、总压、静压，这种方法的使用最为普遍，数据处理量较大，需要较为准确的插值方法，实际测试系统借助计算机软件编程处理数据，有较快的测试速度。
在探针的制造过程中，每支探针的头部五孔并不严格对称，这就导致了每支探针的气动特性都不相同，工程中往往要求五孔探针在多个马赫数下使用，需要对各个马赫数分别进行标定，且标定结果只能在一定的马赫数变化范围内使用。且目前五孔探针广泛使用的插值算法是非对向双线性插值法，该方法的各个校准系数-角度系数K_α、K_β以及总静压校准系数C_Pt、C_Ps如方程(1)-(5)所示，利用非对向双线性插值法进行五孔探针计算时，首先会将校准文件导入，作为计算的标准，计算测点的流场参数时先利用五孔探针各孔压力值计算出K_α、K_β，通过双线性插值法在校准文件中插值出α与β角，接着利用α、β角在总压系数与静压系数中插值出总压、静压，利用总压静压可以换算出马赫数，有流场温度便可计算出来流速度。具体的计算过程如图2所示。
但是，上述现有技术均存在如下缺点：
1)由于目前五孔探针大多采用传统加工方式加工，这会导致探针的探头不会被加工成完全对称的形状，同时由于探针测压孔内部由于加工噪点的存在会使探针在校准时不同角度的压力值出现变化，如图3(a)～(e)所示，为某塔形五孔探针各个测压孔在0.3Ma校准时不同校准点所测得压力值分布示意图，图(a)～(e)分别表示五孔探针1～5号压力孔的有压力云图。从图中的等值线可以看出，在一些角度下等值线会发生较大偏移，究其原因是因为五孔探针在加工时的偏差所导致。这些坏点的出现，会使得五孔探针的校准曲线发生变形，严重时会使得校准曲线中出现凹四边形，这对于非对向线性插值法而言是致命的，轻则人为改变校准点的角度系数，重则重新加工五孔探针。如果人为改变校准点的角度系数，会导致该探针在所改变的校准点附近出现计算误差大的情况；如果重新加工五孔探针会浪费大量的人力物力。
2)目前五孔探针在计算时通常采用非对向线性插值法计算，该方法相对计算速度快，计算过程简单，但是在必须使用电脑的才能完成插值计算过程。对于一些只能采用嵌入式计算处理模块(PLC)的实验场所，目前通常只进行数据的采集，在实验结束后才能将所采集的数据进行后处理，不能在实验时实时显示流场参数，造成实验效率低。
发明内容
本发明提供一种参数化处理五孔探针数据的方法，以克服前述技术问题。
本发明的技术方案是：
一种参数化处理五孔探针数据的方法，其特征在于，包括：
步骤1、获取五孔探针各孔测点对应的压力值即五孔探针压力值；
步骤2、对所述五孔探针压力值进行拟合处理获取对应的五孔探针拟合压力值，并建立校准系数拟合方程组；
步骤3、基于五孔探针拟合压力值获取对应的角度系数，即α系数Kα、β系数Kβ；
步骤4、基于所述校准系数拟合方程组，计算出各孔测点对应的气流角度α与β、总压系数CPt以及静压系数CPs；
步骤5、计算算出各孔测点对应的流场参数，所述流场参数至少包括总压值、静压值、马赫数以及速度参数。
进一步的，步骤21、基于校准方程对五孔探针在校准风洞中进行校准，获得五孔探针在校准时，不同角度下各孔测点的压力值即P1-P5、角度值α、β以及获得对应的原始校准系数，所述原始校准系数包括原始角度系数和原始压力系数；
步骤22、对步骤21所获得压力系数与角度系数进行多项式拟合，对应的拟合方程为：
Y＝a0+a1n+a2n2+a3n3+…+aknk
其中a0，a1，a2，a3，…，ak为多项式系数；k为拟合阶数；n为校准系数Kα，Kβ，CPt,CPs；Y为与α、β对应的拟合函数取值；
步骤23、基于所述拟合方程获取在不同校准角度下的各孔测点的压力拟合值即P1n-P5n；
步骤24、基于所述压力拟合值计算拟合后所对应校准系数，并替换原始校准系数形成新的校准方程；
步骤25、基于所述校准方程，拟合校准系数与角度之间的关系式，建立校准系数拟合方程组。
进一步的，步骤21对应的校准方程表达式为如方程(1)-(5)所示：
Figure BDA0003856284930000041
Figure BDA0003856284930000042
Figure BDA0003856284930000043
Figure BDA0003856284930000044
Figure BDA0003856284930000045
其中Pi(i＝1、2、3、4、5)为五孔探针测得各压力孔的压力值，Pt表示总压，Ps代表静压。
进一步的，步骤25对应的校准系数拟合方程组表达式为如方程(6)-(9)所示：
Figure BDA0003856284930000051
Figure BDA0003856284930000052
Figure BDA0003856284930000053
CPs＝A'+B'α+C'β+D'α2+E'β2+F'β+G'α3+H'β3+I'αβ2+J'α2β (9)。
本发明有益效果：
本发明提出一种新型的基于多项式拟合以及参数化计算五孔探针测量数据的方法；具体而言：1)通过对在不同校准角度下的各孔压力值拟合，将五孔探针的加工坏点所导致的偏差，平均到每一个校准点上，一定程度上在保证计算精度的同时，以降低五孔探针对工精度的要求；
2)将原来的校准文件中的校准系数变为目前多项式(前述方程(6)、(7)、(8)、(9))的系数，在计算过程中利用这些系数可以更快的计算出流场参数，同时便于PCL编程，实现无电脑工作的环境下流场参数的实时计算显示。
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一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为现有五孔探针孔序示意图；
图2为现有非对向双线性插值法的计算流程步骤图；
图3(a)-(e)为探针在0.3Ma校准时不同校准角度下各孔压力值的分布云图；
图4(a)-(e)为探针在0.3Ma校准时拟合后不同校准角度下各孔压力值的分布云图；
图5为本发明所述参数化处理五孔探针数据计算流程简图；
图6为本发明所述参数化处理五孔探针数据计算具体流程示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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作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。
本发明提出一种新型五孔探针校准与计算方法即一种参数化处理五孔探针采集数据的方法，可在降低五孔探针加工精度的基础上提升五孔探针的计算速度。如图1-6，所述方法包括：
步骤1、获取五孔探针各孔测点对应的压力值即五孔探针压力值；
步骤2、对所述五孔探针压力值进行拟合处理获取对应的五孔探针拟合压力值，并建立校准系数拟合方程组；
步骤3、基于五孔探针拟合压力值获取对应的角度系数，即α系数Kα1、β系数Kβ1；
步骤4、基于所述校准系数拟合方程组，计算出各孔测点对应的气流角度α1与β1、总压系数CPt1以及静压系数CPs1；
步骤5、计算算出各孔测点对应的流场参数，所述流场参数至少包括总压值、静压值、马赫数以及速度参数。
本发明通过对五孔探针在校准时各测孔的压力值进行拟合使其光滑化以此来降低五孔探针对于探头加工精度的要求，通过对五孔探针校准点的角度系数和总静压系数以及校准点所对应的角度进行多元非线性拟合，得到一种只包含角度与角度系数以及总静压系数与角度所拟合方程(6)、(7)、(8)、(9)的系数，该系数可用于五孔探针测点的计算，以此来达到提升五孔探针计算速度的效果。同样根据五孔探针的各孔压力值以及调整后的校准文件，可以计算出测点的气流角度、总静压值、马赫数以及其他流场必须参数。
进一步的，步骤2：对所述五孔探针压力值进行拟合处理获取对应的五孔探针拟合压力值，并建立校准系数拟合方程组；
包括以下具体步骤：
步骤21、基于校准方程对五孔探针在校准风洞中进行校准，获得五孔探针在校准时，不同角度下各孔测点的压力值即P1-P5、角度值α、β以及获得对应的原始校准系数，所述原始校准系数包括原始角度系数和原始压力系数；优选的，对探针校准时的压力值拟合，获得对应的拟合方程后，通过插值出的压力值进行方程(1)～(5)的计算出Kα，Kβ，CPt,CPs这些校准系数，所述的插值过程即反向求出各个校准角度下的压力值的过程；
步骤22、对步骤21所获得压力值与角度值进行多项式拟合，对应的拟合方程为：
Y＝a0+a1n+a2n2+a3n3+…+aknk
其中a0，a1，a2，a3，…，ak为一元多项式系数；k为拟合阶数；n为校准系数Kα，Kβ，CPt,CPs；Y为与α、β对应的拟合函数取值；本发明通过对五孔探针在校准时各测孔的压力值进行拟合使其光滑化以此来降低五孔探针对于探头加工精度的要求，同时对压力值进行拟合时采用3次多项式拟合；
步骤23、基于所述拟合方程获取在不同校准角度下的各孔测点的压力拟合值即P1n-P5n；
步骤24、基于所述压力拟合值计算拟合后所对应校准系数，并替换原始校准系数形成新的校准方程；
步骤25、基于所述校准方程，拟合校准系数与角度之间的关系式，建立校准系数拟合方程组。
进一步的，步骤21对应的校准方程表达式为如方程(1)-(5)所示：
Figure BDA0003856284930000081
Figure BDA0003856284930000082
Figure BDA0003856284930000083
Figure BDA0003856284930000084
Figure BDA0003856284930000085
其中Pi(i＝1、2、3、4、5)为五孔探针测得各测点孔的压力值，Pt表示总压，Ps代表静压。
进一步的，步骤25对应的校准系数拟合方程组表达式为如方程(6)-(9)所示：
Figure BDA0003856284930000086
Figure BDA0003856284930000087
Figure BDA0003856284930000088
CPs＝A'+B'α+C'β+D'α2+E'β2+F'β+G'α3+H'β3+I'αβ2+J'α2β (9)。
其中，a、b、c、d、e、f、g、h、i、A、B、C、D、E、F、G、H、I、J、a＇、b＇、c＇、d＇、e＇、f＇、g＇、h＇、i＇、A＇、B＇、C＇、D＇、E＇、F＇、G＇、H＇、I＇、J＇为未知变量；所述通过非线性回归法计算出各个未知变量，即通过非线性回归法分别作为方程(6)～(9)的各个自变量与因变量，的拟合，确定各方程中未知变量，并以此变量作为新的校准文件-校准方程用于五孔探针的计算使用将这些变量作为新的校准文件，导入相应的计算软件中，根据五孔探针各个测压孔的压力测量值换算出(1)～(5)所示的Kα，Kβ，CPt,CPs接着根据方程(6)～(9)便可快速计算出测点所有流场参数。
其中，本发明中所提到的非线性回归采用最小二乘法，并利用Matlab内的回归函数进行实现，如以α为例，在计算时首先导入169个校准点的α值以及各个点所对应的Kα、Kβ，以此作为因变量与自变量按照公式(6)的形式进行非线性回归，由于数据点较多，回归方程的次数不高，对于Matlab而言，使用最小二乘法进行回归计算，可以很快得到所需参数。
综上所述，本发明首先在探针校准时通过对不同角度下不同测孔压力值拟合，将由于加工偏差所导致的校准点压力值偏移进行修正，把偏差平均化，从而使探针各孔压力值随角度变化更加均匀，为拟合角度与角度校准系数以及总静压校准系数与角度的关系做铺垫；其次，本发明提出一种新型计算方法，该方法在五孔探针校准后会通过方程(6)、(7)、(8)、(9)进行各个自变量与因变量的拟合，确定各方程中未知参数，并以此参数作为新的校准文件，导入计算软件进行系数更新中，用于五孔探针的计算使用；参见步骤3-5，计算时根据五孔探针的各孔压力值以及方程(1)、(2)、(3)，可以得到角度校准系数，接着通过校准文件中的方程(6)、(7)参数，计算出测点的气流角度，然后通过方程(8)、(9)可以得到总静压系数，并通过方程(4)、(5)反解出测点的总静压值，至此测点的流场参数基本都可以通过换算得到。本发明所提出的五孔探针参数化处理数据方法主要体现在五孔探针在校准风洞中完成校准后，需要进行相应的处理后，得到最终的用于计算的方程(6)～(9)系数以实现提高计算时本发明的计算速度。
另，改良版的K系数矩阵也可完成本发明所提出的计算方法。K系数矩阵是在校准时利用多项式拟合技术得到一个一列15行的K系数，在计算时通过该系数以及测点的压力值进行。但是由于该项技术要求探针的精度特别高，尤其在大角度下的多项式拟合会导致较大的偏差故该方法通常使用范围在±20°之内。由于更高的加工精度以及更小的测量角度使得该项技术的应用范围比较窄小。改良版的K系数在校准时会通过不同校准点角度压力值的拟合，这样会降低五孔探针由于加工坏点所导致的偏差，接着通过与K系数矩阵相同的校准方式可以得到这些系数。
另，本案所涉及到技术术语：
1)偏转角α，俯仰角β:在三维流场中，气流的流动方向有一个空间角度，为了方便本行业科研人员的研究，该空间角通常会被分解为两个角度即偏转角与俯仰角。偏转角是指该气流空间角在水平面上投影与x轴的夹角；俯仰角是指该气流空间角度与竖直平面的夹角即气流角与z轴夹角的余角。
2)五孔探针校准：本发明中所提到的五孔探针校准，均指探针在校准风洞中扫过的α、β角度范围±30°，角度间隔5°，采集点共169个，即采取的角度分别为α＝±30°，±25°，±20°，±15°，±10°，±5°，0°，β＝±30°，±25°，±20°，±15°，±10°，±5°，0°。先将β角转至-30°，α角由-30°至30°，以5°为间隔逐一扫过，之后β角增大5°，α角重复上述步骤，直至13×13个点的数据全部采集完毕。
3)校准文件：五孔探针在校准时所采集的各孔压力值以及在不同角度下各个无量纲参数的数值，是后续计算的标准，相当于直尺的刻度值。
4)校准系数：五孔探针的校准系数可以分为角度系数和压力系数，角度系数包括Kα、Kβ(α系数、β系数)，压力系数包括CPt、CPs(总压系数、静压系数)。它们的表达式为如下方程(1)-(5)所示：
Figure BDA0003856284930000101
说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明。本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (4)

1.一种参数化处理五孔探针数据的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、获取五孔探针各孔测点对应的压力值即五孔探针压力值；
步骤2、对所述五孔探针压力值进行拟合处理获取对应的五孔探针拟合压力值，并建立校准系数拟合方程组；
步骤3、基于五孔探针拟合压力值获取对应的角度系数，即α系数Kα、β系数Kβ；
步骤4、基于所述校准系数拟合方程组，计算出各孔测点对应的气流角度α与β、总压系数CPt以及静压系数CPs；
步骤5、计算出各孔测点对应的流场参数，所述流场参数至少包括总压值、静压值、马赫数以及速度参数。
2.根据权利要求1所述的参数化处理五孔探针数据的方法，其特征在于，包括：所述步骤2包括
步骤21、基于校准方程对五孔探针在校准风洞中进行校准，获得五孔探针在校准时，不同角度下各孔测点的压力值即P1-P5、角度值α、β以及获得对应的原始校准系数，所述原始校准系数包括原始角度系数和原始压力系数；
步骤22、对步骤21所获得压力系数与角度系数进行多项式拟合，对应的拟合方程为：
Y＝a0+a1n+a2n2+a3n3+…+aknk
其中a0，a1，a2，a3，…，ak为多项式系数；k为拟合阶数；n为校准系数Kα，Kβ，CPT,CPs；Y为与α、β对应的拟合函数取值；
步骤23、基于所述拟合方程获取在不同校准角度下的各孔测点的压力拟合值即P1n-P5n；
步骤24、基于所述压力拟合值计算拟合后所对应校准系数，并替换原始校准系数形成新的校准方程；
步骤25、基于所述校准方程，拟合校准系数与角度之间的关系式，建立校准系数拟合方程组。
3.根据权利要求2所述的参数化处理五孔探针数据的方法，其特征在于，步骤21对应的校准方程表达式为如方程(1)-(5)所示：
Figure FDA0003856284920000021
Figure FDA0003856284920000022
Figure FDA0003856284920000023
Figure FDA0003856284920000024
Figure FDA0003856284920000025
其中Pi(i＝1、2、3、4、5)为五孔探针测得各压力孔的压力值，Pt表示总压，Ps代表静压。
4.根据权利要求3所述的参数化处理五孔探针数据的方法，其特征在于，包括：
步骤25对应的校准系数拟合方程组表达式为如方程(6)-(9)所示：
Figure FDA0003856284920000026
Figure FDA0003856284920000027
Figure FDA0003856284920000028
Figure FDA0003856284920000029
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CN116007884A (zh) * 2023-03-21 2023-04-25 中国空气动力研究与发展中心高速空气动力研究所 一种考虑压缩性的五孔探针球坐标系数据处理方法

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CN116007884A (zh) * 2023-03-21 2023-04-25 中国空气动力研究与发展中心高速空气动力研究所 一种考虑压缩性的五孔探针球坐标系数据处理方法
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