CN116337396A - 一种高空大气紊流主动模拟风洞试验方法 - Google Patents

一种高空大气紊流主动模拟风洞试验方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种高空大气紊流主动模拟风洞试验方法，属于低速风洞试验领域，本方法通过试验段入口布置主动气流干扰装置在试验段下游产生不同强度速度扰流并借助流场校测系统进行速度测量，利用大气紊流数学建模方法获取大气紊流时域速度模型，通过对扰动速度场校测计算扰动速度传播衰减系数和平板摆动增益控制系数，最终得到目标大气紊流对应的平板运动摆角数据，该方法弥补了非均匀流场模拟试验中对大气紊流这类随机变化非定常流场模拟能力不足的问题。本发明的试验方法可以在风洞环境模拟高空大气紊流场，具有大气紊流强度模拟能力强，紊流积分尺度调节范围广，模拟重复性好的优点。

Description

一种高空大气紊流主动模拟风洞试验方法
技术领域
本发明属于低速风洞试验领域，具体涉及一种高空大气紊流主动模拟风洞试验方法。
背景技术
非均匀流场模拟试验技术是一项特殊的动态风洞试验技术，主要通过在风洞试验段入口处放置气流干扰装置，均匀来流流经该干扰装置后在试验段后方形成特定的非均匀流场，从而较为真实的模拟飞行器飞行过程中所处的复杂非均匀流场环境。与常规风洞试验比其具有气流环境模拟能力强、气动特性干扰真实的优点，可用于评估大气乱流等复杂气象环境对飞行器气动性能的影响，是目前国内外开展非定常气动力研究、飞行控制律验证及飞行动力学分析等工作的一项新技术。但是，现有的非均匀流场模拟试验技术往往只能模拟离散阵风等数学形式简单的非定常流场，而不能对大气紊流这类随机变化复杂非定常流场进行较好模拟，限制了风洞试验在复杂流场对飞行器性能准确评估方向上的应用。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供一种高空大气紊流主动模拟风洞试验方法，解决了现有非均匀流场模拟试验技术对复杂随机变化流场模拟能力的不足，拓宽了风洞试验在评估真实乱流对飞行器气动特性影响上的应用前景。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下：一种高空大气紊流主动模拟风洞试验方法，包含如下步骤：
步骤一、安装主动气流干扰装置并设置初始零位：将主动气流干扰装置布置在风洞试验段入口处，所述的主动气流干扰装置包括平板、转轴、联轴器、支撑底座、电机和控制系统，平板与转轴相连，转轴通过联轴器与电机相连，电机固定于支撑底座上，控制系统通过电信号控制电机转动的角度，平板在电机的控制下能够摆动到任意角度，平板的初始位置定义为与风洞对称面平行位置，并将该位置设为平板零位；
步骤二、安装流场校测系统并计算探针安装角：将流场校测系统布置在风洞试验段下游试验区，所述的流场校测系统包括热线测速系统和移测架，所述的热线测速系统包括二维热线探针和采集主机，所述的移测架能够实现三自由度移动，所述的移测架上安装有二维热线探针，所述的二维热线探针与采集系统电信号连接，调整所述的二维热线探针方向使其满足测量来流风速和侧向风速要求，启动风洞到目标风速并稳定数秒，触发二维热线探针进行采集，得到风洞试验区的来流风速数据Data1和侧向速度数据Data2，处理得到二维热线探针的侧向安装角α0，其计算公式如下：
Figure SMS_1
（1）
步骤三、计算扰动速度传播衰减系数：启动风洞到目标风速并稳定数秒，启动主动气流干扰装置，使平板按正弦摆动，未修正的平板运动摆角为αs（t），触发二维热线探针进行采集，得到试验区未修正的来流风速数据Data3和未修正的侧向气流扰动速度数据Data4，根据步骤二和步骤三获得的参数及数据计算得到扰动速度传播衰减系数C，其计算公式如下：
Figure SMS_2
（2）
Figure SMS_3
（3）
式中，
Figure SMS_4
为平板摆角幅值，f为平板摆动频率，t为时间；
步骤四、大气紊流数学建模及流场校测并计算平板摆动增益控制系数：将VonKarman谱作为高空大气紊流目标功率谱，使用一组不同频率余弦函数拟合该功率谱，计算得到该功率谱对应的t时刻大气紊流风速v（t），代入步骤三得到的衰减系数C，计算得到衰减修正后的平板运动摆角为αw（t），将该数据导入气流干扰装置控制系统，重复步骤三中的风洞起风和热线探针采集操作，得到试验区衰减修正后的来流风速数据Data5和衰减修正后的侧向气流扰动速度数据Data6，代入步骤二、步骤三和步骤四中获得的参数及数据计算得到平板摆动增益控制系数K，其计算公式如下：
Figure SMS_5
（4）
Figure SMS_6
（5）
Figure SMS_7
（6）
Figure SMS_8
（7）
其中，
Figure SMS_9
为紊流风速功率谱，
Figure SMS_10
为频率间隔，
Figure SMS_11
为间隔
Figure SMS_12
内的中心频率，
Figure SMS_13
为[0,2π]内均匀分布的随机相位角，
Figure SMS_14
为紊流风速频率，
Figure SMS_15
为紊流风速的均方根值，
Figure SMS_16
为紊流积分尺度，
Figure SMS_17
为平均风速；
步骤五、拆除流场校测系统，进行大气紊流风洞试验模拟，使用步骤四中的大气紊 流数学建模方法获取t时刻大气紊流风速v（t），代入步骤三和步骤四中的参数得到增益修 正后的平板运动摆角
Figure SMS_18
，将所述的增益修正后的平板运动摆角
Figure SMS_19
导入主动气流干扰 装置，启动风洞到目标风速并稳定数秒，启动主动气流干扰装置，让平板按照目标曲线摆 动，此时在风洞试验段下游产生目标大气紊流速度场，从而实现了目标大气紊流速度的风 洞试验模拟，增益修正后的平板运动摆角
Figure SMS_20
的计算公式如下：
Figure SMS_21
（8）
式中，K为平板摆动增益控制系数。
进一步的，所述的平板的正弦摆动幅值角不小于15°时，最大摆动频率不低于5Hz。
本发明的优点及有益效果：本发明的试验方法可以在风洞环境模拟高空大气紊流场，具有大气紊流强度模拟能力强，紊流积分尺度调节范围广，模拟重复性好的优点；本方法工程实用性强，可为评估各类飞行器大气紊流环境下气动特性及动态响应规律提供可靠试验手段，有效支撑高性能飞行器的研制工作。
附图说明
图1为本发明总体流程示意图；
图2为主动气流干扰装置结构示意图。
具体实施方式
下面根据说明书附图举例对本发明做进一步的说明：
实施例1
如图1所示，一种高空大气紊流主动模拟风洞试验方法，首先将主动气流干扰装置安装在风洞试验段入口处，调整该装置平板角度使其与风洞对称面平行，并设置为初始零位；在风洞试验段下游试验区安装流场校测系统，并测量初始零位时试验区速度数据，计算热线探针安装角；然后控制气流干扰装置平板正弦摆动，测量试验区扰动速度并计算扰动速度传播衰减系数；之后开展大气紊流数学建模并进行试验区流场校测，计算平板摆动增益控制系数；最后拆除流场校测系统，控制主动气流干扰装置平板按特性运动曲线摆动，开展目标大气紊流风洞试验模拟，具体包含以下步骤：
步骤一、安装主动气流干扰装置并设置平板初始零位，将主动气流干扰装置布置在风洞试验段入口处，如图2所示，所述的主动气流干扰装置包括平板1、转轴2、联轴器3、支撑底座4、电机5和控制系统，平板1与转轴2相连，转轴2通过联轴器3与电机5相连，电机5固定于支撑底座4上，控制系统通过电信号控制电机5转动的角度，所述的平板1在电机5的控制下可以摆动到任意角度，平板1的正弦摆动幅值角不小于15°时，最大摆动频率不低于5Hz，平板1的初始位置定义为与风洞对称面平行位置，并将该位置设为平板1零位；
步骤二、安装流场校测系统并计算探针安装角：将流场校测系统布置在风洞试验段下游试验区，所述的流场校测系统包括热线测速系统和移测架，所述的热线测速系统包括二维热线探针和采集主机，所述的移测架能够实现三自由度移动，所述的移测架上安装有二维热线探针，所述的二维热线探针与采集系统电信号连接，调整所述的二维热线探针方向使其满足测量来流风速和侧向风速要求，启动风洞到目标风速并稳定数秒，触发二维热线探针进行采集，得到风洞试验区的来流风速数据Data1和侧向速度数据Data2，处理得到二维热线探针的侧向安装角α0，其计算公式如下：
Figure SMS_22
（1）
步骤三、计算扰动速度传播衰减系数：启动风洞到目标风速并稳定数秒，启动主动气流干扰装置，使平板按正弦摆动，未修正的平板运动摆角为αs（t），触发二维热线探针进行采集，得到试验区未修正的来流风速数据Data3和未修正的侧向气流扰动速度数据Data4，根据步骤二和步骤三获得的参数及数据计算得到扰动速度传播衰减系数C，其计算公式如下：
Figure SMS_23
（2）
Figure SMS_24
（3）
式中，
Figure SMS_25
为平板摆角幅值，f为平板摆动频率，t为时间；
步骤四、大气紊流数学建模及流场校测并计算平板摆动增益控制系数：将VonKarman谱作为高空大气紊流目标功率谱，使用一组不同频率余弦函数拟合该功率谱，计算得到该功率谱对应的t时刻大气紊流风速v（t），代入步骤三得到的衰减系数C，计算得到衰减修正后的平板运动摆角为αw（t），将该数据导入气流干扰装置控制系统，重复步骤三中的风洞起风和热线探针采集操作，得到试验区衰减修正后的来流风速数据Data5和衰减修正后的侧向气流扰动速度数据Data6，代入步骤二、步骤三和步骤四中获得的参数及数据计算得到平板摆动增益控制系数K，其计算公式如下：
Figure SMS_26
（4）
Figure SMS_27
（5）
Figure SMS_28
（6）
Figure SMS_29
（7）
其中，
Figure SMS_30
为紊流风速功率谱，
Figure SMS_31
为频率间隔，
Figure SMS_32
为间隔
Figure SMS_33
内的中心频率，
Figure SMS_34
为[0,2π]内均匀分布的随机相位角，
Figure SMS_35
为紊流风速频率，
Figure SMS_36
为紊流风速的均方根值，
Figure SMS_37
为紊流积分尺度，
Figure SMS_38
为平均风速；
步骤五、拆除流场校测系统，进行大气紊流风洞试验模拟，使用步骤四中的大气紊 流数学建模方法获取t时刻大气紊流风速v（t），代入步骤三和步骤四中的参数得到增益修 正后的平板运动摆角
Figure SMS_39
，将所述的增益修正后的平板运动摆角
Figure SMS_40
导入主动气流干扰 装置，启动风洞到目标风速并稳定数秒，启动主动气流干扰装置，让平板按照目标曲线摆 动，此时在风洞试验段下游产生目标大气紊流速度场，从而实现了目标大气紊流速度的风 洞试验模拟，增益修正后的平板运动摆角
Figure SMS_41
的计算公式如下：
Figure SMS_42
（8）
式中，K为平板摆动增益控制系数。

Claims (2)

1.一种高空大气紊流主动模拟风洞试验方法，其特征在于，步骤如下：
步骤一、安装主动气流干扰装置并设置初始零位：将主动气流干扰装置布置在风洞试验段入口处，所述的主动气流干扰装置包括平板、转轴、联轴器、支撑底座、电机和控制系统，平板与转轴相连，转轴通过联轴器与电机相连，电机固定于支撑底座上，控制系统通过电信号控制电机转动的角度，平板在电机的控制下能够摆动到任意角度，平板的初始位置定义为与风洞对称面平行位置，并将该位置设为平板零位；
步骤二、安装流场校测系统并计算探针安装角：将流场校测系统布置在风洞试验段下游试验区，所述的流场校测系统包括热线测速系统和移测架，所述的热线测速系统包括二维热线探针和采集主机，所述的移测架能够实现三自由度移动，所述的移测架上安装有二维热线探针，所述的二维热线探针与采集系统电信号连接，调整所述的二维热线探针方向使其满足测量来流风速和侧向风速要求，启动风洞到目标风速并稳定数秒，触发二维热线探针进行采集，得到风洞试验区的来流风速数据Data1和侧向速度数据Data2，处理得到二维热线探针的侧向安装角α0，其计算公式如下：
Figure QLYQS_1
（1）
步骤三、计算扰动速度传播衰减系数：启动风洞到目标风速并稳定数秒，启动主动气流干扰装置，使平板按正弦摆动，未修正的平板运动摆角为αs（t），触发二维热线探针进行采集，得到试验区未修正的来流风速数据Data3和未修正的侧向气流扰动速度数据Data4，根据步骤二和步骤三获得的参数及数据计算得到扰动速度传播衰减系数C，其计算公式如下：
Figure QLYQS_2
（2）
Figure QLYQS_3
（3）
式中，
Figure QLYQS_4
为平板摆角幅值，f为平板摆动频率，t为时间；
步骤四、大气紊流数学建模及流场校测并计算平板摆动增益控制系数：将Von Karman谱作为高空大气紊流目标功率谱，使用一组不同频率余弦函数拟合该功率谱，计算得到该功率谱对应的t时刻大气紊流风速v（t），代入步骤三得到的衰减系数C，计算得到衰减修正后的平板运动摆角为αw（t），将该数据导入气流干扰装置控制系统，重复步骤三中的风洞起风和热线探针采集操作，得到试验区衰减修正后的来流风速数据Data5和衰减修正后的侧向气流扰动速度数据Data6，代入步骤二、步骤三和步骤四中获得的参数及数据计算得到平板摆动增益控制系数K，其计算公式如下：
Figure QLYQS_5
（4）
Figure QLYQS_6
（5）
Figure QLYQS_7
（6）
Figure QLYQS_8
（7）
其中，
Figure QLYQS_9
为紊流风速功率谱，
Figure QLYQS_10
为频率间隔，
Figure QLYQS_11
为间隔/>
Figure QLYQS_12
内的中心频率，
Figure QLYQS_13
为[0,2π]内均匀分布的随机相位角，
Figure QLYQS_14
为紊流风速频率，
Figure QLYQS_15
为紊流风速的均方根值，
Figure QLYQS_16
为紊流积分尺度，
Figure QLYQS_17
为平均风速；
步骤五、拆除流场校测系统，进行大气紊流风洞试验模拟，使用步骤四中的大气紊流数学建模方法获取t时刻大气紊流风速v（t），代入步骤三和步骤四中的参数得到增益修正后的平板运动摆角
Figure QLYQS_18
，将所述的增益修正后的平板运动摆角/>
Figure QLYQS_19
导入主动气流干扰装置，启动风洞到目标风速并稳定数秒，启动主动气流干扰装置，让平板按照目标曲线摆动，此时在风洞试验段下游产生目标大气紊流速度场，从而实现了目标大气紊流速度的风洞试验模拟，增益修正后的平板运动摆角/>
Figure QLYQS_20
的计算公式如下：
Figure QLYQS_21
（8）
式中，K为平板摆动增益控制系数。
2.根据权利要求1所述的一种高空大气紊流主动模拟风洞试验方法，其特征在于：所述的平板的正弦摆动幅值角不小于15°时，最大摆动频率不低于5Hz。
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