CN116499701B - 暂冲式跨声速风洞马赫数控制方法、电子设备及存储介质 - Google Patents

暂冲式跨声速风洞马赫数控制方法、电子设备及存储介质 Download PDF

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Abstract

本发明提出暂冲式跨声速风洞马赫数控制方法、电子设备及存储介质，属于马赫数控制技术领域。包括以下步骤：建立调压阀喉道面积与流场总压、气源压力、试验段面积和马赫数之间的数学模型；获取风洞试验段至超扩段二喉道处的总压损失系数与马赫数之间的关系，建立栅指伸出量与试验段马赫数之间的数学模型；根据不同控制选择不同数学模型。本发明通过建立有效的数学模型来实现跨声速流场的智能调节与控制，解决现有技术中存在的在声速以上跨声速范围时，试验段马赫数的量值本质上只取决于流经试验段的流量与膨胀进入驻室并被主流引射带走的流量之比，而经引射缝被主流引射带走的流量难以估算的技术问题。

Description

暂冲式跨声速风洞马赫数控制方法、电子设备及存储介质
技术领域
本申请涉及马赫数控制方法，尤其涉及暂冲式跨声速风洞马赫数控制方法、电子设备及存储介质，属于马赫数控制技术领域。
背景技术
跨声速风洞流场控制的主要对象是试验段马赫数，在影响流场马赫数控制精度的因素方面，存在着如下问题：总压与马赫数控制严重耦合；由于暂冲式风洞结构主体通常为一个全长近百米的管道，控制量和被控量在实际物理位置上存在一定距离，使得各控制量或测量量之间存在时间上的滞后问题；由于暂冲式风洞通常以储气罐中的气体作为气源，但气源容积有限，风洞运行时气源压力随时间逐渐下降，导致风洞控制系统模型发生变化；风洞试验时，模型迎角变化导致堵塞度发生变化带来的扰动引起系统控制特性发生的变化；在栅指位移变化或试验段引射缝面积发生变化时带来的气流压力变化影响马赫数控制精度等问题。从原理上讲，栅指仅在声速以下对马赫数有较好的控制效果，因为此时马赫数是试验段截面积与二喉道面积之比的函数。在声速以上跨声速范围时，试验段马赫数的量值本质上只取决于流经试验段的流量与膨胀进入驻室并被主流引射带走的流量之比，而经引射缝被主流引射带走的流量难以估算。
发明内容
在下文中给出了关于本发明的简要概述，以便提供关于本发明的某些方面的基本理解。应当理解，这个概述并不是关于本发明的穷举性概述。它并不是意图确定本发明的关键或重要部分，也不是意图限定本发明的范围。其目的仅仅是以简化的形式给出某些概念，以此作为稍后论述的更详细描述的前序。
鉴于此，为解决现有技术中存在的在声速以上跨声速范围时，试验段马赫数的量值本质上只取决于流经试验段的流量与膨胀进入驻室并被主流引射带走的流量之比，而经引射缝被主流引射带走的流量难以估算的技术问题，本发明提供一种暂冲式跨声速风洞马赫数控制方法、电子设备及存储介质。针对上述问题，为从根本上进一步提升跨声速流场马赫数的控制精度，须从跨声速流场气流流动理论出发，通过建立有效的数学模型来实现跨声速流场的智能调节与控制，解决跨声速风洞马赫数控制精度不高的问题。
方案一、一种暂冲式跨声速风洞马赫数控制方法，包括以下步骤：
建立调压阀喉道面积与流场总压、气源压力、试验段面积和马赫数之间的数学模型；
获取风洞试验段至超扩段二喉道处的总压损失系数与马赫数之间的关系，建立栅指伸出量与试验段马赫数之间的数学模型；
根据不同控制选择不同数学模型。
优选的，建立调压阀喉道面积与流场总压、气源压力、试验段面积和马赫数之间的数学模型的方法是：
根据气体流量守恒、状态方程、流场信息、风洞相关结构参数及压缩机性能参数，引入气源压力、调压阀喉道面积以及试验段面积参数，建立调压阀喉道面积与流场总压、气源压力、试验段面积以及马赫数之间的数学模型。
优选的，对于风洞，调压阀喉道面积表示为调压阀位移的函数。
优选的，获取风洞试验段至超扩段二喉道处的总压损失系数与马赫数之间的关系，建立栅指伸出量与试验段马赫数之间的数学模型的方法是：在风洞超扩段二喉道处布置总、静压测量装置，测量总压，计算马赫数；
建立当马赫数＜1.0时，栅指伸出量与试验段马赫数之间的第一数学模型；
建立当1.0≤马赫数≤1.2时，栅指伸出量与试验段马赫数之间的第二数学模型。
优选的，根据不同控制选择不同数学模型的方法是：
风洞总压的控制与栅指二喉道马赫数的控制为两个独立闭环控制，风洞总压的控制采用调压阀喉道面积与流场总压、气源压力、试验段面积和马赫数之间的数学模型；
栅指二喉道马赫数的控制在马赫数＜1.0时，采用栅指伸出量与试验段马赫数之间的第一数学模型；
栅指二喉道马赫数的控制在1.0≤M≤1.2时，采用栅指伸出量与试验段马赫数之间的第二数学模型。
优选的，调压阀喉道面积与流场总压、气源压力、试验段面积和马赫数之间的数学模型为：
依据流经调压阀和试验段的流量守恒有：
；
其中：为质量流量，/>为调压阀处的速度系数；
用于控制风洞流场的调压阀的，则：
；
其中：为调压阀喉道面积；/>为风洞总压；/>为试验段面积；/>为气源压力；
气源压力有如下关系：
；
其中：m为气源气体质量；V为气源体积；R为大气气体常数，R=287.05J/kgK；为气体总温；
气源气体质量m依据气源气体初始质量、压缩机输入气体质量/>以及试验耗费的气体质量/>，有：
-/>；
其中：为单台压缩机质量效率，/>，N为压缩机数量，/>，C为常数，/>为试验段速度系数，/>为单台压缩机体积效率，其单位为/>；△t为控制周期；/>为气源初始压力，有：
；
其中：。
优选的，当马赫数＜1.0时，栅指伸出量与试验段马赫数之间的第一数学模型为：
依据流经试验段与超扩段二喉道的流量守恒有：
；
其中，为超扩段二喉道总压，/>为超扩段二喉道面积，/>为超扩段二喉道速度系数；
则：
；
即：
；
其中：S为栅指伸出量，W为栅指宽度；根据风洞的/>与马赫数M之间的关系可获取；/>为超扩段二喉道初始面积。
优选的，当1.0≤马赫数≤1.2时，栅指伸出量与试验段马赫数之间的第二数学模型为：
依据流经试验段与经膨胀进入驻室并被主流引射带走的流量之和与超扩段二喉道的流量守恒有：
；
其中，为驻室引射缝总压，/>为驻室引射缝速度系数；
即：
；
其中，为驻室引射缝面积，/>为驻室引射缝马赫数；
依据引射器方程，引入理论引射系数，/>根据名义马赫数求取；则简化为：
；
即：
；
其中：K为理论引射系数；为超扩段二喉道处的实际马赫数。
方案二、一种电子设备，包括存储器和处理器，存储器存储有计算机程序，所述的处理器执行所述计算机程序时实现方案一所述的一种暂冲式跨声速风洞马赫数控制方法的步骤。
方案三、一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现方案一所述的一种暂冲式跨声速风洞马赫数控制方法。
本发明的有益效果如下：
1、本发明建立了整个流场中与被控参数相关联参数之间的数学模型，改变了传统的PID流场被动反馈控制方式，实现了可量化的数学模型与PID相结合的流场智能调节与控制。
2、本发明依据气体状态方程、流量守恒、流场信息、风洞相关结构参数及压缩机性能等参数，引入气源压力、调压阀喉道面积以及试验段面积等参数，建立了调压阀喉道面积与流场总压、气源压力、试验段面积以及马赫数之间的数学模型，提高了总压控制精度。
3、本发明精确计及了风洞试验段至超扩段二喉道处的总压损失，使根据一维管流方程建立的栅指伸长量与马赫数之间的数学描述更为准确，提高了栅指PID控制算法的精准度。
4、本发明依据引射器方程引入了引射系数，在简化数学模型的同时又计及了气流膨胀进入驻室并被主流引射带走的流量，在M≥1.0的跨声速范围建立了与被测参数相关联的数学模型，进一步提高了该马赫数范围的流场控制精度。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1为暂冲式跨声速风洞马赫数控制方法流程示意图；
图2为风洞与马赫数M的关系曲线图；
图3为暂冲式跨声速风洞马赫数控制方法控制结构示意图；
图4为M=0.6时流场控制效果示意图，其中，a为常规马赫数流场控制效果图，b本申请流程控制效果图；
图5为M=1.2时流场控制效果示意图，其中，a为常规马赫数流场控制效果图，b本申请流程控制效果图；
图6为总压控制时域曲线图。
具体实施方式
为了使本申请实施例中的技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图对本申请的示例性实施例进行进一步详细的说明，显然，所描述的实施例仅是本申请的一部分实施例，而不是所有实施例的穷举。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
实施例1、参照图1-图6说明本实施方式，暂冲式跨声速风洞马赫数控制方法，依据气体状态方程、流量守恒、流场信息、风洞相关结构参数及气源压缩机性能等参数，建立了调压阀喉道面积与流场总压、气源压力、试验段面积以及马赫数之间的数学模型；精确计及了风洞试验段至超扩段二喉道处的总压损失，使根据一维管流方程建立的栅指伸长量与马赫数之间的数学描述更为准确；依据引射器方程引入引射系数，在简化数学模型的同时又计及了气流膨胀进入驻室并被主流引射带走的流量，建立了M≥1.0跨声速范围的与被测参数相关联的数学模型。通过建立整个流场中与被控参数相关联参数之间的数学模型，采用可量化的数学模型与PID相结合的流场智能调节与控制，最终实现了风洞跨声速马赫数的精确控制。具体包括以下步骤：
S1.建立调压阀喉道面积与流场总压、气源压力、试验段面积和马赫数之间的数学模型，方法是：根据气体流量守恒、状态方程、流场信息、风洞相关结构参数及压缩机性能参数，引入气源压力、调压阀喉道面积以及试验段面积参数，建立调压阀喉道面积与流场总压、气源压力、试验段面积以及马赫数之间的数学模型；数学模型为：
依据流经调压阀和试验段的流量守恒有：
（1）
其中：为质量流量，/>为调压阀处的速度系数；
用于控制风洞流场的调压阀的，则：
（2）
其中：为调压阀喉道面积；/>为风洞总压；/>为试验段面积；/>为气源压力；
气源压力有如下关系：
（3）
其中：m为气源气体质量；V为气源体积；R为大气气体常数，R=287.05J/kgK；为气体总温；
气源气体质量m依据气源气体初始质量、压缩机输入气体质量/>以及试验耗费的气体质量/>，有：
-/> （4）
其中：为单台压缩机质量效率，/>，N为压缩机数量，/>，C为常数，0.04042，/>为试验段速度系数，/>为单台压缩机体积效率，其单位一般为；△t为控制周期；/>为气源初始压力，因此有：
（5）
其中：。
对于风洞，调压阀喉道面积表示为调压阀位移的函数。
S2.获取风洞试验段至超扩段二喉道处的总压损失系数与马赫数之间的关系，建立栅指伸出量与试验段马赫数之间的数学模型，方法是：通过试验方法，获取风洞试验段至超扩段二喉道处的总压损失系数与马赫数M之间的关系，在风洞超扩段二喉道处布置总、静压测量装置，测量该处的总压/>，同时可以计算该处的马赫数/>；参照图2，风洞与马赫数M的关系曲线图。
建立当马赫数＜1.0时，栅指伸出量与试验段马赫数之间的第一数学模型，模型为：
依据流经试验段与超扩段二喉道的流量守恒有：
（6）
其中，为超扩段二喉道总压，/>为超扩段二喉道面积，/>为超扩段二喉道速度系数；
则：
（7）
即：
（8）
其中：S为栅指伸出量，W为栅指宽度；根据风洞的/>与马赫数M之间的关系可获取；/>为超扩段二喉道初始面积。
建立当1.0≤马赫数≤1.2时，栅指伸出量与试验段马赫数之间的第二数学模型，模型为：
依据流经试验段与经膨胀进入驻室并被主流引射带走的流量之和与超扩段二喉道的流量守恒有：
（9）
其中，为驻室引射缝总压，/>为驻室引射缝速度系数；
即：
（10）
其中，为驻室引射缝面积，/>为驻室引射缝马赫数；
依据引射器方程，引入理论引射系数，/>根据名义马赫数求取；则简化为：
（11）
即：
（12）
其中：K为理论引射系数；为超扩段二喉道处的实际马赫数。
S3.根据不同控制选择不同数学模型，方法是：
对于采用栅指式二喉道马赫数精确控制的风洞，风洞总压的控制与栅指二喉道马赫数的控制为两个独立闭环控制，风洞总压的控制采用调压阀喉道面积与流场总压、气源压力、试验段面积和马赫数之间的数学模型；
栅指二喉道马赫数的控制在马赫数＜1.0时，采用栅指伸出量与试验段马赫数之间的第一数学模型；
栅指二喉道马赫数的控制在1.0≤M≤1.2时，采用栅指伸出量与试验段马赫数之间的第二数学模型。
实施例2、本发明的计算机装置可以是包括有处理器以及存储器等装置，例如包含中央处理器的单片机等。并且，处理器用于执行存储器中存储的计算机程序时实现上述的一种暂冲式跨声速风洞马赫数控制方法的步骤。
所称处理器可以是中央处理单元(Central Processing Unit，CPU)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器 (Digital Signal Processor，DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、现成可编程门阵列 (Field-Programmable Gate Array，FPGA) 或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。
所述存储器可主要包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作系统、至少一个功能所需的应用程序（比如声音播放功能、图像播放功能等）等；存储数据区可存储根据手机的使用所创建的数据（比如音频数据、电话本等）等。此外，存储器可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非易失性存储器，例如硬盘、内存、插接式硬盘，智能存储卡（Smart Media Card, SMC），安全数字（Secure Digital, SD）卡，闪存卡（Flash Card）、至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他易失性固态存储器件。
实施例3、计算机可读存储介质实施例
本发明的计算机可读存储介质可以是被计算机装置的处理器所读取的任何形式的存储介质，包括但不限于非易失性存储器、易失性存储器、铁电存储器等，计算机可读存储介质上存储有计算机程序，当计算机装置的处理器读取并执行存储器中所存储的计算机程序时，可以实现上述的一种暂冲式跨声速风洞马赫数控制方法的步骤。
所述计算机程序包括计算机程序代码，所述计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。所述计算机可读介质可以包括：能够携带所述计算机程序代码的任何实体或装置、记录介质、U盘、移动硬盘、磁碟、光盘、计算机存储器、只读存储器（ROM，Read-Only Memory）、随机存取存储器（RAM，Random Access Memory）、电载波信号、电信信号以及软件分发介质等。需要说明的是，所述计算机可读介质包含的内容可以根据司法管辖区内立法和专利实践的要求进行适当的增减，例如在某些司法管辖区，根据立法和专利实践，计算机可读介质不包括电载波信号和电信信号。
尽管根据有限数量的实施例描述了本发明，但是受益于上面的描述，本技术领域内的技术人员明白，在由此描述的本发明的范围内，可以设想其它实施例。此外，应当注意，本说明书中使用的语言主要是为了可读性和教导的目的而选择的，而不是为了解释或者限定本发明的主题而选择的。因此，在不偏离所附权利要求书的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。对于本发明的范围，对本发明所做的公开是说明性的，而非限制性的，本发明的范围由所附权利要求书限定。

Claims (7)

1.暂冲式跨声速风洞马赫数控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
建立调压阀喉道面积与流场总压、气源压力、试验段面积和马赫数之间的数学模型，方法是：
根据气体流量守恒、状态方程、流场信息、风洞相关结构参数及压缩机性能参数，引入气源压力、调压阀喉道面积以及试验段面积参数，建立调压阀喉道面积与流场总压、气源压力、试验段面积以及马赫数之间的数学模型；
获取风洞试验段至超扩段二喉道处的总压损失系数与马赫数之间的关系，建立栅指伸出量与试验段马赫数之间的数学模型，方法是：在风洞超扩段二喉道处布置总、静压测量装置，测量总压，计算马赫数；
建立当马赫数＜1.0时，栅指伸出量与试验段马赫数之间的第一数学模型；
建立当1.0≤马赫数≤1.2时，栅指伸出量与试验段马赫数之间的第二数学模型；
根据不同控制选择不同数学模型，方法是：
风洞总压的控制与栅指二喉道马赫数的控制为两个独立闭环控制，风洞总压的控制采用调压阀喉道面积与流场总压、气源压力、试验段面积和马赫数之间的数学模型；
栅指二喉道马赫数的控制在马赫数＜1.0时，采用栅指伸出量与试验段马赫数之间的第一数学模型；
栅指二喉道马赫数的控制在1.0≤M≤1.2时，采用栅指伸出量与试验段马赫数之间的第二数学模型。
2.根据权利要求1所述暂冲式跨声速风洞马赫数控制方法，其特征在于，对于风洞，调压阀喉道面积表示为调压阀位移的函数。
3.根据权利要求2所述暂冲式跨声速风洞马赫数控制方法，其特征在于，调压阀喉道面积与流场总压、气源压力、试验段面积和马赫数之间的数学模型为：
依据流经调压阀和试验段的流量守恒有：
其中：为质量流量，q(λ1)为调压阀处的速度系数；
用于控制风洞流场的调压阀的q(λ1)＝1，则：
其中：A1为调压阀喉道面积；P0为风洞总压；A′为试验段面积；Pq为气源压力；
气源压力Pq有如下关系：
其中：m为气源气体质量；V为气源体积；R为大气气体常数，R＝287.05J/kgK；T0为气体总温；
气源气体质量m依据气源气体初始质量m0、压缩机输入气体质量以及试验耗费的气体质量/>有：
其中：为单台压缩机质量效率，/>N为压缩机数量，ρ＝1.225Kg/m3，C为常数，q(λ)为试验段速度系数，V压为单台压缩机体积效率，其单位为m3/min；△t为控制周期；Pq0为气源初始压力，有：
其中：q(λ)＝1.728MA′(1+0.2M2)-3。
4.根据权利要求3所述暂冲式跨声速风洞马赫数控制方法，其特征在于，当马赫数＜1.0时，栅指伸出量与试验段马赫数之间的第一数学模型为：
依据流经试验段与超扩段二喉道的流量守恒有：
其中，P0e为超扩段二喉道总压，A*2为超扩段二喉道面积，q(λ*2)为超扩段二喉道速度系数；
则：
即：
其中：S为栅指伸出量，W为栅指宽度；P0/P0e根据风洞的P0/P0e与马赫数M之间的关系可获取；A*20为超扩段二喉道初始面积。
5.根据权利要求4所述暂冲式跨声速风洞马赫数控制方法，其特征在于，当1.0≤马赫数≤1.2时，栅指伸出量与试验段马赫数之间的第二数学模型为：
依据流经试验段与经膨胀进入驻室并被主流引射带走的流量之和与超扩段二喉道的流量守恒有：
其中，P01为驻室引射缝总压，q(λ01)为驻室引射缝速度系数；
即：
其中，A01为驻室引射缝面积，M01为驻室引射缝马赫数；
依据引射器方程，引入理论引射系数q(λ)根据名义马赫数求取；则简化为：
即：
其中：K为理论引射系数；M*2为超扩段二喉道处的实际马赫数。
6.一种电子设备，其特征在于，包括存储器和处理器，存储器存储有计算机程序，所述的处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1-5任一项所述的暂冲式跨声速风洞马赫数控制方法的步骤。
7.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1-5任一项所述的暂冲式跨声速风洞马赫数控制方法。
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Effect of shock-flame interactions on initial damage characteristics in highway tunnel under hazmat tanker truck accident;Kan Wang;Tunnelling and Underground Space Technology incorporating Trenchless Technology Research;全文 *

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