CN116989973A - 一种暂冲式高速风洞连续变迎角测压试验数据处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种暂冲式高速风洞连续变迎角测压试验数据处理方法，通过此数据处理方法后，可将大容量的分散的、不同步的多个采集系统采集的连续试验数据精准同步起来，准确描述出试验过程中多个采集系统采集的全部变量之间的相互关系；将连续试验数据的离散处理，并按照阶梯测压原始数据的保存格式保存，缩小连续测压试验数据的数据量，而且可以将对连续变迎角测压数据的后续处理分析归一化到阶梯测压处理的流程中，即简化了对连续变迎角测压数据处理的难度，同时也方便了连续变迎角测压和阶梯测压的比较分析。
Description
技术领域
本发明属于空气动力学风洞试验技术领域，具体涉及一种暂冲式高速风洞连续变迎角测压试验数据处理方法。
背景技术
连续变迎角测压试验是在风洞攻角机构匀速运动的同时， VXI/PXI数据采集系统以较高的采样率连续采集风洞流场信息、模型姿态信息，电子扫描阀系统以较高的采样率连续采集飞行器模型表面压力信息的一种试验方式。试验结束后，需要对VXI/PXI数据采集系统和电子扫描阀系统产生的连续采集数据进行同步合并、物理转换、系数转换等，才能得到特定流场条件下，模型表面压力数据随模型迎角的变化规律。该试验方式下，模型表面布设的压力测点数量多，各套采集系统以较高速率（100Hz～1000Hz）采集，产生的数据量巨大，单次试验原始数据的总和高达1G，计算量将成倍增长，常规的数据处理平台完全无法满足连续压力数据的处理需求，不利于连续变迎角测压试验数据的分析和利用。试验中，多套各自独立的采集系统分工合作完成数据采集，由于各采集系统之间存在的内部时钟差异、采样率不同且不精准、记录时间戳不准确等问题造成多套连续试验数据难以按采集时序关系精准对齐合并。同时，因测压管路的压力传导延迟造成同一时刻采集到的模型表面压力数据滞后于流场、模型姿态数据，试验数据中包含较大的偏差，无法真实客观地反映试验过程。
发明内容
本发明的目的是针对连续变迎角测压试验过程中产生的两套原始文件数据量大、存在系统时差、采样率不同频且不精准、压力传输时差、信号噪声干扰等问题，对多套连续数据按采集时序精准对齐、合并、降噪、传导延迟修正、离散化等一系列的加工处理，得到与风洞阶梯测压试验数据格式相同的连续原始数据、连续结果数据等。最终实现连续变迎角测压试验数据与传统的阶梯测压试验数据归一化的显示分析和后续处理。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种连续变迎角测压风洞试验数据处理方法，包括以下步骤：
S1：连续变迎角测压风洞试验数据处理，需要读取同次试验的VXI/PXI系统和电子扫描阀系统采集的连续数据：
S101：VXI/PXI连续数据由VXI/PXI系统连续采集产生，数据中公共信息部分包含车次号、大气压、名义马赫数、名义起/止迎角、采集启动时刻、总测点数、总采集时间等参数，采集数据部分包含各通道标识、初读数、采集值、有效迎角的阶梯起始结束位置标识，以及采集每行数据的采集时刻时间戳等。VXI/PXI连续数据的采样率≥200Hz。
S102：压力连续数据文件由具有连续采集功能的电子扫描阀系统产生，公共信息部分包含车次号、大气压、采集设备、采集启动时刻、总测点数、总采集时间等参数，采集数据部分包含通道地址信息和采集的压力数据值以及有效迎角的起始位置阶梯标识、采集时刻时间戳等。压力连续采集的采样率≥100Hz。
S103：试验时，要求VXI/PXI连续数据采样率≥压力连续采集的采样率。
S2：在压力连续数据文件查找异常数据，对压力数据超过压力传感器量程的异常数据进行赋特定值处理，特定值为超过压力传感器压力量程1.5倍以上的一个易于分辨的数字，常用数字888、999赋值。
S3：对连续数据进行无滞后的滤波降噪处理。
S301：选用ButterWorth无滞后低通数字滤波器对VXI/PXI连续数据文件中的风洞总压、静压、总温、模型迎角、机构迎角数据进行数字滤波处理，滤波频率为2Hz～3Hz；滤波阶数为1阶～4阶；
S302：选用ButterWorth低通滤波器对压力连续数据文件中的压力数据进行滤波处理，滤波频率为1Hz～10Hz，滤波阶数为2阶～4阶。
S4：将VXI/PXI连续数据文件中数字滤波后的总压、静压、总温、模型迎角、机构迎角等电压测值进行物理量转换。
S5：将VXI/PXI连续数据文件中采集时刻时间戳和压力连续数据中采集时刻时间戳同步统一对齐。
S501：根据VXI/PXI连续数据文件中总测点数、总采集时间，计算出VXI/PXI数据采集系统本次车真实准确的平均采样率f_F，并构建新的时间序列T_F = 点数/f_F替换VXI/PXI连续数据文件中原先的时间戳序列。
S502：根据压力连续文件中采集数据的总测点数、总采集时间，计算出电子扫描阀系统本次车真实准确的平均采样率f_P、并构建新的时间序列T_P= 点数/f_P替换该文件中原先的时间戳序列。
S503：求出压力连续数据中的采集启动时刻与VXI/PXI连续数据文件中的采集启动时刻的时差，单位精确到毫秒。
S504：根据压力管路的平均长度（测压管长度需控制在1m以内）、管径、风洞静压等，确定出当前试验测压管路的平均压力延迟时间。
S505：修正VXI/PXI连续数据中的时间戳序列，使其与连续压力数据的时间戳同步，VT = T_F –Δt1+Δt2。
S6：根据测压连续文件中的起、止迎角稳定段标识选取数据，两端外延200~400点后作为有效段数据。有效数据段的起点为Data_Beg，终点为Data_End。
S7：将S4中计算出流场和模型姿态等物理量数据按时间插值映射增加到测压数据有效段数据列中，得到新的连续数据矩阵[V]。即连续数据矩阵[V]包含测压系统采集的压力数据的有效段数据，也包含同步映射增加的VXI/PXI系统采集的有效段总压、静压、总温、模型迎角、机构迎角等物理量值。
S8：以机构迎角Am为离散基准，根据起始名义角αbeg、终止名义角αend，离散间距Δα，将数据矩阵[V]处理为离散数据。
S801：生成离散角度序列，其中，/>。
S802：确定离散取数的半径区间n的值，n等于测压系统的平均采样率f_P除以20后再向零取整。
S803：在连续数据矩阵[V]的机构迎角序列中，依次查找最接近离散角度的行号，记为j行。以第j行数据为基准，求出连续数据矩阵[V]中j-n行数据至j+n行数据每列数据的平均值，生成离散角度 />对应离散数据，依次离散后，/>行的离散数据组成离散数据矩阵[LS]，即[LS]是由VP1 i~VPn i、P0i、Pcti、T0i、Ami、Alphai等数据列组成。
S9：将S803生成的离散数据矩阵[LS]按照阶梯测压原始数据文件格式输出。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
通过此数据处理方法后，可将大容量的分散的、不同步的多个采集系统采集的连续试验数据精准同步起来，准确描述出试验过程中多个采集系统采集的全部变量之间的相互关系；将连续试验数据的离散处理，并按照阶梯测压原始数据的保存格式保存，缩小连续测压试验数据的数据量，而且可以将对连续变迎角测压数据的后续处理分析归一化到阶梯测压处理的流程中，即简化了对连续变迎角测压数据处理的难度，同时也方便了连续变迎角测压和阶梯测压的比较分析；工程应用中，即可以方便实现这两种试验方式在风洞试验中的灵活切换，同时提高风洞试验效率，使风洞试验的信息量成倍增长工程适用性强，经济便捷。通过对连续采集的连续原始信号的滤波降噪，剔除非有效状态的数据点，有利于提试验数据质量，保证其有效性。
另外，处理中获取的连续有效段的测压数据可以细腻的表现出各压力测点在风洞试验中随迎角连续变化的趋势，可准确定位出试验模型表面激波掠过的位置和角度等，为试验数据的精细化分析提供有力的支持。
附图说明
本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：
图1是连续变迎角测压试验数据处理流程图；
图2是压力连续数据文件格式；
图3是VXI/PXI连续数据文件格式；
图4 是压力阶梯数据文件格式。
具体实施方式
本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
本说明书（包括任何附加权利要求、摘要和附图）中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。
如图1 所示，本实施例按照以下流程进行，
S1：连续变迎角测压试验数据处理需要读取同车次（20229999）的VXI系统和Initium系统采集的连续数据文件：
S101：VXI连续数据文件ContAcqVXI20229999.txt，由VXI系统产生，公共信息部分包含车次号20229999、大气压、名义马赫数、名义起/止迎角（-6.2, 8.2）、采集启动时刻、总测点数、总采集时间等参数。采集数据部分包含各通道标识“P0”、“Pct”、“Am”、“Alpha”、初读数、采集值、有效迎角的阶梯起始结束位置标识“FlagF_Id”，以及采集每行数据的采集时刻时间戳信息。数据格式如图2所示。系统采样率为300Hz。
S102：压力连续数据文件psiConAcq20229999.scntxt由Initium系统产生，公共信息部分包含车次号、大气压、采集设备、采集启动时刻、总测点数、总采集时间等参数。采集数据部分包含通道标识和采集的压力数据值以及有效迎角的起始位置阶梯标识“FlagP_Id”、采集时刻时间戳等。压力连续采集的采样率≥100Hz。
S103：检查VXI连续数据采样率300 Hz ≥ 压力连续采集的采样率100Hz，满足数据处理要求。
S2：在压力连续数据文件psiConAcq20229999.scntxt中查找异常数据，对压力数据超过压力传感器量程的异常数据（±15psid量程的模块，满量程约为±103kPa，1.5倍量程约为±155kPa）用999赋值。
S3：对连续数据进行无滞后的滤波降噪处理。
S301：选用ButterWorth无滞后低通数字滤波器对ContAcqVXI20229999.txt连续数据文件中的采集的风洞总、静压、总温、模型迎角、机构迎角数据进行数字滤波，滤波频率为2Hz；滤波阶数为3阶。注意滤波处理时避开起、止迎角稳定段标识FlagF_Id、采集时刻时间戳。
S302：选用ButterWorth无滞后低通数字滤波器对psiConAcq20229999.scntxt文件中的全部压力数据进行滤波处理，滤波频率为3Hz，滤波阶数为3阶。注意滤波处理时避开起、止迎角稳定段标识FlagP_Id、采集时刻时间戳。
S4：将通过数字滤波后ContAcqVXI20229999.txt文件中的风洞总压、静压、总温、模型迎角、机构迎角等电压测值等进行物理量的转换，即计算出风洞总压P0、静压Pct、总温T0、马赫数M、来流静压P8、速压q、雷诺数Re、模型迎角Alpha、机构迎角Am等。
S5：将ContAcqVXI20229999.txt文件中的时间戳和psiConAcq20229999.scntxt文件中的时间戳同步对齐。
S501：根据ContAcqVXI20229999.txt文件中总测点数、总采集时间，计算出VXI数据采集系统本次试验真实准确的平均采样率f_F（设置采样率为300Hz，实际采样率为300.133Hz），并构建新的时间序列T_F = 点数/f_F替换VXI/PXI连续数据文件中原先的时间戳序列。
S502：根据psiConAcq20229999.scntxt文件中采集数据的总测点数、总采集时间，计算出电子扫描阀系统本次车真实准确的平均采样率f_P（设置采样率为100Hz，实际采样率为100.167Hz）、并构建新的时间序列T_P= 点数/f_P替换该文件中原先的时间戳序列。
S503：将psiConAcq20229999.scntxt文件中的采集启动时刻与ContAcqVXI20229999.txt文件中的采集启动时刻相减得到这两系统采集起始时刻的时差Δt1，单位精确到毫秒，如：Δt1=2022_03_12_15_24_40_466-2022_03_12_15_24_40_287=178ms。
S504：根据压力管的平均长度为0.6米、管径0.8mm、风洞静压为20kPa，得到平均压力延迟时间Δt2 = 50ms。
S505：修正VX连续数据中的时间戳序列，使其与Initium数据的时间戳同步，即VT= T_F –Δt1+Δt2。
S6：根据测压连续文件中的起、止迎角稳定段标识FlagP_Id，搜索找起始迎角位置和终止迎角位置，起始迎角位置为FlagP_Id=1，终止迎角位置为FlagP_Id=最大整数，将两端外延300点作为有效数段数据。有效数据段的起点为Data_Beg，终点为Data_End。
S7：将S4中计算出对应VT时间的总压P0、静压Pct、总温T0、模型迎角Alpha、机构迎角Am等物理量，按时间T_P插值映射添加到测压数据有效段数据中，记为连续数据矩阵[V]。
S8：以机构攻角Am为离散基准，根据起始名义角αbeg=-6°，终止名义角αend=8°，离散间距Δα=0.2°，将数据矩阵[V]处理为离散数据。
S801：生成的离散角度序列 ]=[-6，-5.8，-5.6，-5.4，…，8]，共包含71个阶梯。
S802：离散取数的半径区间n = f_P/20 =100.167/20 = 5.0084，向零取整后n =5。
S803：在连续数据矩阵[V]中的机构迎角列中，依次查找最接近离散角度的行号，记为j行。以j行数据为基准，求出连续数据矩阵[V]中j-n行数据至j+n行数据每列数据的平均值，生成离散角度 />对应离散数据，按照离散角度序列/>依次离散完后，形成由71行离散测压数据组成的离散数据矩阵[LS]，即[LS]是由VP1 i~VPn i、P0i、Pcti、T0i、Ami、Alphai等数据列组成。
S9：将S803生成的离散数据[LS]按照阶梯测压原始数据文件格式输出，文件名记为Dis20229999.PSTD。输出文件如图4所示。
本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。
Claims (3)
1.一种暂冲式高速风洞连续变迎角测压试验数据处理方法，其特征在于包括以下步骤：
S1：读取同次试验的数据采集系统和电子扫描阀系统采集的连续数据：
S2：在压力连续数据中查找异常数据，对压力数据超过压力传感器量程的异常数据进行赋特定值处理；
S3：对连续数据进行无滞后的滤波降噪处理；
S4：将数据采集系统采集的连续数据中数字滤波后的总压、静压、总温、模型迎角、机构迎角的电压测值进行物理量转换；
S5：将数据采集系统采集的连续数据中采集时刻时间戳和压力连续数据中采集时刻时间戳同步统一对齐；
S6：根据测压连续数据中的起、止迎角稳定段标识选取数据，两端外延200~400点后作为有效段数据；
S7：将S4中计算出流场和模型姿态的物理量数据按时间插值映射增加到测压数据的有效段数据列中，得到新的连续数据矩阵；
S8：以试验机构迎角为离散基准，根据起始名义角、终止名义角、离散间距，将连续数据矩阵转换为离散数据；
S9：将生成的离散数据矩阵按照阶梯测压原始数据文件输出。
2.根据权利要求1所述的一种暂冲式高速风洞连续变迎角测压试验数据处理方法，其特征在于在S5中：
S501：根据数据采集系统采集的连续数据中的总测点数、总采集时间，计算出本次试验真实准确的平均采样率，并构建新的时间序列 替换数据采集系统采集的连续数据中初始的时间戳序列；
S502：根据压力连续数据中的总测点数、总采集时间，计算出电子扫描阀系统在本次试验中的真实准确的平均采样率，并构建新的时间序列 替换压力连续数据中初始的时间戳序列；
S503：计算出压力连续数据中的采集启动时刻与数据采集系统连续数据中的采集启动时刻的时差 ，时差精度为毫秒级；
S504：根据压力管路的平均长度、管径、风洞静压参数，确定出当前试验测压管路的平均压力延迟时间 ；
S505：修正数据采集系统连续数据中的时间戳序列，使其与连续压力数据的时间戳同步， 。
3.根据权利要求1所述的一种暂冲式高速风洞连续变迎角测压试验数据处理方法，其特征在于在S8中数据离散化包括以下步骤：
S801：生成离散角度序列 ，其中， />；
S802：确定离散取数的半径区间n的值，n等于测压系统的平均采样率除以20后再向零取整；
S803：在连续数据矩阵 的机构迎角序列中，依次查找最接近离散角度/>的行号，记为j行，以第j行数据为基准，求出连续数据矩阵 />中j-n行数据至j+n行数据每列数据的平均值，生成离散角度/>对应离散数据，依次离散后， />行的离散数据组成离散数据矩阵 />。
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