CN117007274B - 一种亚声速风洞回路质量流量测量方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种亚声速风洞回路质量流量测量方法，涉及风洞综合性能调试技术领域，包括：获得风洞对应的稳定段总压、稳定段总温和喷管沿程静压分布；计算获得喷管沿程静温分布；计算获得喷管沿程速度分布；计算获得喷管沿程粘度分布；计算获得喷管出口密度；根据喷管沿程粘度分布和喷管沿程速度分布计算获得喷管出口边界层动量厚度；根据喷管出口尺寸和喷管出口边界层动量厚度计算获得喷管出口有效流通面积；基于喷管沿程速度分布获得喷管出口速度，根据喷管出口有效流通面积、喷管出口速度和喷管出口密度计算获得喷管质量流量，本发明能够快速准确的实现亚声速风洞回路质量流量测量。

Description

一种亚声速风洞回路质量流量测量方法
技术领域
本发明涉及风洞综合性能调试技术领域，具体地，涉及一种亚声速风洞回路质量流量测量方法。
背景技术
风洞是支撑航空航天飞行器研制不可或缺的地面试验设施。连续式风洞具有试验效率高、流场品质优良等特点，可更好满足航空航天飞行器研制需求，近年来低速风洞和跨声速风洞建设以连续式风洞为主。确保风洞运行安全是充分发挥连续式风洞优势的必要条件、是连续式风洞研制需要重点关注的内容。压缩机是连续式风洞的核心子系统，准确评估风洞压缩机系统热力性能是科学制定压缩机系统运行控制策略确保风洞运行安全的基础。
准确评估压缩机热力性能需要高精度测定风洞压缩机进口质量流量，即风洞主回路质量流量。传统的基于稳定段总温、稳定段总压和喷管出口单点静压的质量流量测量方法未考虑喷管壁面边界层发展对喷管出口有效流通面积产生的影响，质量流量测量误差达到1%-2%，无法满足风洞压缩机热力性能准确评估的需求，而传统的边界层动量厚度计算（用于计算喷管出口有效流通面积）需求解复杂的边界层偏微分方程组，工程实现复杂。
发明内容
本发明目的是解决传统方法精度不高进而无法准确评估风洞压缩机系统热力性能的问题，以及解决传统方法的需通过求解复杂边界层偏微分方程组导致边界层动量厚度计算复杂的问题。
为实现上述发明目的，本发明提供了一种亚声速风洞回路质量流量测量方法，所述方法包括：
步骤1：获得风洞对应的稳定段总压、稳定段总温和喷管沿程静压分布；
步骤2：基于稳定段总压、稳定段总温和喷管沿程静压计算获得喷管沿程静温分布；
步骤3：基于喷管沿程静温分布和稳定段总温计算获得喷管沿程速度分布；
步骤4：基于喷管沿程静温分布计算获得喷管沿程粘度分布；
步骤5：基于稳定段总压、稳定段总温和喷管沿程静压计算获得喷管出口密度；
步骤6：根据喷管沿程粘度分布和喷管沿程速度分布计算获得喷管出口边界层动量厚度；
步骤7：根据喷管出口尺寸和喷管出口边界层动量厚度计算获得喷管出口有效流通面积；
步骤8：基于喷管沿程速度分布获得喷管出口速度，根据喷管出口有效流通面积、喷管出口速度和喷管出口密度计算获得喷管质量流量。
其中，由于无需求解复杂的边界层偏微分方程组而仅通过基于简单积分表达式的喷管出口边界层动量厚度的计算方式便可求解边界层动量厚度，本方法通过构建基于提出的简易边界层动量厚度计算公式、稳定段总压、稳定段总温和喷管沿程静压能够快速计算出喷管出口边界层动量厚度进而获得喷管出口有效流通面积，基于喷管出口有效流通面积和喷管出口流场参数最终计算出高精度质量流量。
本发明用于连续式风洞综合性能调试中的风洞压缩机系统热力性能调试，用于解决传统的基于风洞稳定段总温、稳定段总压和喷管出口单点静压的质量流量测量方法精度不高进而无法准确评估风洞压缩机系统热力性能和科学制定风洞压缩机系统运行控制策略的难题以及解决传统的需通过求解复杂边界层偏微分方程组而获取边界层动量厚度的问题。
其中，由于本方法考虑了边界层动量厚度对出口有效流动面积的影响，因而测量精度更高。
在一些实施例中，所述步骤1具体包括：在风洞稳定段布置总压探针获取稳定段总压；在风洞稳定段布置总温探针获取稳定段总温；在喷管段侧壁布置静压探针获取喷管沿程静压分布。
其中，通过在风洞的相应位置布置探针可快速准确的获得相应的参数。
在一些实施例中，喷管沿程静温分布的计算方式为：
；
其中，Ti为喷管沿程静温分布，Tt0为稳定段总温，Pi为喷管沿程静压分布，Pt0为稳定段总压，为工质比热比，i为沿程静压测点编号。
在一些实施例中，喷管沿程速度分布的计算方式为：
；
其中，Vi为喷管沿程速度分布，为工质比热比，Tt0为稳定段总温，R为工质气体常数，Ti为喷管沿程静温分布，i为沿程静压测点编号，Nmax为喷管沿程静压总测量点数，当变量符号中出现下标Nmax，表示对应变量在喷管出口的值。
在一些实施例中，喷管沿程粘度分布的计算方式为：
；
其中，为喷管沿程粘度分布，/>、T0和C均为常数，Ti为喷管沿程静温分布。
在一些实施例中，喷管出口密度的计算方式为：
；
其中，为喷管出口密度，R为工质气体常数，Tt0为稳定段总温，/>为工质比热比，PNmax为喷管出口静压，Pt0为稳定段总压。
为使边界层计算简便、工程可实现，在一些实施例中，喷管出口边界层动量厚度的计算方式为：
；
其中，为喷管出口边界层动量厚度，A为常数，x为沿喷管侧壁轴向距离，/>为喷管沿程粘度分布，Vi为喷管沿程速度分布。
在一些实施例中，喷管出口有效流通面积的计算方式为：
；
其中，Seff为喷管出口有效流通面积，h为喷管高度，w为喷管宽度，B为常数，为喷管出口边界层动量厚度。
其中，本方法中喷管出口有效流通面积采用上述计算方式的目的是提高本方法的精度，本方法考虑了边界层动量厚度对喷管出口有效流通面积的影响，因而测量精度更高。传统的方法不考虑边界层动量厚度对喷管出口有效流通面积的影响，而直接以喷管出口几何面积作为计算流量的有效流通面积（，与喷管出口有效流通面积的计算方式对比可知其未考虑修正，实际上需要考虑边界层动量厚度的修正）。传统方法不考虑修正的主要原因是边界层动量厚度求解复杂，工程难实现。
在一些实施例中，喷管质量流量的计算方式为：
；
其中，m为喷管质量流量，Seff为喷管出口有效流通面积，VNmax为喷管出口速度，为喷管出口密度。
本发明提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
本方法提出了一种简易边界层动量厚度计算方式，通过构建基于提出的简易边界层动量厚度计算公式、稳定段总压、稳定段总温、喷管沿程静压的亚声速风洞回路质量流量测量方法，由于本方法考虑了边界层动量厚度对喷管出口有效流通面积的影响，因而提高了亚声速喷管风洞回路质量流量测量精度，满足准确评估风洞压缩机系统热力性能进而科学制定压缩机系统运行控制策略的需求、提升风洞运行安全性。具体讲：
本方法提出一种可快速计算边界层动量厚度的简易边界层动量厚度计算方式及，基于该计算公式、稳定段总压、稳定段总温和喷管沿程静压分布，无需求解复杂的边界层偏微分方程组，可快速求出喷管出口动量厚度进而给出喷管出口有效流通面积；
基于本方法进行亚声速风洞回路质量流量测量，考虑了边界层动量厚度对喷管出口有效流通面积的影响，可大幅提高质量流量测量精度；
本方法对流量测量方法进行了规范，提出了测量准则，自动化程度高。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本发明的一部分，并不构成对本发明实施例的限定；
图1为一种亚声速风洞回路质量流量测量方法的流程示意图；
图2某连续式风洞声速喷管型面示意图；
图3传统测量方法和本发明测量方法所获得的测量误差对比示意图。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在相互不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述范围内的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。
实施例一
请参考图1，图1为一种亚声速风洞回路质量流量测量方法的流程示意图，本发明提供了一种亚声速风洞回路质量流量测量方法，所述方法包括：
步骤1：获得风洞对应的稳定段总压、稳定段总温和喷管沿程静压分布；
步骤2：基于稳定段总压、稳定段总温和喷管沿程静压计算获得喷管沿程静温分布；
步骤3：基于喷管沿程静温分布和稳定段总温计算获得喷管沿程速度分布；
步骤4：基于喷管沿程静温分布计算获得喷管沿程粘度分布；
步骤5：基于稳定段总压、稳定段总温和喷管沿程静压计算获得喷管出口密度；
步骤6：根据喷管沿程粘度分布和喷管沿程速度分布计算获得喷管出口边界层动量厚度；
步骤7：根据喷管出口尺寸和喷管出口边界层动量厚度计算获得喷管出口有效流通面积；
步骤8：基于喷管沿程速度分布获得喷管出口速度，根据喷管出口有效流通面积、喷管出口速度和喷管出口密度计算获得喷管质量流量。
下面对本方法进行具体介绍：
该测量方法的步骤如下：
在风洞稳定段布置总压探针，获取稳定段总压Pt0；
在风洞稳定段布置总温探针，获取稳定段总温值Tt0；
在喷管段侧壁（非曲面型面，工程易实现）布置静压探针，获取喷管沿程静压，Nmax为喷管沿程静压总测量点数，PNmax为喷管出口静压值；
根据稳定段总压Pt0、稳定段总温Tt0和喷管沿程静压Pi计算喷管沿程静温分布Ti，喷管沿程速度分布Vi，VNmax为喷管出口速度，为沿程粘度分布，/>为喷管出口密度；
根据沿程粘度分布和沿程速度分布Vi计算喷管出口边界层动量厚度/>；
根据喷管出口尺寸包括喷管高h和喷管宽w，喷管出口边界层动量厚度计算喷管出口有效流通面积Seff；
根据喷管出口有效流通面积Seff、喷管出口速度VNmax和喷管出口密度计算获得喷管质量流量m。
其中，喷管沿程静温分布Ti可根据稳定段总压Pt0、稳定段总温Tt0和喷管沿程静压Pi计算获得：，/>为工质比热比。
其中，喷管沿程速度分布Vi可根据稳定段总压Pt0、稳定段总温Tt0和喷管沿程静压Pi计算获得：，R为工质气体常数。
其中，可根据稳定段总压Pt0、稳定段总温Tt0和喷管沿程静压Pi计算喷管沿程粘度分布：/>，/>、T0和C均为常数。
其中，可根据稳定段总压Pt0、稳定段总温Tt0和喷管沿程静压PNmax计算喷管出口密度：/>。
其中，可根据沿程速度分布Vi和沿程粘度分布计算喷管出口边界层动量位移厚度：/>，式中，A为常数，x为沿喷管侧壁轴向距离。
其中，可根据喷管出口尺寸即喷管高h和喷管宽w，喷管出口边界层动量厚度计算喷管出口有效流通面积Seff：/>，式中，B为常数，常数B提前采用CFD校核确定。
其中，可根据喷管出口有效流通面积Seff、喷管出口速度VNmax和喷管出口密度计算获得喷管质量流量m：/>。
下面举例对本发明进行介绍：
某连续式风洞的运行工质为洁净干燥空气，该风洞通过声速喷管（如图2）构建Ma0.2-Ma1.0目标流场。基于本发明测量风洞回路质量流量需要获取稳定段总压、稳定段总温和喷管沿程静压，并根据上述参数评估喷管出口边界层动量厚度和喷管出口的有效流通面积进而实现对风洞回路质量流量的高精度测量。具体实施步骤如下：
（1）在风洞稳定段布置总压探针和总温探针，在喷管侧壁（非型面，工程易实现）布置静压测孔获取稳定段总压Pt0、稳定段总温Tt0和喷管沿程静压Pi；
（2）根据获得的稳定段总压、稳定段总温和喷管沿程静压计算喷管沿程静温Ti、粘度分布、速度分布Vi、喷管出口密度/>并根据沿程粘度和速度分布计算喷管出口的动量厚度/>；
；
；
；
；
。
根据喷管出口动量厚度和喷管出口几何尺寸高h和宽w计算喷管出口有效通流面积Seff，通过CFD方法获得常数B约为1.75；
；
根据有效流通面积Seff、喷管出口速度VNmax和喷管出口密度计算获得风洞回路质量流量m；
；
以上为本发明的最佳实施方式，依据本发明公布的内容，能容易得出其他亚声速风洞回路质量流量高精度测量的具体方案。
依照上述具体实施步骤获得的某连续式风洞回路质量流量的最大误差为0.129%，基于常规测量方法获得的风洞回路质量流量最大误差为1.572%。不同误差对比见图3。
本方法通过构建基于提出的简易边界层动量厚度计算公式、稳定段总温、稳定段总压和喷管沿程静压的简易高精度亚声速风洞回路质量流量测量方法解决了常规边界层偏微分方程组求解复杂和传统的基于风洞稳定段总温、稳定段总压和喷管出口单点静压的亚声速风洞回路质量流量测量精度不高的问题，为准确评估风洞压缩机系统气动性能、科学制定风洞压缩机系统运行控制策略进而提升风洞运行安全性能提供了切实可行的技术支撑。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (6)

1.一种亚声速风洞回路质量流量测量方法，其特征在于，所述方法包括：
步骤1：获得风洞对应的稳定段总压、稳定段总温和喷管沿程静压分布；
步骤2：基于稳定段总压、稳定段总温和喷管沿程静压计算获得喷管沿程静温分布；
步骤3：基于喷管沿程静温分布和稳定段总温计算获得喷管沿程速度分布；
步骤4：基于喷管沿程静温分布计算获得喷管沿程粘度分布；
步骤5：基于稳定段总压、稳定段总温和喷管沿程静压计算获得喷管出口密度；
步骤6：根据喷管沿程粘度分布和喷管沿程速度分布计算获得喷管出口边界层动量厚度；
步骤7：根据喷管出口尺寸和喷管出口边界层动量厚度计算获得喷管出口有效流通面积；
步骤8：基于喷管沿程速度分布获得喷管出口速度，根据喷管出口有效流通面积、喷管出口速度和喷管出口密度计算获得喷管质量流量；
喷管出口边界层动量厚度的计算方式为：
；
其中，为喷管出口边界层动量厚度，A为常数，x为沿喷管侧壁轴向距离，/>为喷管沿程粘度分布，Vi为喷管沿程速度分布；
喷管出口有效流通面积的计算方式为：
；
其中，Seff为喷管出口有效流通面积，h为喷管高度，w为喷管宽度，B为常数，为喷管出口边界层动量厚度；
喷管质量流量的计算方式为：
；
其中，m为喷管质量流量，Seff为喷管出口有效流通面积，VNmax为喷管出口速度，为喷管出口密度。
2.根据权利要求1所述的一种亚声速风洞回路质量流量测量方法，其特征在于，所述步骤1具体包括：在风洞稳定段布置总压探针获取稳定段总压；在风洞稳定段布置总温探针获取稳定段总温；在喷管段侧壁布置静压探针获取喷管沿程静压分布。
3.根据权利要求1所述的一种亚声速风洞回路质量流量测量方法，其特征在于，喷管沿程静温分布的计算方式为：
；
其中，Ti为喷管沿程静温分布，Tt0为稳定段总温，Pi为喷管沿程静压分布，Pt0为稳定段总压，为工质比热比，i为沿程静压测点编号。
4.根据权利要求1所述的一种亚声速风洞回路质量流量测量方法，其特征在于，喷管沿程速度分布的计算方式为：
；
其中，Vi为喷管沿程速度分布，为工质比热比，Tt0为稳定段总温，R为工质气体常数，Ti为喷管沿程静温分布，i为沿程静压测点编号，Nmax为喷管沿程静压总测量点数。
5.根据权利要求1所述的一种亚声速风洞回路质量流量测量方法，其特征在于，喷管沿程粘度分布的计算方式为：
；
其中，为喷管沿程粘度分布，/>、T0和C均为常数，Ti为喷管沿程静温分布。
6.根据权利要求1所述的一种亚声速风洞回路质量流量测量方法，其特征在于，喷管出口密度的计算方式为：
；
其中，为喷管出口密度，R为工质气体常数，Tt0为稳定段总温，/>为工质比热比，PNmax为喷管出口静压，Pt0为稳定段总压。
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