CN117647374B - 基于动态压力数据获取高速射流剪切层迁移速度的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于动态压力数据获取高速射流剪切层迁移速度的方法，涉及高速风洞试验技术领域，包括：在具有稳定流场的高速自由射流风洞试验中，通过垂直调整带压力传感器的测试支架探头与高速射流剪切层区域的空间位置，以采集三组动态压力数据；基于对每组动态压力数据之间的互相关函数进行归一化处理，提取最大互相关系数对应的三个时间延迟值；将三个时间延迟值代入公式，以得到高速射流剪切层的迁移速度U C。本发明公开一种基于动态压力数据获取高速射流剪切层迁移速度的方法，其能根据风洞动态压力试验数据的相关性来获取大尺度空间高速射流剪切层的迁移速度，为高速射流风洞流场品质控制、风洞安全运行、试验方案制定提供重要输入。
Description
技术领域
本发明涉及高速风洞试验技术领域。更具体地说，本发明涉及一种基于动态压力数据获取高速射流剪切层迁移速度的方法。
背景技术
相比传统的常规闭口试验段风洞，高速自由射流风洞试验段无固壁边界的约束（试验段可被称为试验舱），因此对试验模型阻塞度和安装方式的限制较小，可开展在常规风洞中难以开展的飞行器组合动力、动态开伞、内外流耦合特性、全尺寸内埋武器分离等特种风洞试验。我国高速射流风洞相比美国、俄罗斯等航空航天大国起步较晚，但发展较快，目前试验能力达到世界先进水平。
高速自由射流风洞喷管口形成的大尺度高速射流对试验舱内静止空气进行强有力的冲击、剪切和夹带，流体卷起所形成的漩涡从喷管出口开始形成周期性涡脱结构，在射流剪切层中以迁移速度向下游不断发展、加强和失稳。这些涡结构与下游的收集器入口发生碰撞，形成的压力扰动逆流向上反馈、传播至喷管出口，触发新的涡脱落，从而形成一个封闭的反馈环。
反馈环的形成在试验舱大尺度空间射流场中诱导低频压力脉动，一方面使试验舱流场品质遭到破坏，其明显的特征在于一定速度条件下试验舱静压波动过大，由此引发流场马赫数控制精度下降；另一方面若这些低频压力脉动频率与试验舱结构部件固有频率或舱室声振频率接近，将引发强烈的结构振动，对风洞的安全运行造成一定的威胁。可见，快速准确预测反馈环形成的频率对于风洞流场品质控制、风洞安全运行、试验方案制定等具有重要的实际意义，而高速射流剪切层的迁移速度，即涡结构顺流发展演化的当地速度，是快速准确（或称为更加快速精确）预测反馈环形成频率的关键环节，但目前预测反馈环中采用的高速射流剪切层迁移速度，通常采用的是估计的一个比例值（如0.6），这对精确预测反馈环造成了严重影响。因此，亟需发展一种能够准确获取高速射流剪切层迁移速度的试验方法。
发明内容
本发明的一个目的是解决至少上述问题和/或缺陷，并提供至少后面将说明的优点。
为了实现本发明的这些目的和其它优点，提供了一种基于动态压力数据获取高速射流剪切层迁移速度的方法，包括：
S1、在具有稳定流场的高速自由射流风洞试验中，通过垂直调整带压力传感器的测试支架探头与高速射流剪切层区域的空间位置，以采集三组动态压力数据；
S2、基于对每组动态压力数据之间的互相关函数进行归一化处理，提取最大互相关系数对应的三个时间延迟值τ 1、τ 2、τ 3；
S3、将S2中得到的τ 1、τ 2、τ 3代入下式，以得到高速射流剪切层的迁移速度U C：
上式中，ΔL为传感器之间的间距；为取绝对值符号。
优选的是，还包括：
S4、基于S3得到的迁移速度U C和高速射流名义马赫数Ma n ，基于下式得到射流剪切层的迁移速度比例：
上式中，c 0为风洞稳定段声速，γ为比热比。
优选的是，在S1中，所述压力传感器通过相配合的测试支架、弯刀机构安装在高速自由射流风洞的四自由度支撑机构上；
其中，所述探头通过测试支架上的倾斜仪完成调平操作；
所述四自由度支撑机构将探头的中心轴线与高速自由射流风洞的轴线调整为重合状态，同时使探头前缘与风洞喷管出口截面的距离为1.5D，D为喷管出口水力直径。
优选的是，所述压力传感器为两支，分别记为a、b，且a、b均安装在探头前端的等直段上；
其中，a、b在垂直Y方向上均处于风洞轴线高度，与探头锥形前缘的距离分别为L a 、L b ，a、b在轴向Z方向上的距离ΔL为：
上式中，，且/>，d为探头的直径。
优选的是，动态压力数据的采集方式为：
将a、b分别接入动态数据采集系统同一采集卡的两路通道；
采用系统时钟服务器同步信号，并按10K~20K的采样率进行数据采集存储；
在传感器至动态数据采集系统线路布置好后，通过PID控制的手持标准压力源对a、b进行分段加压校准。
优选的是，在S1中，所述稳定流场的高速自由射流风洞试验是指在高速射流名义马赫数Ma n 条件下，启动高速自由射流风洞，调整风洞运行总压以建立稳定的高速射流流场。
优选的是，在S1中，三组动态压力数据的采集流程为：
在垂直Y方向上驱动风洞四自由度支撑机构，以使探头向下运动0.4D，在剪切层上沿，延时t 1秒后采集第一组动态压力数据T 1秒；
驱动风洞四自由度支撑机构，使探头继续向下运动0.1D，在剪切层居中位置，延时t 2秒后，采集第二组动态压力数据T 2秒；
驱动风洞四自由度支撑机构，使探头继续向下运动0.1D，在剪切层下沿，延时t 3秒后，采集第三组动态压力数据T 3秒；
其中，D为喷管出口水力直径；三组动态压力数据均采用同样的采样频率f s 进行采样。
优选的是，在S2中，每组动态数据之间的互相关函数R ab,k (τ)通过下式获得：
上式中，下标a和b分别代表两支传感器，下标k表示三组动态压力数据中的第k组，τ代表a和b动态压力数据的时间延迟值，t表示的是时间变量，T表示的是信号时间长度，p表示的是动态压力数据。
优选的是，通过下式对各组动态压力数据互相关函数进行归一化处理：
上式中，R aa,k (0)和R bb,k (0)为a、b的动态压力数据自相关函数在时间延迟τ=0时的取值；
将每组动态压力数据的互相关函数进行归一化处理后，提取最大系数分别为、/>、/>，则对应的时间延迟分别为τ 1、τ 2、τ 3。
本发明至少包括以下有益效果：本发明适用于在亚跨超声速范围内，根据风洞动态压力试验数据的相关性来获取大尺度空间高速射流剪切层的迁移速度，从而确定剪切层涡结构向下游迁移的时间以及涡-收集器压力干扰向上游传播的时间，为高速射流风洞流场品质控制、风洞安全运行、试验方案制定提供重要输入。
本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
附图说明
图1为本发明公布的一种基于动态压力数据获取大尺度空间高速射流剪切层迁移速度试验方法的流程图；
图2为本发明的动态压力测试支架在高速自由射流风洞支撑机构上的安装示意图；
图3为本发明的剪切层区域靠上位置（距离风洞中心轴线0.4D）的动态压力数据互相关性系数分布示意图；
图4为本发明的剪切层区域居中位置（距离风洞中心轴线0.5D）的动态压力数据互相关性系数分布示意图；
图5为本发明的剪切层区域靠下位置（距离风洞中心轴线0.6D）的动态压力数据互相关性系数分布示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
一种基于动态压力数据获取高速射流剪切层迁移速度的方法，主要包括以下步骤：
S1、在高速射流风洞支撑机构上安装测试支架，支架探头中心轴线与风洞轴线重合；
首先，将专用的动态压力测试支架安装在高速自由射流风洞支撑机构上，测试支架设计有调平平台，采用倾斜仪调平测试支架探头；
其次，驱动风洞支撑机构，在试验舱中调整测试支架探头具体的轴向和垂直位置，保证探头中心轴线与风洞轴线重合以及探头前缘距离风洞喷管出口截面1.5D（D为喷管出口水力直径，射流风洞出口截面为的正方形）。
S2、在支架探头前端等直段安装两支动态压力传感器，校准并同步传感器信号；
测试支架探头前端为等直段（直径为d），加工有两个安装小孔，小孔直径稍大于传感器直径；
将两支高精度动态压力传感器平齐安装于小孔中（即传感器前端与等直段平面平齐），保证无气动台阶，采用专用胶水固定传感器；
两支传感器在垂直Y方向处于同一高度（即风洞轴线高度），距离探头前缘分别为L a 、L b ，传感器轴向Z方向相距（L a = 12d、L b = 18d，d为测试探头直径），/>，传感器a距离探头前端锥形面足够远，避免锥形面产生的气动干扰；/>，两测量位置距离足够远，避免形成气动干扰；
两支传感器接入动态数据采集系统同一采集卡的两路通道，采用系统时钟服务器同步信号，并按10K~20K采样率进行数据采集存储，本步骤为减少信号不同步对动态压力数据相关性的影响，采用时钟服务器、时间戳和上采样的方式，实现了传感器信号的集成同步以及动态压力采集系统与风洞测控系统的同步，保证了动态压力数据的可靠性；
传感器至动态数据采集系统线路布置好后，现场使用高精度可PID控制的手持标准压力源进行分段加压校准，修正传感器灵敏度系数，确保测量精准度。
S3、启动高速自由射流风洞，调整风洞运行压力建立稳定的流场；
按照大尺度空间高速射流名义马赫数Ma n ，启动高速自由射流风洞，调整风洞运行总压，建立稳定的高速射流流场。
S4、在垂直方向运动风洞支撑机构，调整测试支架探头位置至高速射流剪切层区域，采集三组动态压力数据，本步骤主要是在动态压力数据采集过程中，驱动高速自由射流风洞四自由度机构让测试探头位于剪切层区域中的上、中、下三个阶梯位置，避免单次评估剪切层迁移速度造成的随机误差，同时本步骤充分考虑到了测试支架探头前缘锥形面的干扰、不同传感器安装位置的干扰以及试验过程中机构运动产生的流场干扰，通过设计合理的物理间距以及在试验流程中引入延时来避免这些干扰，保证了动态压力信号的精确性；
首先，在垂直Y方向驱动风洞支撑机构，调整机构及支架探头向下运动0.4D，在剪切层上沿，延时t 1秒后采集第一组动态压力数据T 1秒采样频率为f s ；
然后，调整机构及支架探头继续向下运动0.1D，在剪切层居中位置，延时t 2秒后采集第二组动态压力数据T 2秒；
最后，调整机构及支架探头继续向下运动0.1D，在剪切层下沿，延时t 3秒后采集第三组动态压力数据T 3秒。机构调整后的延时主要是避免机构运动对流场造成的干扰，避免产生测量误差，对于延时和动态数据采集时间要求有、/>。
S5、关闭高速自由射流风洞；
计算每组动态压力数据之间的互相关函数，归一化处理后提取最大互相关系数对应的时间延迟值；
按照下列两式计算每组动态压力数据自身的自相关函数R aa,k (τ)、R bb,k (τ) ：
按照下式计算每组动态数据之间的互相关函数R ab,k (τ) ：
上列三式中：下标a和b分别代表第一、第二支传感器；下标k表示第k组动态压力数据，一共三组；τ代表传感器a和b动态压力数据的时间延迟值。自相关函数描述传感器a或b动态压力信号与其时间延迟τ的相似程度；而互相关函数表示传感器a的动态压力信号在时间延迟τ的情况下与传感器b的动态压力信号的相似程度，最大的相似程度（互相关系数）对应的时间延迟值可以用来计算剪切层的迁移速度。
按照下式对动态压力数据互相关函数进行归一化处理：
上式中，R aa,k (0)和R bb,k (0)分别表示传感器a和b动态压力数据自相关函数在时间延迟τ=0时的取值。
计算获得每一组动态压力数据的互相关函数，归一化处理，提取其中的最大系数，分别为、/>、/>，对应的时间延迟分别为τ 1、τ 2、τ 3。
S6、根据每组动态压力数据的延迟时间及传感器间距，计算高速射流剪切层的迁移速度并平均，获取最终的迁移速度；
按照下式计算高速射流剪切层的迁移速度U C：
式中：ΔL为传感器a和b的间距；为取绝对值符号。
S7、根据迁移速度和高速射流名义马赫数确定剪切层迁移速度比例。按照下式确定射流剪切层迁移速度比例：
式中：c 0为风洞稳定段声速，；γ为比热比，γ=1.4。
本发明提供的基于高速自由射流风洞动态压力数据快速精确获取大尺度空间高速射流剪切层迁移速度的试验方法，具有简便高效、理论依据充分的优点，满足了高速自由射流风洞试验舱流场非定常特性分析的需求。
实施例：
本实施例的高速射流风洞大尺度空间试验舱射流场名义马赫数为0.85，即Ma n =0.85。
如图1所示，本实施例的具体实施步骤如下：
S10、在高速射流风洞支撑机构上安装测试支架，支架探头中心轴线与风洞轴线重合；
如图2所示，在高速自由射流风洞四自由度支撑机构1上，通过弯刀机构2安装动态压力测试支架3，采用倾斜仪调整支架滚转位置，保证支架水平参考面处于水平位置；在风洞轴向和垂直方向驱动风洞四自由度机构，调整测试支架的具体位置，让测试支架探头中心轴线与风洞中心轴线重合以及探头前缘距离风洞喷管出口4截面1.5D（D = 2m），则该距离为3m。
S20、在支架探头前端等直段安装两支动态压力传感器，校准并同步传感器信号；
如图2所示，测试支架探头前端等直段（直径d=30mm）分别加工两个动态压力传感器安装小孔，孔直径稍大于传感器直径1.7mm，即二者为间隙配合；将两支高精度微型动态压力传感器安装与小孔中，采用专用胶水固定，传感器头部与安装面平齐，无气动台阶；
两支传感器在垂直Y方向均处于风洞轴线高度（3.25m），传感器a、传感器b距离探头锥形前缘分别为L a = 360mm、L b = 540mm，距离锥形面前端足够远（），避免锥形面气动干扰；传感器a和b轴向相距/>= 180mm，距离足够远（/>），避免传感器之间的测量干扰；两支传感器接入动态数据采集系统同一块采集卡的两路通道，两路通道使用动态数据采集系统机箱自带时钟服务器同步数据信号，并按10K~20K采样率进行采集存储；传感器至动态数据采集系统整条线路敷设布置好后，现场使用高精度可PID控制的手持标准压力源进行分段加压校准，并计算修正传感器灵敏度系数，确保传感器测量精准度。
S30、启动高速自由射流风洞，调整风洞运行压力建立稳定的流场；
按照高速自由射流风洞名义马赫数Ma n = 0.85对应的运行总压119kPa启动射流风洞，调整风洞调压阀开度，建立Ma n = 0.85稳定流场。
S40、在垂直方向运动风洞支撑机构，调整测试支架探头位置至高速射流剪切层区域，采集三组动态压力数据；
在垂直Y方向驱动风洞四自由度支撑机构，调整机构及支架向下运动0.8m（0.4D），在剪切层上沿，延时t 1秒后采集第一组动态压力数据T 1秒，采样频率f s = 10kHz；继续向下运动机构及支架0.2m（0.1D），在剪切层居中位置，延时t 2秒后以同样采样频率采集第二组动态压力数据T 2秒；继续向下运动机构及支架0.2m（0.1D），在剪切层下沿，延时t 3秒后以同样采样频率采集第三组动态压力数据T 3秒。其中，延迟时间/>，采集时间/>。
S50、关闭高速自由射流风洞；
S60、计算每组动态压力数据之间的互相关函数，归一化处理后提取最大互相关系数对应的时间延迟值；
计算每组动态压力数据的自相关函数R aa,k (τ)、R bb,k (τ) ：
计算每组动态数据之间的互相关函数R ab,k (τ) ：
上式中：下标a和b分别代表第一、第二支传感器；下标k表示第k组动态压力数据，一共三组；τ代表传感器a和b动态压力数据的时间延迟值。自相关函数描述传感器a或b动态压力信号与其时间延迟τ的相似程度；互相关函数表示传感器a的动态压力信号在时间延迟τ的情况下与传感器b的动态压力信号的相似程度，最大的相似程度（互相关系数）对应的时间延迟值可以用来计算剪切层的迁移速度。
按照下式对动态压力数据互相关函数进行归一化处理：
上式中，R aa,k (0)和R bb,k (0)分别表示传感器a和b动态压力数据自相关函数在时间延迟τ=0时的取值。
计算获得每组动态压力数据的互相关函数，归一化处理，提取最大系数，分别为、/>、/>，对应的时间延迟分别为τ 1、τ 2、τ 3，如图3、图4、图5所示，其中，图3中的R1表示第一组数据所对应的互相关系数，图4中的R2表示第二组数据所对应的互相关系数，图5中的R3表示第三组数据所对应的互相关系数 。
S70. 根据每组动态压力数据的延迟时间及传感器间距，计算高速射流剪切层的迁移速度并平均，获取最终的迁移速度；
按照下式计算高速射流剪切层的平均迁移速度：
式中，ΔL为传感器a和b的间距；为取绝对值符号。
S80. 根据迁移速度和高速射流名义马赫数Ma n 确定剪切层迁移速度比例
按照下式确定射流剪切层迁移速度比例：
式中，c 0为风洞稳定段声速，；γ为比热比，γ=1.4。
以上方案只是一种较佳实例的说明，但并不局限于此。在实施本发明时，可以根据使用者需求进行适当的替换和/或修改。
这里说明的设备数量和处理规模是用来简化本发明的说明的。对本发明的应用、修改和变化对本领域的技术人员来说是显而易见的。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用。它完全可以被适用于各种适合本发明的领域。对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改。因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。
Claims (8)
1.一种基于动态压力数据获取高速射流剪切层迁移速度的方法，其特征在于，包括：
S1、在具有稳定流场的高速自由射流风洞试验中，通过垂直调整带压力传感器的测试支架探头与高速射流剪切层区域的空间位置，以采集三组动态压力数据；
S2、基于对每组动态压力数据之间的互相关函数进行归一化处理，提取最大互相关系数对应的三个时间延迟值τ 1、τ 2、τ 3；
S3、将S2中得到的τ 1、τ 2、τ 3代入下式，以得到高速射流剪切层的迁移速度U C：
上式中，ΔL为传感器之间的间距；为取绝对值符号；
还包括：
S4、基于S3得到的迁移速度U C和高速射流名义马赫数Ma n ，基于下式得到射流剪切层的迁移速度比例：
上式中，c 0为风洞稳定段声速，γ为比热比。
2.如权利要求1所述的基于动态压力数据获取高速射流剪切层迁移速度的方法，其特征在于，在S1中，所述压力传感器通过相配合的测试支架、弯刀机构安装在高速自由射流风洞的四自由度支撑机构上；
其中，所述探头通过测试支架上的倾斜仪完成调平操作；
所述四自由度支撑机构将探头的中心轴线与高速自由射流风洞的轴线调整为重合状态，同时使探头前缘与风洞喷管出口截面的距离为1.5D，D为喷管出口水力直径。
3.如权利要求2所述的基于动态压力数据获取高速射流剪切层迁移速度的方法，其特征在于，所述压力传感器为两支，分别记为a、b，且a、b均安装在探头前端的等直段上；
其中，a、b在垂直Y方向上均处于风洞轴线高度，与探头锥形前缘的距离分别为L a 、L b ，a、b在轴向Z方向上的距离ΔL为：
上式中，，且/>，d为探头的直径。
4.如权利要求3所述的基于动态压力数据获取高速射流剪切层迁移速度的方法，其特征在于，动态压力数据的采集方式为：
将a、b分别接入动态数据采集系统同一采集卡的两路通道；
采用系统时钟服务器同步信号，并按10K~20K的采样率进行数据采集存储；
在传感器至动态数据采集系统线路布置好后，通过PID控制的手持标准压力源对a、b进行分段加压校准。
5.如权利要求1所述的基于动态压力数据获取高速射流剪切层迁移速度的方法，其特征在于，在S1中，所述稳定流场的高速自由射流风洞试验是指在高速射流名义马赫数Ma n 条件下，启动高速自由射流风洞，调整风洞运行总压以建立稳定的高速射流流场。
6.如权利要求1所述的基于动态压力数据获取高速射流剪切层迁移速度的方法，其特征在于，在S1中，三组动态压力数据的采集流程为：
在垂直Y方向上驱动风洞四自由度支撑机构，以使探头向下运动0.4D，在剪切层上沿，延时t 1秒后采集第一组动态压力数据T 1秒；
驱动风洞四自由度支撑机构，使探头继续向下运动0.1D，在剪切层居中位置，延时t 2秒后，采集第二组动态压力数据T 2秒；
驱动风洞四自由度支撑机构，使探头继续向下运动0.1D，在剪切层下沿，延时t 3秒后，采集第三组动态压力数据T 3秒；
其中，D为喷管出口水力直径；三组动态压力数据均采用同样的采样频率f s 进行采样。
7.如权利要求1所述的基于动态压力数据获取高速射流剪切层迁移速度的方法，其特征在于，在S2中，每组动态数据之间的互相关函数R ab,k (τ)通过下式获得：
上式中，下标a和b分别代表两支传感器，下标k表示三组动态压力数据中的第k组，τ代表a和b动态压力数据的时间延迟值，t表示的是时间变量，T表示的是信号时间长度，p表示的是动态压力数据。
8.如权利要求7所述的基于动态压力数据获取高速射流剪切层迁移速度的方法，其特征在于，通过下式对各组动态压力数据互相关函数进行归一化处理：
上式中，R aa,k (0)和R bb,k (0)为a、b的动态压力数据自相关函数在时间延迟τ=0时的取值；
将每组动态压力数据的互相关函数进行归一化处理后，提取最大系数分别为、、/>，则对应的时间延迟分别为τ 1、τ 2、τ 3。
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