連續(xù)式跨聲速風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)段流場(chǎng)變雷諾數(shù)控制方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種連續(xù)式跨聲速風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)段流場(chǎng)變雷諾數(shù)控制方法，根據(jù)給定的目標(biāo)雷諾數(shù)通過(guò)BP算法得到一組馬赫數(shù)值和與馬赫數(shù)值對(duì)應(yīng)實(shí)驗(yàn)段的總壓值；再通過(guò)BP算法得到與馬赫數(shù)值對(duì)應(yīng)的一組壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速、壓縮機(jī)的靜葉角度和實(shí)驗(yàn)段的柵指位置；在常壓下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，當(dāng)滿足馬赫數(shù)的要求，向風(fēng)洞內(nèi)增壓使得雷諾數(shù)改變，當(dāng)雷諾數(shù)達(dá)到107量級(jí)后，停止風(fēng)洞內(nèi)的增壓，閉環(huán)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，使風(fēng)洞流場(chǎng)的馬赫數(shù)和雷諾數(shù)同時(shí)達(dá)到實(shí)驗(yàn)要求指標(biāo)。本發(fā)明同時(shí)控制柵指、電機(jī)及軸流壓縮機(jī)，馬赫數(shù)實(shí)時(shí)測(cè)量，在實(shí)驗(yàn)段流速場(chǎng)穩(wěn)定的基礎(chǔ)上通過(guò)控制風(fēng)洞氣源壓力實(shí)現(xiàn)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)段雷諾數(shù)的連續(xù)變化，為連續(xù)式跨聲速高雷諾數(shù)風(fēng)洞流場(chǎng)的變雷諾數(shù)控制提供了一種方法。
【專利說(shuō)明】連續(xù)式跨聲速風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)段流場(chǎng)變雷諾數(shù)控制方法 【技術(shù)領(lǐng)域】
[〇〇〇1] 本發(fā)明屬于航空航天領(lǐng)域，涉及一種連續(xù)式跨聲速風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)段流場(chǎng)變雷諾數(shù)控制 方法。 【背景技術(shù)】
[0002] 先進(jìn)飛行器的誕生依賴于先進(jìn)的設(shè)計(jì)制造技術(shù)及一流的風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)技術(shù)，馬赫數(shù)和 雷諾數(shù)是其中關(guān)鍵的指標(biāo)之一，目前國(guó)內(nèi)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)均能滿足馬赫數(shù)指標(biāo)，而相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)雷 諾數(shù)卻遠(yuǎn)低于飛行器的實(shí)際飛行雷諾數(shù)，可以通過(guò)增壓或增大模型尺寸方式逼近飛行雷諾 數(shù)，采取外插法得到飛行器飛行雷諾數(shù)下的氣動(dòng)特性數(shù)據(jù)，這樣必然帶來(lái)一定的數(shù)據(jù)誤差， 不利于飛行器的設(shè)計(jì)和選型。連續(xù)式跨聲速高雷諾數(shù)風(fēng)洞是一種回流式風(fēng)洞，可以連續(xù)進(jìn) 行大量的吹風(fēng)實(shí)驗(yàn)，通過(guò)增壓方式實(shí)現(xiàn)高雷諾數(shù)，其結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。利用該種風(fēng)洞可以 進(jìn)行飛行器的選型實(shí)驗(yàn)，達(dá)到或接近其飛行雷諾數(shù)，為先進(jìn)翼型選型和先進(jìn)飛行器的設(shè)計(jì) 提供技術(shù)支撐。
[0003] 連續(xù)式跨聲速高雷諾數(shù)風(fēng)洞具有如下特點(diǎn)：
[0004] 1)高雷諾數(shù)實(shí)驗(yàn)
[0005] 目前傳統(tǒng)風(fēng)洞的實(shí)驗(yàn)雷諾數(shù)普遍較低（十萬(wàn)量級(jí)或百萬(wàn)量級(jí))，遠(yuǎn)低于高速大尺寸 飛行器的實(shí)際飛行雷諾數(shù)(千萬(wàn)量級(jí))，連續(xù)式跨聲速高雷諾數(shù)風(fēng)洞通過(guò)增壓的方式可以保 障在跨聲速條件下雷諾數(shù)可達(dá)10X 106以上，可以為我國(guó)開(kāi)展先進(jìn)飛機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)的高雷諾數(shù) 空氣動(dòng)力學(xué)研究提供具有國(guó)際水平的研究條件。
[0006] 2)固定馬赫數(shù)、變雷諾數(shù)實(shí)驗(yàn)
[0007] 由于風(fēng)洞采取增壓方式，因此可以進(jìn)行固定馬赫數(shù)下通過(guò)改變洞體內(nèi)流場(chǎng)總壓的 方式實(shí)現(xiàn)變雷諾數(shù)實(shí)驗(yàn)。飛行器實(shí)際飛行中馬赫數(shù)和雷諾數(shù)均會(huì)不斷發(fā)生變化的，因此變 雷諾數(shù)實(shí)驗(yàn)對(duì)于我國(guó)軍機(jī)翼型設(shè)計(jì)和驗(yàn)證也是極其重要的。
[0008] 3)動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)
[0009] 風(fēng)洞可以持續(xù)提供穩(wěn)定的實(shí)驗(yàn)流場(chǎng)（馬赫數(shù)穩(wěn)定)，通過(guò)一定機(jī)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)模型連 續(xù)運(yùn)動(dòng)，非常適合模擬高機(jī)動(dòng)性的軍用直升機(jī)旋翼的動(dòng)態(tài)特性，而其動(dòng)態(tài)特性又是目前各 國(guó)空氣動(dòng)力學(xué)工作者關(guān)注的研究熱點(diǎn)之一。
[0010] 4)效率高、成本低
[0011] 國(guó)內(nèi)已有的暫沖式風(fēng)洞，由于采用高壓作為動(dòng)力，每次壓氣僅能使風(fēng)洞工作幾 秒?幾十秒，然后重新壓氣，故存在效率低、成本高的特點(diǎn)。連續(xù)式跨聲速高雷諾數(shù)風(fēng)洞可 以連續(xù)運(yùn)行(馬赫數(shù)連續(xù)可控)，因此具有效率高、成本低的特點(diǎn)。
[0012] 連續(xù)式跨聲速高雷諾數(shù)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)的一個(gè)重要挑戰(zhàn)就是如何在總壓可變的條件下 控制實(shí)驗(yàn)段流場(chǎng)，使得馬赫數(shù)和雷諾數(shù)均可以連續(xù)可調(diào)，滿足實(shí)驗(yàn)要求。連續(xù)式跨聲速高雷 諾數(shù)風(fēng)洞雷諾數(shù)控制實(shí)質(zhì)就是在保障風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)段實(shí)驗(yàn)流場(chǎng)控制的基礎(chǔ)上如何實(shí)現(xiàn)變雷諾 數(shù)的控制。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0013] 要解決的技術(shù)問(wèn)題
[0014] 為了避免現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，本發(fā)明提出一種連續(xù)式跨聲速風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)段流場(chǎng)變 雷諾數(shù)控制方法，實(shí)現(xiàn)連續(xù)式跨聲速高雷諾數(shù)風(fēng)洞流場(chǎng)的雷諾數(shù)控制。
[0015] 技術(shù)方案
[0016] 一種連續(xù)式跨聲速風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)段流場(chǎng)變雷諾數(shù)控制方法，其特征在于步驟如下：
[0017] 步驟1 :根據(jù)給定的目標(biāo)雷諾數(shù)通過(guò)BP算法得到一組馬赫數(shù)值和與馬赫數(shù)值對(duì)應(yīng) 實(shí)驗(yàn)段的總壓值；
[0018] 步驟2 :每個(gè)馬赫數(shù)值通過(guò)BP算法得到與馬赫數(shù)值對(duì)應(yīng)的一組壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速、壓 縮機(jī)的靜葉角度和實(shí)驗(yàn)段的柵指位置；
[0019] 步驟3 :在常壓下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，啟動(dòng)壓縮機(jī)使得轉(zhuǎn)速滿足步驟2得到的壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速和 壓縮機(jī)的靜葉角度，以及實(shí)驗(yàn)段的柵指位置，并使實(shí)驗(yàn)環(huán)境滿足步驟1的馬赫數(shù)的要求時(shí)， 系統(tǒng)閉環(huán)于給定馬赫數(shù)；
[0020] 步驟3 :然后向風(fēng)洞內(nèi)增壓使得雷諾數(shù)改變，當(dāng)雷諾數(shù)達(dá)到107量級(jí)后，停止風(fēng)洞 內(nèi)的增壓，閉環(huán)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，使風(fēng)洞流場(chǎng)的馬赫數(shù)和雷諾數(shù)同時(shí)達(dá)到實(shí)驗(yàn)要求指標(biāo)。
[0021] 有益效果
[0022] 本發(fā)明提出的一種連續(xù)式跨聲速風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)段流場(chǎng)變雷諾數(shù)控制方法，同時(shí)控制柵 指、電機(jī)及軸流壓縮機(jī)，馬赫數(shù)實(shí)時(shí)測(cè)量，在實(shí)驗(yàn)段流速場(chǎng)穩(wěn)定的基礎(chǔ)上通過(guò)控制風(fēng)洞氣源 壓力實(shí)現(xiàn)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)段雷諾數(shù)的連續(xù)變化，為連續(xù)式跨聲速高雷諾數(shù)風(fēng)洞流場(chǎng)的變雷諾數(shù)控 制提供了一種思路，為保障國(guó)家重點(diǎn)型號(hào)飛行器的順利開(kāi)展提供了技術(shù)支持。 【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0023] 圖1是連續(xù)式跨聲速高雷諾數(shù)風(fēng)洞結(jié)構(gòu)示意圖；
[0024] 1 -壓縮機(jī)，2 -風(fēng)洞試驗(yàn)段，3 -柵指，4 一防喘旁路快速閥
[0025] 圖2是連續(xù)式跨聲速高雷諾數(shù)風(fēng)洞馬赫數(shù)控制結(jié)構(gòu)示意圖；
[0026] 圖3是電機(jī)及軸流壓縮機(jī)控制子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；
[0027] 圖4是氣源控制子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；
[0028] 圖5是風(fēng)洞總壓控制工作原理示意圖；
[0029] 圖6是馬赫數(shù)測(cè)量子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；
[0030] 圖7是柵指控制子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；
【具體實(shí)施方式】 [0031]
[0032] 現(xiàn)結(jié)合實(shí)施例、附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述：
[0033] 本發(fā)明變雷諾數(shù)控制的工作原理為：系統(tǒng)選用高精度傳感器(變送器）測(cè)量總壓、 靜壓及總溫實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)洞內(nèi)總靜壓、總溫的實(shí)時(shí)測(cè)量，利用所測(cè)總壓值、靜壓值、總溫值計(jì)算 馬赫數(shù)和雷諾數(shù)，該計(jì)算值進(jìn)入計(jì)算機(jī)閉環(huán)自動(dòng)控制，并最終得到雷諾數(shù)的控制。16位的 A/D多功能數(shù)據(jù)采集卡完成總壓、靜壓、總溫采集，由計(jì)算機(jī)控制壓縮機(jī)電機(jī)轉(zhuǎn)速及靜葉角 或者柵指位置來(lái)改變馬赫數(shù)，通過(guò)一定的控制策略控制風(fēng)洞總壓，實(shí)現(xiàn)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)雷諾數(shù)的 控制。
[〇〇34] 本發(fā)明包括電機(jī)及軸流壓縮機(jī)控制子系統(tǒng)、氣源控制子系統(tǒng)、馬赫數(shù)測(cè)量子系統(tǒng)、 柵指控制子系統(tǒng)，通過(guò)上位工控機(jī)實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的控制和運(yùn)行，如圖2所示。
[0035] 電機(jī)及軸流壓縮機(jī)子系統(tǒng)控制子系統(tǒng)主要完成電機(jī)和軸流壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速及靜葉角 度的控制，如圖3所示。電機(jī)轉(zhuǎn)速指令由工控機(jī)通過(guò)PLC系統(tǒng)傳遞給直流調(diào)速裝置后到達(dá) 電機(jī)，電機(jī)的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速通過(guò)調(diào)速裝置反饋于工控機(jī)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速的閉環(huán)控制，電機(jī)轉(zhuǎn)速越高意 味著給實(shí)驗(yàn)段提供的動(dòng)能越大，便于實(shí)驗(yàn)段給定馬赫數(shù)流場(chǎng)的建立。與此同時(shí)通過(guò)工控機(jī) 可以對(duì)軸流壓縮機(jī)上的靜葉角度實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，用于改變壓縮機(jī)入口的流量，間接改變實(shí) 驗(yàn)段的流速場(chǎng)。
[0036] 氣源控制子系統(tǒng)主要完成風(fēng)洞氣源壓力的控制，如圖4所示。實(shí)驗(yàn)所需氣源壓力 由工控機(jī)分別傳遞給壓氣機(jī)系統(tǒng)、閥門(mén)及風(fēng)洞，常壓實(shí)驗(yàn)則僅需關(guān)閉進(jìn)氣閥門(mén)和壓氣機(jī)系 統(tǒng)，控制排氣閥門(mén)實(shí)現(xiàn)風(fēng)洞內(nèi)壓力為常壓，增壓實(shí)驗(yàn)則需要同時(shí)開(kāi)啟進(jìn)氣閥門(mén)和壓氣機(jī)系 統(tǒng)對(duì)風(fēng)洞內(nèi)進(jìn)行持續(xù)增壓，通過(guò)排氣和進(jìn)氣閥門(mén)實(shí)現(xiàn)風(fēng)洞內(nèi)給定總壓的控制。整個(gè)工作過(guò) 程的工作原理如圖5所示。
[〇〇37] 馬赫數(shù)測(cè)量子系統(tǒng)主要完成實(shí)驗(yàn)段馬赫數(shù)的測(cè)量，如圖6所示。風(fēng)洞內(nèi)總靜壓測(cè) 點(diǎn)通過(guò)管路與壓力傳感器相連，總溫測(cè)量與溫度傳感器連接，壓力及總溫傳感器所測(cè)量值 通過(guò)電信號(hào)提供給數(shù)據(jù)采集卡，工控機(jī)通過(guò)提取數(shù)采卡信息并且經(jīng)過(guò)計(jì)算得到實(shí)驗(yàn)段的馬 赫數(shù)實(shí)時(shí)值。
[0038] 柵指控制子系統(tǒng)主要完成柵指機(jī)構(gòu)柵指位移的控制，如圖7所示。風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)段流 場(chǎng)可以由柵指伸出的位移進(jìn)行控制，柵指的運(yùn)動(dòng)是通過(guò)伺服電機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，工控機(jī)通過(guò)運(yùn) 動(dòng)控制卡將運(yùn)動(dòng)信息傳遞給交流伺服控制器，驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)的運(yùn)動(dòng)，最終實(shí)現(xiàn)柵指運(yùn)動(dòng)的 控制。
【權(quán)利要求】
1. 一種連續(xù)式跨聲速風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)段流場(chǎng)變雷諾數(shù)控制方法，其特征在于步驟如下： 步驟1 :根據(jù)給定的目標(biāo)雷諾數(shù)通過(guò)BP算法得到一組馬赫數(shù)值和與馬赫數(shù)值對(duì)應(yīng)實(shí)驗(yàn) 段的總壓值； 步驟2 :每個(gè)馬赫數(shù)值通過(guò)BP算法得到與馬赫數(shù)值對(duì)應(yīng)的一組壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速、壓縮機(jī) 的靜葉角度和實(shí)驗(yàn)段的柵指位置； 步驟3 :在常壓下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，啟動(dòng)壓縮機(jī)使得轉(zhuǎn)速滿足步驟2得到的壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速和壓縮 機(jī)的靜葉角度，以及實(shí)驗(yàn)段的柵指位置，并使實(shí)驗(yàn)環(huán)境滿足步驟1的馬赫數(shù)的要求時(shí)，系統(tǒng) 閉環(huán)于給定馬赫數(shù)； 步驟4 :然后向風(fēng)洞內(nèi)增壓使得雷諾數(shù)改變，當(dāng)雷諾數(shù)達(dá)到107量級(jí)后，停止風(fēng)洞內(nèi)的 增壓，閉環(huán)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，使風(fēng)洞流場(chǎng)的馬赫數(shù)和雷諾數(shù)同時(shí)達(dá)到實(shí)驗(yàn)要求指標(biāo)。
【文檔編號(hào)】G01M9/02GK104048807SQ201410110002
【公開(kāi)日】2014年9月17日 申請(qǐng)日期:2014年3月21日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月21日
【發(fā)明者】劉國(guó)元, 郝禮書(shū), 王瑩 申請(qǐng)人:西北工業(yè)大學(xué)