一种柔性充气风洞试验模型压力自适应调节装置及方法

摘要

本发明提供一种柔性充气风洞试验模型压力自适应调节装置及方法，柔性充气风洞试验模型压力自适应调节装置包括气源组件，压力调节和监测管路，和压力控制系统，仅在试验模型开设一个通气孔即可同时完成压力监测及气体充放气功能，压力控制系统能实时采集试验模型内部压力并调整管路通放气状态，且能进一步控制充放气速度，保证了试验模型内部压力的稳定性，使试验模型内部压力实现快速、精确调节。

说明书

技术领域

本发明属于风洞试验装置领域，涉及一种柔性充气风洞试验模型压力自动调整管路，特别涉及一种柔性充气风洞试验模型压力自适应调节装置及方法。

背景技术

柔性充气风洞试验模型由于在制作、安装和配合过程中容易产生微小孔而产生漏气，特别是在风洞试验过程中，由于风洞来流的风压使柔性充气模型在漏点处的压力泄露严重，另外柔性充气模型处在不同工况下，由于迎风面的改变也存在在模型内部压力增大的情况，给风洞试验带来安全隐患。同时传统方式在模型上的开孔过多会带来更多的泄露风险，多余的管路也会影响模型受力从而影响风洞试验数据准确性。

为了保证试验数据的高度准确性需要保证充气模型内部压力保证在一个较高水平的稳定条件，需要使风洞试验模型能够在风洞试验过程中实时快速调整模型内部压力。传统调压装置中的压力调节回路采用开关式调节方法，但这种方法难以实现较高的压力调节精度，并且在压力超出预设压力时无法进行调整，导致整体调节时间加大，难以满足风洞试验的要求。

发明内容

本发明的目的在于克服上述缺陷，提供一种柔性充气风洞试验模型压力自适应调节装置及方法，柔性充气风洞试验模型压力自适应调节装置包括气源组件，压力调节和监测管路，和压力控制系统，根据试验模型内部实时压力，控制管路的充气和放气以及充放气流速，使试验模型内部压力实现快速、精确调节。

为实现上述发明目的，本发明提供如下技术方案：

一种柔性充气风洞试验模型压力自适应调节装置，包括：气源组件，压力调节和监测管路和压力控制系统；

气源组件通过压力调节和监测管路与试验模型连接；试验模型通过压力调节和监测管路与外部环境连接；试验模型通过压力调节和监测管路与压力控制系统连接；

气源组件：提供气源动力并使气体以稳定压力输入压力调节和监测管路；

压力调节和监测管路：与试验模型连接，监测试验模型内部实时压力并输送至压力控制系统；实现对试验模型的充气和放气功能；

压力控制系统：接收压力调节和监测管路输入的实时压力并进行判断，根据判断结果向压力调节和监测管路输出控制信号，实现压力调节和监测管路充放气功能的切换，并控制气体流速。

进一步的，气源组件包括空气压缩机、减压阀和球阀，所述空气压缩机、减压阀和球阀依次连接，球阀出口连接压力调节和监测管路。

进一步的，压力调节和监测管路包括第一电气比例流量阀、单向阀、电控二位三通换向阀、第二电气比例流量阀、压力探针组件、压力检测装置；

第一电气比例流量阀的入口连接气源组件中的球阀出口，第一电气比例流量阀出口连接单向阀的入口，用于控制管路向试验模型的充气速度；

单向阀出口连接电控二位三通换向阀入口，保证管路中气体为单向流动；

压力探针组件通过试验模型通气孔伸入试验模型内部，且与压力监测装置连接，压力监测装置用于测量试验模型内部的实时压力；压力探针组件同时设有气体出入口，通过气体出入口，气体在管路和试验模型之间传输；

电控二位三通换向阀第一出口连接压力探针组件的气体出入口，电控二位三通换向阀第二出口连接第二电气比例流量阀入口，通过改变电控二位三通换向阀的入口、第一出口和第二出口的通断状态，使试验模型实现充气或放气功能。

进一步的，压力控制系统包括压力控制器，模拟量输入通道，第一模拟量输出通道，第二模拟量输出通道和数字信号通道；

模拟量输入通道一端连接压力控制器，另一端连接压力监测装置；第一模拟量输出通道一端连接压力控制器，另一端连接第一电气比例流量阀；第二模拟量输出通道一端连接压力控制器，另一端连接第二电气比例流量阀；数字信号通道一端连接压力控制器，另一端连接电控二位三通换向阀；

压力控制器通过模拟量输入通道获取试验模型实时内部压力并与预设压力对比，后将对比结果通过数字信号通道输送至电控二位三通换向阀，控制电控二位三通换向阀入口、第一出口和第二出口的开合，实现充放气功能切换；通过第一模拟量输出通道和第二模拟量输出通道输送控制信号至第一电气比例流量阀和第二电气比例流量阀，控制充放气的气体流速。

进一步的，压力监测装置包括压力传感器和压力变送器。

进一步的，压力探针组件包括外壳和探针，探针位于外壳内部且与外壳同轴，外壳与试验模型的通气口固定连接，探针一端通过试验模型的通气口伸入试验模型内部，另一端与压力监测装置连接；所述气体出入口为设置于压力探针组件的外壳上的开口，通过外壳与探针之间的空腔与试验模型的通气孔连通。

进一步的，还包括第一消音装置、第二消音装置和第三消音装置，用于减小气体排出时的噪音；第一消音装置设置于第一电气比例流量阀的排气口；第二消音装置设置于第二电气比例流量阀出口，第三消音装置设置于第二电气比例流量阀排气口。

进一步的，气源组件，压力调节和监测管路和试验模型之间，以及气源组件和压力调节和监测管路包含的各部件之间，采用PU软管连接。

进一步的，外壳和试验模型的通气口通过螺纹连接，并通过橡胶垫密封。

一种柔性充气风洞试验模型压力自适应调节控制方法，具体步骤为：

S1压力控制器通过模拟量输入通道采集试验模型实时内部压力P1；

S2判断试验模型实时内部压力P1与预设压力P2的关系：当P1＜P2，压力控制器通过数字信号通道控制电控二位三通换向阀使试验模型处于充气状态；当P1＞P2，压力控制器通过数字信号通道控制电控二位三通换向阀使试验模型处于放气状态。

进一步的，单向阀出口连接电控二位三通换向阀入口，电控二位三通换向阀第一出口连接压力探针组件的气体出入口，电控二位三通换向阀第二出口连接第二电气比例流量阀入口，步骤S2中，当P1＜P2，压力控制器控制电控二位三通换向阀入口及第一出口打开，第二出口关闭，使试验模型处于充气状态；当P1＞P2，压力控制器控制电控二位三通换向阀入口关闭，第一出口及第二出口打开，使试验模型处于放气状态。

进一步的，步骤S2中，试验模型处于充气状态时，通过第一模拟量输出通道向第一电气比例流量阀输出电压信号K，控制充气速度，电压信号U

试验模型处于放气状态时，通过第二模拟量输出通道向第二电气比例流量阀输出电压信号U

进一步的，U

T为采样时间，K

进一步的，U

T采样时间，K

本发明与现有技术相比具有如下有益效果：

(1)本发明提供一种柔性充气风洞试验模型压力自适应调节装置，设计了具有实时监测功能，且能同时实现试验模型充放气的管路，以及与之相应的控制系统，使试验模型能在实验过程中实时快速调整内部压力。

(2)本发明通过设计压力探针组件的结构及与试验模型、压力监测装置之间的连接方式，仅在试验模型开设一个通气孔即可同时完成压力监测及气体充放气功能，保证了试验模型内部压力的稳定性。

(3)本发明一种柔性充气风洞试验模型压力自适应调节方法，能实时采集试验模型内部压力并调整管路通放气状态，且通过第一及第二电气比例流量阀控制量参数模型，控制充放气速度，便捷可靠，适用情况广泛。

附图说明

图1为本发明一种柔性充气风洞试验模型压力自适应调节装置组成原理示意图；

图2为本发明自适应控制原理流程图。

图3为本发明压力探针组件结构示意图。

具体实施方式

下面通过对本发明进行详细说明，本发明的特点和优点将随着这些说明而变得更为清楚、明确。

在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。

本发明提供一种柔性充气风洞试验模型压力自适应调节装置，包括：气源组件1，压力调节和监测管路2和压力控制系统4，如图1所示：

气源组件1通过压力调节和监测管路2与试验模型3连接；同时，试验模型3通过压力调节和监测管路2与外部环境连接；同时，试验模型3通过压力调节和监测管路2与压力控制系统4连接；

气源组件1：提供气源动力并使气体以稳定压力输入压力调节和监测管路2；

压力调节和监测管路2：与试验模型3连接，监测试验模型3内部实时压力并输送至压力控制系统4；实现对试验模型3的充气和放气功能；即所述压力调节管路上游与起源组件连接，下游与柔性充气风洞模型的充气口连接；

压力控制系统4：接收压力调节和监测管路2输入的实时压力并进行判断，根据判断结果向压力调节和监测管路2输出控制信号，使压力调节和监测管路2在充气状态和放气状态之间切换，并控制气体流速。压力控制系统4包括压力控制器41以及相应控制线路。

进一步的，气源组件1包括空气压缩机11、减压阀12和球阀13，所述空气压缩机11、减压阀12和球阀13依次连接，球阀13出口连接压力调节和监测管路2。空气压缩机11和减压阀12可以为内置一体的组件，市面上的空气压缩机11和减压阀12集成设备也可以在发明中应用，也可以是通过管路相连的两个组件。气源组件1的连接顺序为：压缩空气从空气压缩机11分别经过减压阀12，球阀13；球阀13出口连接下游压力调节和监测管路2。所述气源组件中连接各个组件的气管为高压气动软管，材质为PU管。在实施时，空气压缩机11压缩一定容量的空气，减压阀12限制其下游的空气压力接近试验模型3内部的气压水平，打开球阀13以后可以使气体流入到压压力调节和监测管路2中。

进一步的，压力调节和监测管路2包括第一电气比例流量阀21、单向阀22、电控二位三通换向阀23、第二电气比例流量阀24、压力探针组件25、压力检测装置26；

第一电气比例流量阀21的入口连接气源组件1中的球阀13出口，第一电气比例流量阀21出口连接单向阀22的入口，用于控制管路向试验模型3的充气速度，控制管路出口流量实现模型压力的连续调节；

单向阀22出口连接电控二位三通换向阀23入口，保证管路中气体为单向流动；

压力探针组件25通过试验模型3通气孔伸入试验模型3内部，另一端与压力监测装置26连接，压力监测装置26用于测量试验模型内部的实时压力；压力探针组件25同时设有气体出入口，通过气体出入口，气体在管路和试验模型3之间传输；

电控二位三通换向阀23第一出口连接压力探针组件25的气体出入口，电控二位三通换向阀23第二出口连接第二电气比例流量阀24入口，通过改变电控二位三通换向阀23的第一出口和第二出口的通断状态，使试验模型处于充气或放气状态。

所述压力调节和监测管路2中连接各部件的气管为高压气动软管，材质为PU管。

压力调节和监测管路2中，通过改变电控二位三通换向阀23的通断位置，选择试验模型3处于充气状态或者放气状态，并通过改变第一电气比例流量阀21、第二电气比例流量阀24的阀口开度调节充气或者放气速度。

进一步的，压力控制系统4包含两路模拟输出，其功能为线性控制第一和第二电气比例流量阀；一路模拟输入，其功能为采集压力监测装置26压力数据；一路数字输出，其功能为控制电控二位三通换向阀23。压力控制系统4使用压力监测装置26作为控制系统的闭环反馈量，通过压力探针组件25中的探针可以直接测得试验模型3内部压力使闭环控制更加精确。其控制方法为判断给定压力与模型内部测得压力大小，控制模型的充放气状态，并通过一套闭环控制算法连续改变气体流量，从而实时快速的调节模型压力。

具体为：压力控制系统4包括压力控制器41，模拟量输入通道42，第一模拟量输出通道43，第二模拟量输出通道44和数字信号通道45；

模拟量输入通道42一端连接压力控制器41，另一端连接压力监测装置26；第一模拟量输出通道43一端连接压力控制器41，另一端连接第一电气比例流量阀21；第二模拟量输出通道44一端连接压力控制器41，另一端连接第二电气比例流量阀24；数字信号通道45一端连接压力控制器41，另一端连接电控二位三通换向阀23；

压力控制系统4的压力控制器41通过模拟量输入通道42获取试验模型3实时内部压力并与给定压力对比，将对比结果通过数字信号通道45控制电控二位三通换向阀23第一出口和第二出口的开合，实现充放气功能切换；通过第一模拟量输出通道43和第二模拟量输出通道44控制第一电气比例流量阀21和第二电气比例流量阀24的输出流量。

进一步的，压力监测装置26包括合适量程的压力传感器和压力变送器，压力传感器将气体压力转换为模拟信号输出，压力变送器将输出的模拟信号变送为模拟量通道要求的输入范围。

进一步的，如图3所示，压力探针组件25包括外壳252和探针253，探针253位于外壳252内部且与外壳252同轴，外壳252与试验模型3的通气口固定连接，探针253一端通过试验模型3的通气口伸入试验模型3内部，另一端与压力监测装置26连接；所述气体出入口251为设置于压力探针组件25的外壳上的开口，通过外壳252与探针253之间的空腔与试验模型3的通气孔连通，管路中气体通过气体出入口251进入试验模型3，或者试验模型3中的气体通过气体出入口251进入管路后被排出。探针253与压力监测装置26之间通过高压软管连接，外壳252外部和试验模型3的通气口处设有匹配的螺纹，二者通过螺纹连接，并且通过橡胶垫进行密封。

所述压力调节和检测管路中，气源组件1出口依次连接第一电气比例流量阀21、单向阀22、电控二位三通换向阀23、压力探针组件25和试验模型3通气孔，这部分为试验模型3充气回路。其排气回路为试验模型3通气孔、电控二位三通换向阀23、第二电气比例流量阀24。

进一步的，还包括第一消音装置27、第二消音装置28和第三消音装置29，用于减小气体排出时的噪音；第一消音装置27设置于第一电气比例流量阀21的排气口；第二消音装置28设置于第二电气比例流量阀24出口，第三消音装置29设置于第二电气比例流量阀24排气口。

进一步的，所述气源组件1，压力调节和监测管路2和试验模型3之间，以及气源组件1和压力调节和监测管路2包含的各部件之间，采用橡胶软管连接。

一种柔性充气风洞试验模型压力自适应调节控制方法，通过数字PI控制算法进行模型的压力自动控制，采用上述一种柔性充气风洞试验模型压力自适应调节装置实现，所述压力控制系统4包括压力控制器41，模拟量输入通道42，第一模拟量输出通道43，第二模拟量输出通道44和数字信号通道45，具体步骤如图2所示，为：

S1压力控制器41通过模拟量输入通道42采集试验模型实时内部压力P1；

S2判断试验模型实时内部压力P1与预设压力(即给定压力)P2的关系：当P1＜P2，压力控制器41通过数字信号通道45控制电控二位三通换向阀23使试验模型3处于充气状态；当P1＞P2，压力控制器41通过数字信号通道45控制电控二位三通换向阀23使试验模型3处于放气状态。

进一步的，单向阀22出口连接电控二位三通换向阀23入口，电控二位三通换向阀23第一出口连接压力探针组件25的气体出入口，电控二位三通换向阀23第二出口连接第二电气比例流量阀24入口，步骤S2中，当P1＜P2，压力控制器41控制电控二位三通换向阀23入口及第一出口打开，第二出口关闭，使试验模型3处于充气状态；当P1＞P2，压力控制器41控制电控二位三通换向阀23入口关闭，第一出口及第二出口打开，使试验模型3处于放气状态。

进一步的，步骤S2中，试验模型3处于充气状态时，通过第一模拟量输出通道43向第一电气比例流量阀21输出电压信号U

试验模型3处于放气状态时，通过第二模拟量输出通道44向第二电气比例流量阀24输出电压信号U

进一步的，U

T为采样时间，K

进一步的，U

T采样时间，K

气源组件1、压力调节和监测管路2和试验模型3之间通过高压气动软管连接，材质为PU。

气源组件1的空气压缩机11、减压阀12、球阀13之间通过高压气动软管连接，材质为PU。

压力调节和监测管路2的第一电气比例流量阀21、单向阀22、电控二位三通换向阀23、第二电气比例流量阀24、压力探针组件25、压力监测装置26及消音器之间通过高压软管连接，其材质为PU。

本发明整体安装完毕后，仅在柔性充气试验模型3上开一个通气孔即可同时进行压力监测和压力调节，本发明可快速稳定维持并精密测量试验模型内部压力，保证试验顺利进行。

以上结合具体实施方式和范例性实例对本发明进行了详细说明，不过这些说明并不能理解为对本发明的限制。本领域技术人员理解，在不偏离本发明精神和范围的情况下，可以对本发明技术方案及其实施方式进行多种等价替换、修饰或改进，这些均落入本发明的范围内。本发明的保护范围以所附权利要求为准。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。