超声速变马赫数风洞速度与马赫数的标定方法及指示装置

摘要

本发明涉及风洞技术领域，公开了超声速变马赫数风洞速度与马赫数的标定方法及指示装置，根据绘制的超声速变马赫数风洞二维模型生成网格模型并导入计算流体模块，在稳态计算收敛后再启动动网格模型计算瞬态，瞬态计算是导入根据公式编译的UDF程序来控制风洞模型转动，监测实验区的马赫数及速度，得到马赫数云图；模型模拟旋转过程中每旋转0.006°监测一组数据；根据监测结果，绘制马赫数与旋转角度的函数关系曲线图和速度与旋转角度的函数关系曲线图；根据模拟得到的马赫数与旋转角度的关系拟合函数和速度与旋转角度的关系拟合函数对风洞进行标定；本发明能解决变马赫数风洞边界层位移厚度修正问题，使实验区的速度和马赫数的精准定位且指示精度高。

说明书

技术领域

本发明涉及风洞技术领域，特别是涉及超声速变马赫数风洞速度与马赫数的标定方法及指示装置。

背景技术

超声速变马赫数风洞在风洞领域越来越重要，该类型风洞可被用于研究高超声速飞行器在加减速过程中进气道不起动问题、飞行器在加减速过程中性能的变化、组合发动机的模态转换过程的性能变化和冲压发动机的动态特性有效评估等，并且变马赫数风洞在不用更换喷管的情况下进行一次实验相当于传统单马赫数风洞的多次实验，同时其流场更加接近于实际的飞行环境；目前在变马赫数风洞领域流行的变马赫数喷管只有两种，分别是滑块式喷管和柔壁喷管，滑块式喷管是通过改变喷管内部的滑块位置来改变喉道面积实现马赫数变化，缺陷是滑块尾迹影响出口流场品质；柔壁喷管通过改变作动筒位置来得到喷管不同的曲线壁形状，实现喷管型线的改变，从而获得不同的马赫数，但是柔壁喷管加工和控制困难，成本高，难以广泛应用。在变马赫数风洞的喷管研制过程，因为边界层的影响，所以往往需要边界层修正才能达到设计的马赫数，边界层修正一般采用Sivells-Payne方法进行边界层位移厚度修正。本申请是在中国专利-二维变马赫数喷管及使用该喷管的超声速变马赫数风洞(申请号：CN201410578068.8)的基础下提出的，该变马赫数喷管通过喷管整体绕圆弧膨胀面的圆心转动，最终实现了马赫数在一定范围内的连续变化，其边界层修正措施是在理论值对应位置的基础上额外旋转一定角度即可抵消由于边界层在膨胀壁面膨胀不足的影响，因此需要解决额外旋转一定角度问题。

由于超声速变马赫数风洞通过手动或电动作动机构，实现了喷管整体绕圆弧膨胀面的圆心转动，最终实现了马赫数在一定范围内的连续变化，但是在喷管型面转动过程中，马赫数连续变化，其边界层位移厚度也随之改变，加大边界层厚度修正难度，因此还没有一种办法或指示装置可以根据喷管型面转到某一角度时，就可以判断出有效实验区的马赫数和速度。使该变马赫数风洞手动调节的精准定位变得艰难，也不能为电动调节提供马赫数与速度的初始值，实现以特定的规律调节有效实验区内的流动参数。

发明内容

本发明的目的在于提供超声速变马赫数风洞速度与马赫数的标定方法及指示装置，解决变马赫数风洞边界层位移厚度修正问题，实现超声速变马赫数风洞的精准定位，而且指示精度高。

为实现上述目的，本发明的一方面提供了超声速变马赫数风洞速度与马赫数的标定方法，其包括以下步骤：

步骤一，通过绘图软件绘制超声速变马赫数风洞的二维几何模型；

步骤二，将步骤一中的超声速变马赫数风洞的二维几何模型导入网格生成软件从而生成网格模型；

步骤三，将步骤二中的网格模型导入数值模拟软件的计算流体模块，并按照风洞的运行工况设置参数，先进行稳态计算，等计算模型残差收敛且趋于稳定，再导入根据有效实验区流场马赫数调节规律实现公式以及有效实验区流场速度调节规律实现公式编译的UDF程序控制风洞模型转动，然后启动数值模拟软件的计算流体模块的动网格模型，进行瞬间计算，监测超声速变马赫数风洞有效实验区域中心点的马赫数及速度，从而计算得到的马赫数云图；其中，在风洞模型模拟旋转过程中，每旋转0.006°监测一组有效实验区的数据；

步骤四，待风洞模型旋转22.07°后停止计算，导出监测结果，绘制有效实验区的马赫数与旋转角度的函数关系曲线图，以及，有效实验区的速度与旋转角度的函数关系曲线图；

步骤五，在超声速变马赫数风洞实际实验过程中，先测试有限组数据，再根据数值分析软件得到的有效实验区的马赫数与旋转角度的关系拟合函数以及速度与旋转角度的关系拟合函数对超声速变马赫数风洞进行标定。

作为本发明优选的方案，所述步骤三中的有效实验区流场马赫数调节规律实现公式为：

式(1)中，C

作为本发明优选的方案，C

作为本发明优选的方案，所述步骤三中的有效实验区流场速度调节规律实现公式：

式(2)中，C

作为本发明优选的方案，C

作为本发明优选的方案，所述步骤五中，有效实验区的马赫数与旋转角度的拟合函数为：

式(3)中，θ为角度，γ为空气比热比，Ma为马赫数；a、b、c、d均为待定系数。

作为本发明优选的方案，所述步骤五中，有效实验区的速度与旋转角度的拟合函数为：

式(4)中，θ为角度，γ为空气比热比，R是空气的气体常数，T

此外，本发明的另一方面还提供了一种超声速变马赫数风洞的指示装置，基于所述超声速变马赫数风洞实验区速度与马赫数的标定方法，包括以所述超声速变马赫数风洞实验区速度与马赫数的标定方法得出的标定结果制作的实验区马赫数指示装置和以所述超声速变马赫数风洞实验区速度与马赫数的标定方法得出的标定结果制作的实验区速度指示装置。

本发明实施例超声速变马赫数风洞速度与马赫数的标定方法及指示装置与现有技术相比，其有益效果在于：

本发明通过拟合出变马赫数风洞型面旋转角度与实验区马赫数的函数关系和变马赫数风洞型面旋转角度与实验区速度的函数关系，解决该变马赫数风洞边界层位移厚度修正问题，实现超声速变马赫数风洞手动调节的精准定位，而且指示精度高；同时能为电动调节提供马赫数与速度的初始值，实现以特定的规律调节有效实验区内的流动参数。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例的附图作简单地介绍。

图1是本发明提供的超声速变马赫数风洞网格模型的示意图；

图2是马赫数云图；

图3是马赫数与旋转角度关系函数图；

图4是速度与旋转角度关系函数图；

图5是实验区马赫数指示装置的示意图；

图6是图5中实验区马赫数指示装置的刻度标识区域的示意图；

图7是实验区速度指示装置的示意图；

图8是图7中实验区速度指示装置的刻度标识区域的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。应当理解的是，本发明中采用术语“第一”、“第二”等来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语，这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离本发明范围的情况下，“第一”信息也可以被称为“第二”信息，类似的，“第二”信息也可以被称为“第一”信息。

如图1至图8所示，本发明实施例优选实施例的超声速变马赫数风洞速度与马赫数的标定方法及指示装置，包括以下步骤：

步骤一，通过绘图软件绘制超声速变马赫数风洞的二维几何模型(此处的二维几何模型指的是超声速变马赫数风洞的喷管段和实验段的二维简化模型，可以理解是超声速变马赫数风洞三维模型中喷管段和实验段的中心截面)；本实施例中，采用Solidworks软件绘制变马赫数喷管1:1的二维模型，其几何设计参数根据中国专利-二维变马赫数喷管及使用该喷管的超声速变马赫数风洞(申请号：CN201410578068.8)给出的设计公式。

步骤二，将步骤一中的超声速变马赫数风洞的二维几何模型导入网格生成软件从而生成网格模型；本实施例中，采用ansys软件的ICEM网格生成模块或者GEOM网格生成软件进行网格生成。

步骤三，将步骤二中的网格模型导入数值模拟软件的计算流体模块，并按照风洞的运行工况设置参数，先进行稳态计算，等计算模型残差收敛且趋于稳定，再导入根据有效实验区流场马赫数调节规律实现公式以及有效实验区流场速度调节规律实现公式编译的UDF程序控制风洞模型转动(具体的，本实施例中采用ansys软件的fluent模块进行仿真模拟)，然后启动数值模拟软件的计算流体模块的动网格模型进行瞬间计算(即瞬态计算是导入根据公式编译的UDF程序来控制风洞模型转动)，监测超声速变马赫数风洞有效实验区域中心点的马赫数及速度，从而计算得到的马赫数云图(如图3所示)；其中，在风洞模型模拟旋转过程，喷管上壁面每旋转0.006°监测一组有效实验区的数据；通过每旋转0.006°监测一组有效实验区中心点的马赫数及速度，这样指示精度能够达到0.006°，能够对超声速变马赫数风洞精准定位。

具体的，所述步骤三中的有效实验区流场马赫数调节规律实现公式为：

式(1)中，C

所述步骤三中的有效实验区流场速度调节规律实现公式：

式(2)中，C

步骤四，待风洞模型旋转22.07°后停止计算，导出监测结果，绘制有效实验区的马赫数与旋转角度的函数关系曲线图(如图3所示)，以及，有效实验区的速度与旋转角度的函数关系曲线图(如图4所示)；其中，该超声速变马赫数风洞本身是按照旋转22.07°设计的；

步骤五，在超声速变马赫数风洞实际实验过程中，先测试有限组数据，再根据数值分析软件得到的有效实验区的马赫数与旋转角度的关系拟合函数以及速度与旋转角度的关系拟合函数对超声速变马赫数风洞进行标定。具体的，有效实验区的马赫数与旋转角度的拟合函数为：

式(3)中，θ为角度，γ为空气比热比，Ma为马赫数；a、b、c、d均为待定系数。

在本实施例中，采用Matlab软件进行拟合标定函数，马赫数与旋转角度拟合的函数如下：

val＝

General model:

val(X)＝2.44949*atan(sqrt(0.166667*(X^2-1)))*180/pi-atan(sqrt(X^2-1))*180/pi+a*X^3+b*X^2+c*X+dCoefficients(with 95％confidence bounds):

a＝-0.1341(-0.1864,-0.08172)

b＝1.805(1.229,2.381)

c＝-7.485(-9.586,-5.384)

d＝-38.93(-41.47,-36.4)

在本实施例中，采用Matlab软件进行拟合标定函数，有效实验区的速度与旋转角度的拟合函数为：

式(4)中，θ为角度，γ为空气比热比，R是空气的气体常数，T

速度与旋转角度拟合的函数如下：

val＝

General model:

val(X)＝2.44949*atan(sqrt(0.166667*((X^2/(120540-0.2*X^2)-1))))*180/pi-atan(sqrt((X^2/(120540-0.2*X^2)-1)))*180/pi+a*X^2+b*X+cCoefficients(with95％confidence bounds):

a＝0.0001547(0.0001451,0.0001643)

b＝-0.1992(-0.2118,-0.1866)

c＝15.2(11.08,19.31)

此外本发明实施例还提供了一种超声速变马赫数风洞的指示装置，基于上述超声速变马赫数风洞实验区速度与马赫数的标定方法，包括以所述超声速变马赫数风洞实验区速度与马赫数的标定方法得出的标定结果制作的实验区马赫数指示装置(如图5、6所示)和以所述超声速变马赫数风洞实验区速度与马赫数的标定方法得出的标定结果制作的实验区速度指示装置(如图7、8所示)。

综上，本发明通过拟合出变马赫数风洞型面旋转角度与实验区马赫数的函数关系和变马赫数风洞型面旋转角度与实验区速度的函数关系，解决该变马赫数风洞边界层位移厚度修正问题(即解决变马赫数风洞边界层修正需要额外旋转多少角度的问题)，实现超声速变马赫数风洞手动调节的精准定位，而且指示精度高；同时能为电动调节提供马赫数与速度的初始值，实现以特定的规律调节有效实验区内的流动参数。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。