一种用于风洞跨声速试验前室超压的预判方法与流程

本发明涉及一种用于风洞跨声速试验前室超压的预判方法，属于风洞试验领域。

背景技术：

风洞的跨声速试验是指在马赫数在声速附近进行的风洞试验，在风洞试验中具有比较特殊的特性，对流场的控制也比较复杂。尤其是当马赫数大于1倍声速的时候，如果模型的阻塞比过大，就有可能导致壅塞现象的发生。如果发生壅塞，用提高前室总压的方式来提高马赫数的控制方法就会失效，试验段静压会随着前室总压的提高而等比例同步提高，从而马赫数保持不变，参见图1。控制系统看到马赫数没有变化就会继续提高总压，直到前室超过安全压力。这就是前室超压现象的根本原因。

一般来讲，风洞的超压保护功能正常工作的话会在总压超过安全压力的时候自动关车，但如果超压保护系统出现故障而没有能够及时发现，就可能导致模型和支杆承受过大的载荷，从而导致模型被吹飞吹废；另外还有一些特殊的模型，如大翼展的飞机模型等，其阻塞比本身就很大，当模型攻角逐渐增大阻塞比也不断增大，很容易导致超压，设置的安全压力有可能高于其所能承受的压力，并且模型在发生超压的时候总是在带很大攻角的情况下被迫关车，这些情况都有可能导致模型损毁。以上情况大大降低了试验的安全性，相关单位也会承受相当的损失。如何有效地对风洞跨声速试验前室超压的情况进行预测，是本领域亟待解决的技术问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种有效预测风洞跨声速试验前室超压的预测算法，能够提前几秒到十几秒的时间给风洞操作人员发生预警，使操作人员能够有条不紊的执行关车的操作，参见图2与图3的对比。

本发明目的通过如下技术方案予以实现：

提供一种用于风洞跨声速试验前室超压的预判方法，包括如下步骤：

(1)获取试验期望马赫数M0，判断是否满足1.5MA>M0>1MA，如果否，则判定本次试验总压不会发生超压，结束风洞跨声速试验前室超压预判；如果是，则进入步骤(2)；

(2)确定选取马赫数的数据点数n；从试验吹风产生的第一个马赫数数据开始选取n个马赫数的数据点，第i个数据点对应的马赫数为Mi；

(3)判断M0-Mi是否大于阈值dm1，如果不大于，则判断目前没有发生超压的危险，如果大于则进入步骤(4)；

(4)获取这n个马赫数数据中的最大值Mmax和最小值Mmin，判断Mmax-Mmin是否大于阈值dm2，如果大于，则判断目前没有发生超压的危险，如果不大于，则进入步骤(5)；

(5)判断从试验开始到此时的总吹风时间是否大于阈值T0，如果小于，则认为目前没有发生超压的危险，如果大于，则进入步骤(6)；

(6)判断此时的模型的攻角α，如果攻角α小于设定的阈值α₀，则认为目前没有发生超压的危险，如果攻角值已经大于α₀，则判断总压即将超压，输出报警信号；

(7)如果认为目前没有发生超压的危险，则判断试验是否结束，如果试验没有结束则将第一个马赫数数据剔除，将新产生的第n+1个数据点加到数据队列的尾部，重新组成n个马赫数的数据点，并返回步骤(3)，如果试验结束，则结束风洞跨声速试验前室超压预判。

上述过程对应的程序流程图参见图4。

优选的，无论是否发生超压，也无论是否某一次发出超压预警，重复执行步骤(2)～(4)，直至试验结束。

优选的，dm1与风洞的马赫数控制精度为p关系为：dm1＝k*p，k为系数，取值在1.5到2之间，阈值dm1的取值在0.0075MA～0.01MA之间。

优选的，阈值dm2与风洞的马赫数控制精度为p关系为：dm2＝k2*p，k2为系数，取值在0.7到1之间，阈值dm2取值0.005以内。

优选的，阈值T0与从打开风洞调压阀阀门到流场基本稳定的时间t的关系为，t<T0<2t，阈值T0取值在5s到10s之间。

优选的，阈值α₀取值为5°。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

(1)本发明能够在超压发生前几秒到十几秒的时间提前给风洞操作人员发生预警，及时关机，保护风洞、模型及设备的安全，措施有效，有效率在99％以上。

(2)本发明通过马赫数曲线进行判断，方法简单有效，计算速度快，保证了报警的及时性。

附图说明

图1是某一马赫数的吹风数据，包括总压曲线、静压曲线和马赫数曲线(该图横坐标是时间，单位为s)；其中总压曲线在试验后期65s以后不断升高，直到超过0.19MPa的设定压力；

图2未用超压预判算法进行预判的发生超压的试验的马赫数曲线(该图横坐标是数据点，与对应的时间是10倍的关系)；

图3用超压预判算法进行预判的该次马赫数曲线(该图横坐标是数据点，与对应的时间是10倍的关系)；

图4是本发明算法的流程图。

具体实施方式

本发明统计风洞历次超压过程中的总压曲线、静压曲线、马赫数曲线的数据特点，分析超压前后的数据特点，例如参见图1在0.17MP时发生了超压，时间点为75s，马赫数曲线在75s前后比较平滑，数据变化量很小，并且一直低于期望马赫数1.2；这段时间内，静压曲线跟随总压曲线同步上涨，导致总静压比值保持不变，这是马赫数保持基本不变而总压不可逆上涨的原因。

分析后通过马赫数曲线及其他试验数据判断是否即将发生超压，具体步骤如下：

(1)获取试验期望马赫数M0，判断是否满足1.5MA>M0>1MA，如果否，则判定总压不会发生超压；如果是，则进入步骤(2)；

(2)确定选取马赫数的数据点数n；选取n个马赫数的数据点，第i个数据点对应的马赫数为Mi；

(3)判断M0-Mi是否大于阈值dm1，如果不大于，则判断不会发生超压，如果大于则进入步骤(4)；

(4)获取这n个马赫数数据点中的最大值Mmax和最小值Mmin，判断Mmax-Mmin是否大于阈值dm2，如果大于，则判断不会发生超压，如果不大于，则进入步骤(5)；

(5)判断从试验开始到此时的总吹风时间是否大于阈值T0，如果小于，则认为不会发生超压，如果大于，则进入步骤(6)；

(6)判断此时的攻角(模型的迎角)数据α，如果攻角α小于设定的阈值α₀，则认为不会超压，如果攻角值已经大于α₀，则判断总压即将超压，输出报警信号，提醒操作人员关车停止试验。

(7)对数据采用先进先出的方式，将马赫数数据段中第一个马赫数数据M1剔除，将新产生的第n+1个数据点加到数据队列的尾部，然后重复执行步骤(3)到步骤(6)的判断，如此循环，可以对吹风过程中任何一个时刻风洞流场是否要超压进行预判,直到试验结束。合理设定算法中需要的参数，包括：数据段段长dl(例如取30～50个马赫数的数据点)，期望马赫数d与实际马赫数差值的阈值dm1，实际马赫数最大与最小值的阈值dm2；合理设定算法中需要的数据段段长dl，时间阈值T0，攻角阈值α₀；

dm1的确定方法：dm1与不同风洞的马赫数不同的控制精度有关，假设某风洞的马赫数控制精度为p，则dm1与p的关系近似为：dm1＝k*p，一般系数k取1.5到2。如果一个风洞的控制精度为0.005M，则dm1约为0.0075～0.01M，k取值太小或太大，都将失去预判效果。

dm2的确定方法：dm2也与马赫数控制精度有关，dm2＝k2*p，一般k2取值在0.7到1之间，超压趋势一旦确立，也即发生壅塞现象之后，马赫数数据曲线是相当平滑的，k2取值太大，也将失去预判效果。

T0的确定方法：T0与控制风洞流场的稳定时间有关，即从打开风洞调压阀阀门到流场基本稳定的时间t，一般取t<T0<2t。

α₀的确定方法：当模型攻角变大时，会导致模型阻塞比急剧变大，因此可以认为模型攻角很小时，总压不会超压，因此设定α₀在5°左右即可。

将调整好参数的算法移植到流场控制程序中进行实际的超压预测，算法将可以在风洞将要发生超压之前向试验人员发出超压的预警。

由于该算法是对以往实际超压数据的分析，所以不同的风洞要对算法的参数进行测试和重设定。参数的设定，相当于是该算法对不同风洞的重新定制的过程。设定好参数的算法就会对所面对的风洞是否超压进行有效的预测。参数设定是否合适的标准有：1、设定的参数是否能够提前预测出超压的发生；2、设定的参数是否能够有效控制误报率；3、设定的参数能够提前发出预警的时间长短，时间越长说明参数设定的越合适。

参见图2为未用超压预判算法进行预判的发生超压的试验的马赫数曲线，对应的总压是在马赫数曲线结束的时刻发生的超压；图3为用超压预判算法进行预判的该次马赫数曲线，与图2对比，预判算法判断出从粗线条曲线部分开始总压即将发生超压，采用本发明的算法提出超压报警的时间先于实际发生超压的时间10s以上。

本发明算法结合风洞跨声速试验超压发生前后的数据特点进行分析，在其基础上挖掘数据规律提炼出来的预测算法。参数设定合理的情况下，该算法可以提前几秒到十几秒发出预警，并且能够有效的抑制误报率，提示操作人员提前关车。

以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。