一种适用于大型超声速风洞的组合式声爆试验装置及方法与流程

本发明属于风洞声爆试验，具体涉及一种适用于大型超声速风洞的组合式声爆试验装置及方法。

背景技术：

1、当风洞内气流环境为超声速时，模型外形会产生一系列波系，这些波系往往对应着压力的变化，声爆试验主要是获取在给定的空间内受到模型波系影响的压力分布相较于该空间未受到模型波系影响时的压力分布的变化量。可以看出，声爆试验测量数据主要包含两部分，一是受到模型波系影响的空间压力分布和相同空间未受到模型波系影响的压力分布。

2、目前声爆试验方法主要有两种，一是模型移动法，一是测量装置移动法。其中，模型移动法是指试验时测量装置保持固定位置不动，通过改变模型空间位置实现声爆试验数据测量，如图1所示，当模型处于位置1时，测量装置获得的是受到模型波系影响的压力分布数据，当模型处于位置2时，虚线所示模型波系影响区已经处于测量装置下游，此时测量装置获得的是未受到模型波系影响的压力分布数据。测量装置移动法是指试验时模型保持固定位置不动，通过改变测量装置的空间位置实现声爆试验数据测量，如图2所示，模型保持固定位置不变，当测量装置处于位置1时，获得的是未受到模型波系影响的压力分布数据，当测量装置处于位置2时，获得的是受到模型波系影响的压力分布数据。

3、基于不同的试验方法，当前的声爆试验测量装置主要有以下两类，一类是单点测量装置，一类是并行测量装置。其中，单点测量装置外形近似探针，其主要特点是每个时间点只能获取一个模型位置点的压力分布数据。为了获得完整的模型声爆信号，需要或是采用模型移动法使模型全部波系依次扫过单点测量装置，或是采用测量装置移动法使测量装置依次扫过完整的模型波系影响区。以测量探针作为单点测量装置为例，图3给出了模型移动法示意图，测量探针保持固定位置不动，模型沿x向由前位运动至后位，期间模型波系影响将依次扫过探针，对应的压力数据被探针获取。图4给出了单点测量装置移动法示意图，模型保持固定位置不动，测量探针沿x向运动穿过模型声爆信号影响区，对应的压力数据被单点测量设备获取。单点测量装置的优点是尺寸小，外形呈流线型，对风洞流场环境影响小，获得的数据不需要后处理，可靠性较高，缺点是试验效率低，每个时间点只能获取一个模型位置点的数据，获取完整模型的压力分布需要的时间很长，同时，为了节约时间，往往将单点测量装置分为两部分，一部分为模型波系影响测量装置，其主要处于模型波系影响区内，主要获取受到模型波系影响的压力数据，一部分为参考测量装置，其通常安装在模型波系影响区以外，主要获取无干扰的风洞来流压力数据。

4、并行测量装置整体呈长条状，其主要特点是装置沿x向布置一系列测压点，能够实现同一时间点获得整个模型的压力分布数据。并行测量装置通常尺寸较大，只能固定安装在风洞壁板，试验只能采用模型移动法，如图5所示，试验前调整模型与并行测量装置之间在y向上的距离，使其满足计划试验工况；风洞启动，流场建立后，控制模型沿风洞x向以阶梯方式运动一段距离，这些阶梯对应的模型影响区均处在并行测量装置的测量区间内，如模型位置1和模型位置2，这些阶梯完成后，控制模型沿x向运动至其模型波系影响区远离并行测量装置位置，如模型位置3，此时并行测量装置采集的数据可视为无干扰数据，之后，风洞关车。采集到的数据进行处理后即可得到对应的声爆试验结果。

5、目前，并行测量装置以具有高的试验效率以及配合相应的数据处理方法能够获得比较可靠的试验数据成为声爆试验主要的测量装置，但是存在的问题是并行测量装置安装在风洞中，且其尺寸远大于单点测量装置，导致其通常只能在大型超声速风洞中使用，同时，大的尺寸必然会对风洞内的气流分布产生影响，这种影响与模型产生的波系相互干扰，会导致并行测量装置获得的试验数据可靠性和准确性受到影响，也就是说基于并行测量装置获得的声爆试验数据质量受装置外形影响很大，其外形对风洞气流分布产生的干扰越小，数据质量越好。然而，由于不同风洞的结构形式存在差异，以及并行测量装置在风洞中的安装位置也存在差异，不同风洞间的并行测量装置很难通用，而直接采用通过数值仿真设计的理论上最优化的并行测量装置，一方面数值仿真很难真实模拟风洞结构细节，另一方面很难模拟风洞气流脉动等导致的并行测量装置变形，这就导致理论上最优的并行测量装置在实际试验中的效果存在不确定性，基于该装置获得的试验数据出现疑问时也很难判断是装置结构影响还是模型状态引起亦或是风洞试验工况导致。单点测量装置虽然试验效率较低，但是由于其自身尺寸小且呈流线型，对风洞气流分布影响很小，获得的试验数据可靠性较高，且风洞的通用性较好，因此，单点测量装置在依托小型风洞重点进行探索研究的声爆试验中应用较多。

技术实现思路

1、本发明的目的在于：本发明提供了一种适用于大型超声速风洞的组合式声爆试验装置及方法，解决声爆试验时测量数据对外部条件尤其是流场变化非常敏感，目前声爆试验装置及方法能够提供的辅助分析手段非常有限，导致测量数据分析方面存在困难的问题。

2、本发明目的通过下述技术方案来实现：

3、一种适用于大型超声速风洞的组合式声爆试验装置，包括风洞，包括位于风洞内的并行测量装置、单点测量装置和声爆试验模型装置，并行测量装置固定安装在试验区风洞壁板，单点测量装置位于试验区风洞壁板内侧，单点测量装置至少具有x向和y向的运动能力，声爆试验模型装置位于试验区中部，声爆试验模型装置至少具有x向、y向以及俯仰方向的运动能力。

4、进一步的，所述的单点测量装置包括单点测量设备、单点支撑装置、单点运动控制机构和参考测量设备，单点测量设备与单点运动控制机构之间安装单点支撑装置，单点运动控制机构固定安装在试验区风洞壁板，单点运动控制机构至少具有控制单点测量设备x向和y向运动的能力，参考测量设备固定安装在不受模型波系影响的风洞壁板。

5、进一步的，所述的声爆试验模型装置包括声爆试验模型、模型支撑装置和模型运动控制机构，声爆试验模型与模型运动控制机构之间安装模型支撑装置，模型运动控制机构至少具有控制声爆试验模型x向、y向以及俯仰方向运动的能力。

6、进一步的，所述的并行测量装置与单点测量装置呈对称布置。

7、一种适用于大型超声速风洞的组合式声爆试验方法，采用上述的试验装置，包括如下不同形式的试验方式：

8、方式1，单独使用单点测量装置按照模型移动法开展声爆试验；

9、方式2，单独使用单点测量装置按照装置移动法开展声爆试验；

10、方式3，单独使用并行测量装置开展声爆试验；

11、方式4，以并行测量装置为主兼单点测量装置为辅开展声爆试验；

12、方式5，同时使用单点测量装置和并行测量装置开展声爆试验。

13、进一步的，所述的方式1中，试验方法如下：

14、步骤a，按照计划的试验工况，调整模型与单点测量装置在y向上的距离；

15、步骤b，单点测量装置的参考测量装置安装在风洞壁板固定位置，该位置应保证不受模型和壁面波系影响；

16、步骤c，风洞启动，建立超声速流场；

17、步骤d，单点测量装置的单点测量设备保持固定位置不动，模型沿x向运动一段距离，期间模型波系影响将依次扫过单点测量设备，对应的压力数据被单点测量设备获取；同时，无干扰来流压力数据被参考测量装置获取；

18、步骤e，风洞关车。

19、进一步的，所述的方式2中，试验方法如下：

20、步骤a，按照计划的试验工况，调整模型与单点测量装置在y向上的距离；

21、步骤b，单点测量装置的参考测量装置安装在风洞壁板固定位置，该位置应保证不受模型和壁面波系影响；

22、步骤c，风洞启动，建立超声速流场；

23、步骤d，模型保持固定位置不动，单点测量装置的单点测量设备沿x向运动穿过模型声爆信号影响区，对应的压力数据被单点测量设备获取；同时，无干扰来流压力数据被参考测量装置获取；

24、步骤e，风洞关车。

25、进一步的，所述的方式3中，试验方法如下：

26、步骤a，按照计划的试验工况，调整模型与并行测量装置在y向上的距离；

27、步骤b，风洞启动，建立超声速流场；

28、步骤c，控制模型沿风洞x向以阶梯方式运动，阶梯对应的模型影响区均处在并行测量装置的测量区间内，其影响对应的压力数据被并行测量装置获取；

29、步骤d，控制模型沿x向运动至其模型波系影响区远离并行测量装置位置，此时并行测量装置采集的数据可视为无干扰数据；

30、步骤e，风洞关车。

31、进一步的，所述的方式4中，试验方法如下：

32、步骤a，按照计划的试验工况，调整模型与并行测量装置在y向上的距离；

33、步骤b，单点测量装置的参考测量装置安装在风洞壁板固定位置，该位置应保证不受模型和壁面波系影响；

34、步骤c，风洞启动，建立超声速流场；

35、步骤d，控制模型沿风洞x向以阶梯方式运动，阶梯对应的模型影响区均处在并行测量装置的测量区间内，其影响对应的压力数据被并行测量装置获取；

36、步骤e，在步骤d同时，单点测量装置的单点测量设备以与模型相同的阶梯间间隔运动，并采集对应的压力数据，同时，参考测量装置采集无干扰来流压力数据；

37、步骤f，步骤d结束后，控制模型沿x向运动至其模型波系影响区远离并行测量装置位置，此时并行测量装置采集的数据可视为无干扰数据；

38、步骤g，在步骤f同时，单点测量设备按照与模型同步运动，并采集对应的压力数据，同时，参考测量装置采集无干扰来流压力数据；

39、步骤h，风洞关车。

40、进一步的，所述的方式5中，试验方法如下：

41、步骤a，按照计划的试验工况，调整模型与并行测量装置在y向上的距离，此时，单点测量装置的单点测量设备和模型在y向上的距离也是确定的；

42、步骤b，单点测量装置的参考测量装置安装在风洞壁板固定位置，该位置应保证不受模型和壁面波系影响；

43、步骤c，调整单点测量设备在轴线方向上的位置，在试验期间保持不动，确保模型沿x向运动时能够获取其完整的波系影响区压力分布数据；

44、步骤d，风洞启动，建立超声速流场；

45、步骤e，控制模型沿风洞x向以阶梯方式运动，阶梯对应的模型影响区均处在并行测量装置的测量区间内，其影响对应的压力数据被并行测量装置获取；同时也被单点测量设备获取，同时参考测量装置采集无干扰来流压力数据；

46、步骤f，步骤e结束后，控制模型沿x向运动至其模型波系影响区远离并行测量装置位置，此时并行测量装置采集的数据可视为无干扰数据；

47、步骤g，风洞关车。

48、本发明的有益效果：

49、1.针对基于并行测量装置获得的试验数据受到风洞来流条件、空间流场分布以及装置本身结构形式及外形尺寸等多种因素影响，很难剥离出装置本身对试验数据的影响，进而支持装置优化设计的问题，将流场干扰小、试验数据可靠性高的单点测量装置引入其中，并设计相应的试验方法，获得了更加可靠的来流条件变化和空间流场分布数据，辅助并行测量装置试验数据分析，剥离出装置本身对试验数据的影响，避免出现目前技术只能通过大量试验尝试和仿真计算反复迭代优化获取适用于当前风洞的并行测量装置存在的效率低、成本高、难度大的问题。

50、2.在同一风洞中实现了单点测量装置和并行测量装置兼容，既可以根据试验需求选择最合适的装置开展试验，避免在不同风洞开展试验可能存在的风洞相关性的问题，也可以两套装置各自独立工作获取更多的试验数据，还可以采取“一为主一为辅”的方式，在获取所需试验数据的同时，增加参数变化对试验数据影响的辅助分析数据，有利于更好地分析试验数据规律。

51、前述本发明主方案及其各进一步选择方案可以自由组合以形成多个方案，均为本发明可采用并要求保护的方案；且本发明，（各非冲突选择）选择之间以及和其他选择之间也可以自由组合。本领域技术人员在了解本发明方案后根据现有技术和公知常识可明了有多种组合，均为本发明所要保护的技术方案，在此不做穷举。