本发明涉及暂冲式亚跨声速风洞流场控制领域，特别涉及一种针对配套引射器系统和排气节流系统的半回流暂冲式亚跨声速风洞的流场控制方法。
背景技术：
风洞是能人工产生和控制气流以模拟飞行器或物体周围气体的流动，并可量度气流对物体的作用以及观察物理现象的一种管道状地面试验模拟设备。根据模拟速度的不同，将风洞分为低速风洞(M≤0.4)、高速风洞(0.4<M≤4.5)和高超声速风洞(M≥5.0)。在高速风洞中，又分为亚跨声速风洞(M＝0.4～1.4)和超声速风洞(M＝1.5～4.5)。风洞是通过控制风洞管道中气流的压比来模拟对应的M数的。
对于高声速风洞，为了确保流经风洞管道中的气体能顺利排入外界大气，一般要求气体排入大气时的静压要略高于外界环境大气压(通常称之为反压)，由于外界环境大气压变化小，可认为相对恒定，因此可认为风洞反压相对恒定。对于风洞而言，模拟不同的马赫数需要不同的压比，故，在反压恒定的条件下，需要不同的来流总压才能满足压比要求。
为了满足上述要求，并提高风洞流场品质、提高风洞试验效率、降低风洞运行成本、实现风洞在同一总压实现不同M数的运行，美欧等西方发达国家已将暂冲式风洞升级为连续式风洞。区别于暂冲式风洞，连续式风洞是通过压缩机提供压比，而不是改变风洞运行总压来驱动风洞回路中的气体形成稳定的流动，因此连续式风洞可以在同一运行总压下建立稳定的亚跨声速流场。而暂冲式亚跨声速风洞，除了采用增压运行方式外，还不具备上述试验能力。但增压运行方式的缺点是需要风洞扩散段和栅指系统的密切配合，同时还会明显增加风洞的能源消耗、降低流场品质，不利于降低风洞运行成本，也不能满足低速压、小载荷测试试验要求。目前，如何在暂冲式亚跨声速风洞中实现同一总压不同M数的运行试验能力，国内外都缺少成功的案例可供借鉴。
技术实现要素：
本发明的目的在于：针对闭环回流的暂冲式亚跨声速风洞不能在同一总压下实现不同M数的运行问题，提供一种引射驱动的闭环回流的暂冲式亚跨声速风洞流场控制方法。该方法通过扩散段后的引射器喷射出的超速声速气流作为主驱动，在回流调节阀、排气节流阀的共同作用下，实现风洞回路中气流的稳定流动，并通过辅助进气调压阀实现风洞稳定段总压的精确控制，通过试验段后的栅指系统的精确调节实现风洞M数的精确控制，通过上述控制方法可在暂冲式亚跨声速风洞中在同一总压下实现不同M数的运行试验能力。
为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种引射驱动的闭环回流的暂冲式亚跨声速风洞流场控制方法，包括以下步骤：
步骤一、根据运行总压、试验M数、气源压力计算输出喷管段型面位置参数、扩散段位置参数、引射器运行总压和对应位置开度、辅助进气总压和对应位置开度、回流调节阀位置开度、排气节流阀位置开度和栅指位置开度；
步骤二、根据步骤一中计算给定的参数，通过控制系统，将喷管段型面、扩散段型面、回流调节阀、排气节流阀、栅指位置开度预置到给定的目标位置；并打开引射器系统和辅助进气系统的截止阀和快速阀；
步骤三、开启引射器调压阀，闭环控制引射器压力至步骤一中给定的目标压力；
步骤四、当步骤三中引射器压力达到闭环控制精度后，开启辅助进气调压阀，闭环控制稳定段总压至步骤一中给定的目标总压，并以稳定段总压作为闭环控制反馈对象，闭环控制辅助进气调压阀开度，实现稳定段总压的闭环控制；
步骤五、在稳定段总压达到控制精度的基础上，以试验段驻室M数作为闭环控制反馈对象，闭环控制栅指位置开度，实现亚跨声速试验段驻室M数的闭环控制；
步骤六、当按既定的流程完成吹风试验后，同时向辅助进气调压阀和快速阀、引射调压阀和快速阀下达关闭命令，确保辅助进气调压阀和快速阀、引射调压阀和快速阀关闭；
步骤七、关闭风洞所有截止阀，完成完整的吹风试验流程。
优选的是，暂冲式亚跨声速风洞包括：回流管道；依次连接在回流管道上的第四拐角段、稳定段、收缩段、喷管段、试验段、支架段、扩散段、引射器系统、第一拐角段、第二拐角段、辅助进气系统、回流调节阀、第五拐角段、排气系统和第三拐角段；
其中，所述引射器系统包括：引射器；连接在引射器上的引射进气管道和连接在引射进气管道上的引射调压阀；
所述辅助进气系统包括：连接在回流管道上的辅助进气管道和连接在辅助进气管道上的辅助进气调节阀；
所述排气系统包括：排气管道，连接在排气管道上的排气节流阀和排气消声塔。
优选的是，在步骤一中需要通过风洞调试，建立风洞运行总压、试验M数、气源压力与引射器压力及对应阀门位置、辅助进气总压及对应阀门位置、回流调节阀开度、排气节流阀开度、栅指位置开度之间的函数关系，其具体的函数关系为：
根据函数
SNOZZLE＝f(M),HSDT＝g(M)
分别计算出给定M数下的喷管型面和超扩段型面(扩散段型面)，SNOZZLE为喷管型面，HSDT为超扩段型面(扩散段型面)；其中，
P0稳＝ξ×P0反
P0稳为稳定段总压，P0反为风洞反压，ξ为压比系数，ξ为马赫数的函数其中，
P02＝(1+ζ1+ζ2+…+ζn)P0稳
式中P02代表引射器集气室总压，ζn代表第n个部段的压力损失系数；其中，
S＝f(ε)×Smax，ε＝P02/P01
P01代表气源总压，ε表示调压阀前后压比，f(ε)表示阀门位置相对开度与压比之间的函数关系，不同M数f(ε)不同，Smax代表阀门最大位置开度，S代表阀门实际位置开度；其中，
LFF＝f(M,P0稳)
LFF代表栅指伸长长度，M为马赫数，f(M,P0稳)是马赫数和稳定段总压的函数，根据
α＝f(M,P0稳),A1＝αA2
计算出回流调节阀开度，α为回流调节阀的相对开度，α是M数和P0稳的函数，A1、A2分别为回流调节阀入口和出口的面积；
根据公式
计算出风洞试验段的流量，式中G代表质量流量，AT代表横截面积，T0代表总温，再根据质量守恒，根据公式
G辅助进气＝η×G试验段，η＝F(M,P0稳)
计算出辅助进气调压阀流量，式中η为流量系数，是M数和P0稳的函数。
根据公式
P02辅＝ξP0回流调节
计算出辅助进气调压阀后的总压，根据公式
计算出辅助调压阀的q(λ)数据，式中，FTP为辅助调压阀后管道面积，按照公式
计算出阀口速度系数λω，式中，F为阀门的环状流通面积，根据公式
S＝f(ε)×Smax，ε＝P02辅/P01
计算出辅助调压阀的阀门位置开度。
根据公式计算出栅指伸长量：
Lflap＝f(σ,M),σ＝P03/P0稳
式中，Lflap为栅指伸长量，P03为栅指段入口截面总压。
根据公式计算出排气节流阀开度：
式中，α排为排气节流阀相对开度，S为排气节流阀流通面积，S0为排气节流阀后横截面积，G引射器为引射器调压阀质量流量，G辅助进气为辅助进气调压阀质量流量，G试验段为试验段质量流量，ρ为气体密度，ν为排气节流阀气体流速，是M数和P0稳的函数。
优选的是，在步骤二中通过控制回流调节阀开度控制风洞回流管道内气体流入稳定段的流量。
优选的是，在步骤二中通过控制排气节流阀开度来调节流经排气管道排出风洞回流路中的气体流量，有利于提高回流调节阀区域的气体总压。
优选的是，步骤三中引射器喷射出的超声速气流在回流调节阀和排气节流阀的共同作用下，使气流在风洞回路中形成稳定持续的流动。
在本发明中，步骤一的具体过程为：计算试验控制参数：根据给定的运行总压、试验M数和气源压力，带入总压、M数、引射总压、辅助进气总压、回流调节阀开度、排气节流阀开度、栅指开度、喷管段型面、扩散段型面的函数中，计算出对应的引射总压、辅助进气总压、回流调节阀开度、排气节流阀开度、栅指开度、喷管型面和扩散段型面，并根据引射总压和辅助进气总压带入总压与阀位函数中，计算出对应的引射调压阀和辅助进气调压阀的位置开度。
在本发明的步骤二中，通过伺服液压油缸(或伺服电机)将回流调节阀、排气节流阀和栅指系统预置到步骤一中给定的位置开度。
本发明至少包括以下有益效果：
(1)本发明通过位于扩散段后部的引射器系统作为驱动，在风洞回路中建立稳定的气流流动，将传统的下吹暂冲式亚跨声速风洞升级为扩散段后部抽吸暂冲式亚跨声速风洞。
(2)本发明可以实现暂冲式亚跨声速风洞在同一总压下建立亚、跨声速流场的试验能力，而传统的暂冲式风洞是完全不具备该试验能力的。
(3)本发明在保证风洞压比不变的条件下，可以在更低的稳定段运行总压(甚至是负压)、更低的速压和更小的流量下运行，有利于降低风洞试验安全的风险。
(4)本发明相对于传统暂冲式风洞，在相同气源容积条件下，具有更长的吹风时间，更低的气源压力要求。
(5)本发明可在暂冲式风洞中实现负压、常压及增压运行工况的模拟，有效拓宽了风洞的运行包线和模拟范围。且负压运行有利于开展微应变小量程测力试验的顺利开展。
(6)本发明可以实现定M数，变速压的运行工况，有利于开展气动弹性试验的顺利开展。
(7)本发明将传统的下吹式暂冲式风洞升级为吸入式暂冲式风洞，有利于降低来流高压气流脉动及噪声对风洞动态流场指标的影响，有利于提高风洞流场动态品质，有利于提高脉动压力、颤振、动导数等动态试验数据质量。
本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
附图说明：
图1为与本发明相关风洞气动轮廓示意图；
图2为本发明的暂冲式亚跨声速风洞流场控制方法流程图。
具体实施方式：
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不配出一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。
图1为与本发明相关的风洞气动轮廓示意图，如图1所示，该风洞包括：回流管道；依次连接在回流管道上的第四拐角段1、稳定段2、收缩段3、喷管段4、试验段5、支架段6、扩散段7、引射器系统8、第一拐角段9、第二拐角段10、辅助进气系统11、回流调节阀12、第五拐角段13、排气系统14和第三拐角段15；
其中，所述引射器系统8包括：引射器81；连接在引射器81上的引射进气管道82和连接在引射进气管道82上的引射调压阀83；
所述辅助进气系统11包括：连接在回流管道上的辅助进气管道111和连接在辅助进气管道111上的辅助进气调节阀112；
所述排气系统14包括：排气管道141，连接在排气管道141上的排气节流阀142和排气消声塔143。
本发明的风洞气动结构是在常规半回流暂冲式亚跨声速风洞中，在扩散段后配置一套具备独立压力控制的引射器系统，在第二拐角段10配置一套辅助进气系统11，在第二拐角段10和第三拐角段15之间配置回流调节阀系统12，在第五拐角段13和排气消声塔143之间配置一套排气节流阀系统142。
如图1所示，风洞主气流经引射器进气管道82和阀门系统(引射调压阀83)进入风洞管道内，通过引射器81形成超声速自由射流作为驱动，推动气流先后流经第一拐角段9、回流管道Ⅰ 16、第二拐角段10并在回流调节阀12位置进行分流：一部分气流经回流调节阀12进入回流管道Ⅱ17、第三拐角段15、回流管道Ⅲ18、第四拐角段1、稳定段2、收缩段3、喷管段4、试验段5、支架段6、扩散段7及引射器81形成闭环的回流；另一部分气流不通过回流调节阀12直接流入第五拐角段13、排气管道141、排气节流阀142和排气消声塔143后直接排入大气。风洞辅助进气通过辅助进气管道111、辅助进气调压阀112和回流调节阀12直接流入回流管道Ⅱ17，然后再通过第三拐角段15、回流管道Ⅲ18、第四拐角段1、稳定段2、收缩段3、喷管段4、试验段5、支架段6、扩散段7、引射器81之后与引射器喷射出的超声速自由射流混合，重复上述流动路径形成完整的闭环流动，如此往复形成稳定的流动。其中具体的马赫数控制方法为：吹风前根据运行总压、试验M数、气源压力计算输出喷管型面位置参数、扩散段位置参数、引射器运行总压和对应位置开度、辅助进气总压和对应位置开度、回流调节阀位置开度、排气节流阀位置开度、栅指位置开度；并预置回流调节阀开度、排气节流阀开度和栅指位置开度，并将喷管型面和扩散段型面调整到位，吹风试验时，开启引射器调压阀至给定位置开度后，闭环控制引射器运行压力，当引射器压力达到控制精度后，开启辅助进气调压阀至给定位置开度后，闭环控制稳定段总压，当稳定段总压达到控制精度后，通过闭环控制栅指开度，实现试验段驻室M数的精确控制，然后进行既定的吹风试验流程直至试验结束。采用本发明提供的控制方法，可以在半回流暂冲式亚跨声速风洞中，实现同一个运行总压下建立稳定的亚、跨声速流场，同时还能在上述风洞中实现负压、常压和增压的吹风试验功能。突破了传统暂冲式亚跨声速风洞不同马赫数需要匹配不同稳定段总压的限制要求。同时采用该发明可以明显降低风洞总压、速压及试验段流量，有利于降低风洞的安全风险，确保风洞及试验模型的安全。
如图1所示，引射调压阀83的作用是根据风洞运行总压、试验M数、气源压力与引射调压阀开度的函数关系确定该阀的位置开度，用于控制引射压力和流量，并作为风洞驱动主气流，驱动风洞回路气流形成闭环流动。
如图1所示，回流调节阀12的作用是根据风洞运行总压、试验M数、气源压力与回流调节阀开度的函数关系确定该阀的位置开度，用于控制经第二拐角段10的来流流入风洞回流管道Ⅱ的流量。
如图1所示，排气节流阀142的作用是根据风洞运行总压、试验M数、气源压力与排气节流阀开度的函数关系确定该阀的位置开度，用于控制流经排气节流阀的气体流量，以提高风洞回流调节阀部段的气体压力。
如图1所示，辅助进气系统11的作用是根据风洞运行总压、试验M数、气源压力与辅助进气压力和调压阀位置开度的函数关系确定辅助进气的压力和该阀的位置开度，用于提高稳定段总压的控制精度，实现风洞定总压的运行功能。
其中，上述的函数关系具体为：
根据函数
SNOZZLE＝f(M),HSDT＝g(M)
分别计算出给定M数下的喷管型面和超扩段型面(扩散段型面)，SNOZZLE为喷管型面，HSDT为超扩段型面(扩散段型面)；其中，
P0稳＝ξ×P0反
P0稳为稳定段总压，P0反为风洞反压，ξ为压比系数，ξ为马赫数的函数其中，
P02＝(1+ζ1+ζ2+…+ζn)P0稳
式中P02代表引射器集气室总压，ζn代表第n个部段的压力损失系数；其中，
S＝f(ε)×Smax，ε＝P02/P01
P01代表气源总压，ε表示调压阀前后压比，f(ε)表示阀门位置相对开度与压比之间的函数关系，不同M数f(ε)不同，Smax代表阀门最大位置开度，S代表阀门实际位置开度；其中，
LFF＝f(M,P0稳)
LFF代表栅指伸长长度，M为马赫数，f(M,P0稳)是马赫数和稳定段总压的函数，根据
α＝f(M,P0稳),A1＝αA2
计算出回流调节阀开度，α为回流调节阀的相对开度，α是M数和P0稳的函数，A1、A2分别为回流调节阀入口和出口的面积；
根据公式
计算出风洞试验段的流量，式中G代表质量流量，AT代表横截面积，T0代表总温，再根据质量守恒，根据公式
G辅助进气＝η×G试验段，η＝F(M,P0稳)
计算出辅助进气调压阀流量，式中η为流量系数，是M数和P0稳的函数。
根据公式
P02辅＝ξP0回流调节
计算出辅助进气调压阀后的总压，根据公式
计算出辅助调压阀的q(λ)数据，式中，FTP为辅助调压阀后管道面积，按照公式
计算出阀口速度系数λω，式中，F为阀门的环状流通面积，根据公式
S＝f(ε)×Smax，ε＝P02辅/P01
计算出辅助调压阀的阀门位置开度。
根据公式计算出栅指伸长量：
Lflap＝f(σ,M),σ＝P03/P0稳
式中，Lflap为栅指伸长量，P03为栅指段入口截面总压。
根据公式计算出排气节流阀开度：
式中，α排为排气节流阀相对开度，S排为排气节流阀流通面积，S0排为排气节流阀后横截面积，G引射器为引射器调压阀质量流量，G辅助进气为辅助进气调压阀质量流量，G试验段为试验段质量流量，ρ为气体密度，ν为排气节流阀气体流速，是M数和P0稳的函数。
图2为本发明的一种引射驱动的闭环回流的暂冲式亚跨声速风洞流场控制方法的流程图，其控制方法包括以下步骤：
步骤01：控制程序初始动作，进入程序准备阶段。
步骤02：计算试验参数。根据风洞吹风试验要求，给定风洞运行总压(即稳定段总压)、试验M数、模型姿态角。将运行总压、试验M数以及气源压力输入参数计算程序，计算输出喷管型面位置参数、扩散段位置参数、引射器运行总压和对应位置开度、回流调节阀位置开度、排气节流阀位置开度、辅助进气总压和对应位置开度、栅指位置开度。
步骤03：预置位置开度，并打开截止阀和快速阀。具体如下：控制程序通过控制间上位机远程控制试验现场下位机下达动作指令，并将动作指令和位置参数载入下位机，下位机通过驱动器分别向各控制对象下达动作指令：向引射器系统的截止阀和快速阀下达全开命令；向回流调节阀下达开启动作，并闭环控制其位置开度到步骤02中计算出的指定位置开度；向排气节流阀下达开启动作，并闭环控制其位置开度到步骤02中计算出的指定位置开度；向辅助进气系统的截止阀和快速阀下达全开命令；向扩散段系统下达指令，将扩散段调至给定型面；向喷管系统下达指令，并将喷管型面调至给定型面。
步骤04：打开引射调压阀至给定开度，闭环控制引射总压。具体如下：控制程序通过控制间上位机远程控制试验现场下位机下达动作指令，下位机通过驱动器向引射器调压阀伺服系统下达开启指令，并将引射器调压阀按步骤02中计算出的位置开启到位，然后以引射器压力作为闭环控制反馈对象，闭环控制引射器调压阀的位置开度，实现引射器压力闭环控制要求。
步骤05：判断引射器压力是否达到控制精度要求。具体如下：控制系统通过现场测量传感器采集的压力对引射器的压力变化进行监控，待引射压力满足控制精度要求后，则执行下一步控制命令，反之，继续等待，直至引射压力满足控制精度后转入下一控制命令。
步骤06：打开辅助进气调压阀至给定开度，闭环控制稳定段总压。具体如下：控制程序通过控制间上位机远程控制试验现场下位机下达动作指令，下位机通过驱动器向辅助进气调压阀伺服系统下达开启指令，并将辅助进气调压阀按步骤02中计算出的位置开启到位，然后以稳定段总压作为闭环控制反馈对象，闭环控制辅助进气调压阀的位置开度，实现稳定段总压的闭环控制要求。
步骤07：判断稳定段总压是否达到控制精度要求。具体如下：控制系统通过现场测量传感器采集的压力对稳定段总压的变化进行监控，待稳定段总压满足控制精度要求后，则执行下一步控制命令，反之，继续等待，直至稳定段总压满足控制精度后转入下一控制命令。
步骤08：闭环控制栅指开度，调节M数。具体如下：控制程序通过控制间上位机远程控制试验现场下位机下达动作指令，下位机通过驱动器向栅指伺服系统下达指令，以试验段驻室M数作为闭环控制反馈对象，闭环控制栅指的位置开度，实现试验段驻室M数的闭环控制要求。
步骤09：判断M数是否达到控制精度要求。具体如下：控制系统通过现场测量传感器采集的稳定段总压(P0)和试验段驻室静压(PCT)的变化进行监控，并按照以下公式
计算出试验段驻室M数，并以驻室M数做为栅指闭环控制的反馈对象，闭环控制试验段驻室M数，待驻室M数满足控制精度要求后，则执行下一步控制命令，反之，继续等待，直至驻室M数满足控制精度后转入下一控制命令。
步骤10：按既定吹风流程进行风洞试验。具体如下：当控制系统满足步骤01至步骤09控制要求后，转入正式吹风流程。并按照步骤02中给定的模型姿态角进行变化，测量出模型所受的气动载荷。
步骤11：判断模型吹风流程是否完成。具体如下：判断模型姿态角是否按照步骤02中给定的条件执行完毕，如果完成，则转入下一流程，反之，继续执行相关试验。
步骤12：关车。具体如下：控制程序通过控制间上位机远程控制试验现场下位机下达动作指令，下位机通过驱动器向引射器系统和辅助进气系统的调压阀伺服系统、快速阀伺服系统、截止阀系统下达全关指令，同时向栅指伺服系统下达回零指令。
步骤13：判断是否关闭到位。具体如下：根据引射系统和辅助进气系统快速阀、调压阀和截止阀的限位开关判断阀门是否关闭到位，同时通过栅指系统的直线位移传感器判断栅指系统是否回零到位，如果都关闭或回零到位，则控制系统停止发布关车指令，反之，继续发送关车指令，直至关闭。
步骤14：结束。当控制系统执行完步骤01至步骤13后，表明一次完整的吹风试验结束。可以停止风洞试验或继续准备下一次吹风试验。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。