一种连续式跨声速风洞总压控制方法设计

总压是连续式跨声速风洞关键流场参数，高总压控制精度能提高试验数据的准确性，加快调节速度对缩短马赫数极曲线时间具有重要意义。针对连续式跨声速风洞试验工况多、调节手段多等特点，对连续式跨声速风洞压力调节系统及多种流场调节手段下的压力耦合特性进行分析研究，建立了连续式跨声速风洞总压控制精度和调节阀特性的对应关系，并以此设计出不同工况的阀门组合控制策略，采用分段变参数加模糊PID控制算法实现总压的闭环控制。风洞试验结果表明:在保证每条马赫数极曲线时间的同时，总压控制精度达到0.1%，控制方法能够有效满足连续式跨声速风洞总压控制要求。     

低雷诺数效应对0.6m连续式风洞性能影响

风洞试验中通常采用降低运行总压的方法来扩大风洞雷诺数模拟的下边界。同常压试验相比，在低雷诺数条件下，风洞流场是否存在明显变化，风洞流场品质是否满足指标要求，直接影响风洞试验数据的精准度。为了研究低雷诺数效应对0.6m连续式跨声速风洞性能（包括轴流式压缩机性能、总压及马赫数控制精度、流场均匀性）的影响，调试人员在0.6m连续式跨声速风洞中开展了大量相关试验，本文在对试验结果进行整理、分析的基础上，给出了Re对风洞性能的影响。结果表明:（1）Re对压缩机性能、总压控制精度、马赫数控制精度、流场均匀性都有明显影响，当Re_c<5×105（c=0.1√A）时，雷诺数效应明显，且Re越小，影响越大。（2）0.6m连续式跨声速风洞能够真实、准确反映Re对风洞流场性能和测力试验数据的影响规律，是开展高空低雷诺数飞行器、翼型、发动机等性能研究的理想地面模拟试验平台。     

0.6m连续式跨声速风洞总体性能

中国空气动力研究与发展中心（CARDC）0.6m连续式跨声速风洞是一座采用干燥空气作为试验介质的变密度回流式风洞，设计方案采用了宽工况压缩机及其与风洞一体化设计、半柔壁喷管、低噪声跨声速试验段、指片再入调节片式主流引射缝、高性能换热器和三段调节片加可调中心体式二喉道等新型技术。通过风洞总体性能调试，获取了风洞安全运行边界及总体性能，得到了风洞各关键部段性能参数。调试结果表明，风洞总体和各部段性能均达到预期设计技术要求；压缩机、换热器和各辅助系统设备运行性能良好；实现稳定段总压运行范围15~250kPa，总压控制精度优于0.2%；实现试验段Ma运行范围为0.144~1.640，马赫数控制精度优于0.002；轴向马赫数分布均方根偏差优于设计指标（Ma ≤ 1.0时，σ_Ma < 0.002，1.0 < Ma ≤ 1.6时，σ_Ma < 0.008）的要求；当试验Ma ≥ 0.5时，试验段核心气流脉动压力系数ΔC_p < 0.8%。调试结果验证了0.6m连续式跨声速风洞设计方案的可行性，为我国大型连续式跨声速风洞研制提供参考。     

0.6 m连续式跨声速风洞流场品质改进试验研究

中国空气动力研究与发展中心(China Aerodynamics Research and Development Center,CARDC)0.6 m连续式跨声速风洞是一座采用干燥空气作为试验介质的变密度回流式风洞。本文在前期风洞总体性能调试的基础上,通过风洞试验段不同壁板(槽壁/孔壁)型式及设计参数优化、压缩机尾罩和拐角段等洞体回路部段降噪、壁板扩开角和主流引射缝等机构调节、半柔壁喷管和二喉道以及驻室抽气系统控制等措施,对风洞流场品质进行改进,取得了突出进步。主要研究成果包括:总压控制精度优于0.1%;试验段马赫数控制精度优于0.001;跨超声速试验段气流压力脉动系数ΔC_p≤0.8%;平均气流偏角优于0.1°;稳定段出口气流湍流度ε≤1.5%;试验马赫数分布均匀性和标模试验数据精度等指标均达到国际先进水平。该流场品质调试研究充分验证了连续式跨声速风洞实现更高流场品质的可行性,为中国大型连续式跨声速风洞方案设计及国际先进流场品质保证提供了参考。     

连续式跨声速风洞压力损失计算研究

为满足未来先进航空航天型号的发展需求，我国逐步展开了大型跨声速风洞建设工作；由于过去从未开展过大型连续式跨声速风洞建设，建设经验较为有限。连续式风洞压力损失估算及各部段气动参数计算是风洞结构、测控系统和动力系统设计的输入条件；压力损失估算结果的准确性，直接影响了风洞动力系统设计的难度。本文结合经典的压力损失计算方法，针对损失的关键部位，结合CFD数值模拟及缩比部段试验结果进行全面的分析，给出了特殊部段尤其是试验段的损失系数，并通过多次迭代计算的方式，给出了各部段气动性能。最后，将风洞压力损失估算值与某0.6 m量级连续式跨声速风洞试验结果进行对比，估算偏差在7.5%以内。     

2m×2m超声速风洞流场控制策略研究与实现

2m×2m超声速风洞是一座大型引射下吹式风洞,总压控制具有菲线性、时变、大滞后特性,引射器和主调压阀同时运行时存在一定的耦合特性.为了满足风洞试验对总压控制精度和收敛速度的要求,对不同马赫数试验条件下,风洞流场启动和串级智能稳定控制策略进行了深入研究,并在调试过程中对控制方法进行了验证,控制结果达到风洞指标要求.     

0.6 m连续式跨声速风洞轴流压缩机布局方案研究

压缩机作为连续式跨声速风洞的驱动系统，其运转性能与风洞总体性能的匹配设计是风洞研制的关键技术之一。随着大型连续式跨超声速风洞的发展，压缩机研制呈现出运转功率大和运转效率高、调节范围宽和调节精度高等鲜明特点。基于0.6 m连续式跨声速风洞的研制，对大型跨声速风洞轴流压缩机的布局方案进行研究。从气动性能、结构设计、控制等方面对压缩机位置布局和方案布局进行了分析，并阐述了风洞压缩机一体化设计的重要性。在压缩机布置于第一、二拐角段之间的前提下，通过压缩机性能试验，验证了电机外置两端驱动方案、多台电机同步控制方案和压缩机内流道整流技术等的可行性。风洞调试结果表明，压缩机运行性能良好，各项指标均满足设计技术要求，为大型连续式跨声速风洞建设奠定了基础。     

大型连续式跨声速风洞干燥系统参数优化研究

在跨声速风洞中,试验段水汽凝结会使气流变为非等熵流动并产生凝结波,严重破坏流场均匀性并对测试数据产生影响.因此,试验前需对气流进行干燥使其含湿量低于1.5 g/kg.大型连续式跨声速风洞经济、高效的气流干燥途径是设置循环干燥系统.针对连续式跨声速风洞干燥要求及运行特点,确定了转轮联合冷却除湿的总体技术方案,提出了基于均...     

2m超声速风洞流场变速压控制方法研究

颤振试验要求风洞必须具备变速压试验能力，为此在2 m超声速风洞开展了流场变速压控制方法研究。针对总压宽范围多阶梯运行时主调压阀调节能力不一致的问题，采用总压分组、误差分段的控制方法解决了这一难题。通过基于主调压阀阀门特性曲线的控制方法，实现了总压上升速率可调的目标，避免了复杂的控制参数整定过程，显著减少了调试车次。试验结果表明:采用该控制方法，一次试验可以完成多个总压阶梯的控制，并且总压稳定精度达0.3%，速压超调量小于0.5 kPa，总压上升速率可调。通过本文工作，2 m超声速风洞具备了变速压试验能力，并成功应用于型号试验。     

NF-6增压连续式高速风洞压缩机喘振边界的确定

NF-6风洞是我国第一座增压连续式跨声速风洞,轴流压缩机是影响风洞安全运行和流场性能的重要因素之一.对国内首座增压连续式跨声速风洞压缩机喘振边界的确定进行试验研究.简要论述了喘振发生的机理及其危害以及确定喘振边界的重要性,讨论了压缩机逼喘过程及其原理以及风洞增压对喘振点(喘振边界)的影响;给出了控制风洞运行的压缩机喘振边界线、喘振预警线、安全保护线、防喘调节线及防喘振措施,为该座增压连续式风洞稳定运行奠定了基础,提供了安全保障.     

2.4犿跨声速风洞连续变迎角试验关键技术研究

在2.4m跨声速风洞开展连续变迎角试验技术研究中,遇到了3个难题:跨声速流场被持续扰动,快速精确补偿困难;试验有用信号频率与干扰信号频率产生重叠,降噪处理困难;信号间不同步对试验数据的影响增大,信号精确同步困难。采用总静压滤波优化和PID(Proportional Integral Differential)调节优化等方法提高流场快速跟随性,硬件+软件+小波等复合滤波方式进行降噪处理,并利用互相关函数实现各信号的精确同步,建立了2.4m跨声速风洞连续变迎角试验技术。使用J7等标模对该项技术进行了验证,结果表明,上述问题均得到有效解决,连续变迎角试验流场犕犪数稳定在±0.002范围内,数据的精准度达到阶梯测力试验水平。     

一种BP网络自整定PID控制算法及其在NF-6风洞控制中的应用

NF-6风洞是一座增压、连续、高速回流式风洞,对各子系统的控制性能都有较高的要求。针对NF-6风洞对模型姿态系统控制性能提出的高要求,提出了一种BP网络自整定PID控制策略,并结合现有的改进型PID控制思想对其进行了进一步的分析与改进。仿真结果及初步应用表明:该算法在算法收敛性、实时性及控制精度上较传统PID算法及BP网络算法都有较大程度的提高。     

暂冲式高速风洞流场控制系统建模与仿真

为满足中国空气动力研究与发展中心的2.4m跨声速风洞流场品质改进的需要,有必要建立一个高效的风洞流场控制模型作为控制器设计的验证平台。由于难以建立精确的空气动力学模型,且2.4m 跨声速风洞长期运行积累了大量的试验运行数据的实际,数据建模成为建模方法的首选。在硬件上,建立了基于反射内存技术的流场控制仿真系统,以获取现场采集的数据。建模方法采用数据建模方式,主要是利用系统辨识理论,将整个系统看成是一个“黑箱”,利用现场采集的数据来确定系统的参数和输入输出间的映射关系。采用以非线性自回归滑动平均模型(Non-linear Auto-Regressive Moving Average Model with Exogenous Inputs,NARMAX)作为风洞系统的数据模型,应用互信息法、曲线拟合法和伪最近邻点法分别确定了模型中采样间隔、时间滞后以及阶次3个参数。对比了最小二乘线性回归、BP 神经网络以及最小二乘支持向量机(LSSVM)3种方法对模型的拟合效果,确立了最小二乘支持向量机作为最终的拟合方法。为了提高仿真的精度,根据风洞运行的特点,将其整个过程划分为冲压、启动和调节3个阶段,分别建立了各个阶段的子模型。由于风洞系统是一个多输入多输出系统,并且延迟和阶次较大,采用了基于信息熵的数据压缩方法,实现了简化子模型规模的目的。最后,采用多模型融合的方法将各个阶段的子模型通过加权的方法来完成融合,从而构建起整个风洞系统的模型。稳定段总压和驻室静压分别通过所建模型得到,最后通过马赫数的计算公式得到试验段马赫数值。仿真结果表明:所建模型在运行包络线范围内的试验工况下,总压预测精度达到0.1%、马赫数预测精度基本达到0.001,达到了研究的目的。该项工作的开展较为系统地建立了暂冲式风洞的流场控制模型,建立的模型将为下一阶段基于现代控制理论的控制器设计奠定基础。     

连续式跨声速风洞设计关键技术

为研制先进飞行器,除了提高现有风洞试验测量精度和改进试验技术外,必须建立高性能连续式跨声速风洞试验设备,解决飞行器高速风洞试验模拟能力和精细化模拟问题.以试验段尺寸0.6m×0.6m连续式跨声速风洞设计为例,给出了风洞总体设计方案,分析了如何降低风洞气流脉动、如何改善风洞流场品质、提高风洞运转效率和拓展风洞试验能力等关键技术途径.该风洞作为大型连续式跨声速风洞的引导风洞,方案设计主要采用了高压比压缩机驱动系统、半柔壁喷管、低噪声试验段、高性能换热器和三段调节片加可调中心体式二喉道等新型技术.     

结冰风洞喷雾系统控制方法研究

喷雾系统是结冰风洞的核心配套设备，主要用于模拟飞行器穿越云层飞行时的云雾环境。针对该系统结构复杂、控制精度要求高的特点，开展了压力和温度的控制方法研究。通过采用给定水泵转速、预置出入口调节阀开度和闭环调节出口调节阀开度的方法，解决了喷雾耙之间供水压力不一致及相互耦合的问题，实现了宽范围、高精度的供水压力控制。通过在准备阶段循环加热、在试验阶段变参数PID精确调温，实现了供水温度的精确控制。通过采用变比例系数快速PID调压和模糊自适应PID调温的控制策略，解决了供气系统压力和温度耦合及温度大滞后的问题，实现了供气压力和温度的精确控制。试验结果表明，控制方法有效，喷雾系统性能达到技术指标要求。     

自适应遗传 PID 算法在风洞风速控制中的应用

风速控制是风洞的核心控制部分,风速控制系统的优劣直接影响风洞性能指标,为了完成 FDxx 风洞的风速控制系统,设计了一种基于自适应在线遗传算法的 PID 参数整定方法,在风洞气源资源有限的情况下,快速建立流场,确保流场稳定时间。首先对控制参数进行联合编码,在种群个体进化前期采用锦标赛精英保留策略,后期采用基于轮盘赌非线性选择方法,加快算法收敛速度,同时避免了算法过早陷入局部最优,交叉选用单点交叉,变异采用均匀取反法,动态调整过程为了减小甚至避免超调,采用误差绝对值及误差和误差变化率加权方式设计目标函数,并采取了惩罚措施,即一旦产生超调,将超调量作为最优指标的一项,现场测试验证了算法的可靠性及实用性。