0.6m连续式跨声速风洞总压控制策略设计

总压作为连续式风洞控制系统关键指标之一，其控制精度及快速性对提高风洞试验效率、降低能耗具有重要意义。0.6m风洞为国内首座具备负压试验能力的连续式跨声速风洞，其试验工况多，压力范围广，针对该风洞压力特性，设计了总压控制策略，根据不同的压力工况确定不同的阀门组合控制方式；同时针对模糊PID对连续式跨声速风洞宽压力范围、多调节工况下压力控制适应性较差的问题，提出分段变参数加模糊PID相结合的控制算法，即先根据目标总压确定不同分段区间下基本合理的基准P、I参数，再结合模糊控制算法对基准参数进行修正。风洞调试结果表明，总压控制精度优于0.1%，控制策略能够有效满足不同工况的控制要求。     

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。     

0.6 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。     

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。     

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.     

0.6m连续式风洞调试运行关键技术研究

为了降低大型连续式风洞建设风险，在0.6m连续式风洞中开展了压缩机防喘振控制、转速控制、马赫数控制等调试运行关键技术研究。本研究采用压力波动法准确测量出了压缩机的喘振边界，通过设置合理的报警线和防喘振线，保证了压缩机的安全；采用矢量控制技术实现了转速的精确控制，控制精度达到0.03%的设计要求；采用压缩机转速、驻抽流量以及中心体开度与马赫数的函数关系，实现了马赫数的精确控制，控制精度达到了0.002的设计指标要求。通过研究各项关键技术实现了该风洞定总压、定马赫数的运行方式，该风洞具有优良的流场品质，是开展基础研究平台建设和大型连续式风洞引导性研究的理想平台。     

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.     

宽马赫数路德维希管风洞及其关键技术

随着高马赫数飞行器研制需求的增加，急需脉冲型风洞运行范围向中低马赫数段扩展，特别是需要具有跨马赫数运行能力。以路德维希管原理运行的管风洞试验设备，由于建设及使用成本较低、参数调节方便、流场品质高等优点，已在亚/跨/超声速及高超声速领域得到了发展和应用，体现出了宽马赫数的应用潜力。本文分析了宽马赫数脉冲型风洞发展现状，重点介绍了路德维希管风洞及其在宽马赫数应用中急需解决的关键技术，包括宽马赫数喷管设计技术、高温管外加热技术以及高温高压隔离技术。     

跨声速风洞中使用短轴探管测量试验段核心流马赫数影响研究

在0.6 m×0.6 m连续式跨声速风洞中设计了一种新型短轴探管,用于测量试验段核心流马赫数的分布特性.为了研究不同跨声速试验段条件下短轴探管的测值特性,通过数值仿真研究了短轴探管在不同马赫数下对流场的影响.分别在跨声速孔壁试验段和槽壁试验段中开展了短轴探管用于测量试验段核心流马赫数风洞试验研究,并与长轴探管的试验结果...     

扫描式总压耙在高超声速推进风洞流场测量中的应用

在风洞实验中,为了保证实验结果的可靠性,首先需要了解流场的品质。笔者自行设计研制了用于高超声速推进风洞流场测量的带有水冷装置的可移动式扫描总压耙。对于出口截面为300mm×187mm的风洞喷管,通过计算机程序控制,可在3s时间内实现全截面间歇式或连续式扫描,最大移动速度可达250mm/s,而且定位准确。通过扫描结果,分析了流场压力均匀性、稳定性以及实验结果的可重复性,同时还给出了风洞喷管出口截面的总压与马赫数等值线图。从而为超燃冲压模型发动机实验提供参考数据。     

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。     

高速风洞连续变速压颤振试验技术研究

针对高速暂冲式风洞阶梯变速压颤振试验用时长、耗气量大和试验模型有效使用寿命短等缺点,开展了高速暂冲式风洞连续变速压颤振试验技术研究,解决了定 Ma 数连续变速压流场控制技术与连续变速压工况下的颤振试验数据处理技术等难题。具体技术措施是:在2.4m×2.4m 暂冲式跨声速风洞中设计了基于运动函数的定Ma 数线性变总压控制策略,使 Ma 数控制精度达到了0.005以内且速压无超调,实现了流场控制目标;采用 Pick-Hold 方法构建颤振边界的亚临界预测判据,并根据预测判据近似于正态分布的特点,基于数理统计的参数估计法来减小预测判据的散布度,从而提高颤振边界亚临界预测的准确性。风洞验证试验结果表明,该试验技术达到了工程实用化水平,不仅能够取得与阶梯变速压颤振试验技术一致的结果,还能极大地节省耗气量,经济效益显著。     

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。     

亚声速二喉道流场不对称现象研究

为满足未来我国先进飞行器的发展需求,我国将考虑建设大型跨声速风洞,提高风洞试验模拟精细化水平。而第二喉道作为风洞 Ma 数控制的有效手段,被认为是提升跨声速风洞能力的关键技术之一。本文首先通过CFD 数值模拟发现了二喉道段流场在某些压比下存在不对称现象,然后,利用现有引导风洞,设计加工了 Ma=0.7的带可变中心体的二喉道段进行验证试验。试验结果显示,当前室总压达到某一值时,二喉道段流场会出现不对称现象,并前传影响试验段流场品质。最后利用 CFD 手段给出了一种无不对称现象的新型二喉道设计。     

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。     

2.4m风洞M数和稳定段总压控制策略研究

我国自行研制成功的 2 .4m风洞现已投入使用。该风洞控制系统与国内现有风洞相比 ,控制执行系统多而复杂。该风洞成功地采用了所有试验工况M数与稳定段总压同时控制的运行方式。针对被控对象的复杂性 ,分别对神经网络控制、模型跟随自适应控制、自校正控制、智能控制及智能学习控制在该风洞上应用的可行性进行了分析。最后给出了一种智能控制策略 ,调试结果说明该风洞采用的这种控制策略是成功的     

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。     

2.4m风洞常压吹风控制策略与控制软件设计

2.4m风洞是世界上最大的引射式风洞之一，该风洞控制系统多、所能实现的吹风方式也多，因而，其系统复杂。风洞被控对象具有非线性、时变、滞后和耦合特性，而风洞试验又要求系统有较高的控制精度和较快的稳定收敛速度。为了解决这种控制系统复杂的风洞控制问题，在控制系统硬件和软件上分别采用了先进的集散型控制系统硬件和智能控制策略，使风洞p0和M数控制精度分别优于0.3％和0.002。笔者对风洞控制核心系统和控制软件的设计和控制策略进行了介绍。给出了调试结果说明了控制策略和控制软件的设计是成功的。