唐喬喬，張衛(wèi)國，劉忠華，陳 洪

（中國空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心，四川 綿陽 621000）

0 引 言

風(fēng)洞試驗(yàn)中，常規(guī)測力試驗(yàn)方法通常分為兩種：步進(jìn)式和連續(xù)式。步進(jìn)式是在模型姿態(tài)角系統(tǒng)（迎角或側(cè)滑角）逐點(diǎn)運(yùn)行、停頓這一循環(huán)過程中進(jìn)行測量的方法；連續(xù)式是模型姿態(tài)角系統(tǒng)（迎角或側(cè)滑角）連續(xù)運(yùn)行，在運(yùn)行過程中進(jìn)行同步測量的方法，通常稱之為連續(xù)掃描試驗(yàn)技術(shù)。步進(jìn)式測量過程中模型與來流之間的角度是恒定的，具有充足的時(shí)間建立流場，是風(fēng)洞測力試驗(yàn)中獲取數(shù)據(jù)的基本方法；而在連續(xù)式測量過程中模型與來流之間的角度不斷變化，角速率運(yùn)動(dòng)過快時(shí)，類似大振幅振蕩試驗(yàn)，模型運(yùn)動(dòng)會(huì)引起氣動(dòng)遲滯現(xiàn)象。但是，當(dāng)模型角速率運(yùn)行較低時(shí)，且模型區(qū)域內(nèi)不存在噴流等高速、復(fù)雜流場時(shí)，對應(yīng)迎角下能夠建立相對穩(wěn)定的流場，模型運(yùn)動(dòng)對流場的影響可以忽略，即不會(huì)出現(xiàn)氣動(dòng)遲滯現(xiàn)象，氣動(dòng)數(shù)據(jù)能夠達(dá)到步進(jìn)試驗(yàn)的同等效果，這也是連續(xù)掃描試驗(yàn)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)。

與步進(jìn)式相比，連續(xù)掃描試驗(yàn)技術(shù)可有效提高試驗(yàn)效率，獲取密集的氣動(dòng)力數(shù)據(jù)，在國外先進(jìn)的生產(chǎn)型風(fēng)洞，如德－荷蘭風(fēng)洞（DNW－LLF），已經(jīng)廣泛采用連續(xù)掃描試驗(yàn)技術(shù)進(jìn)行試驗(yàn)。為提升8m×6m風(fēng)洞的試驗(yàn)?zāi)芰?，開展了連續(xù)掃描試驗(yàn)技術(shù)研究，并在風(fēng)洞中成功應(yīng)用了該項(xiàng)技術(shù)。

1 試驗(yàn)設(shè)備

1.1 風(fēng)洞設(shè)施

8m×6m風(fēng)洞總長237m，風(fēng)洞具有串列的兩個(gè)試驗(yàn)段。第一試驗(yàn)段高16m、寬12m、長25m，常用風(fēng)速5～20m／s；第二試驗(yàn)段高6m、寬8m、長15m，常用風(fēng)速20～85m／s。

1.2 特大迎角機(jī)構(gòu)

8m×6m風(fēng)洞特大迎角機(jī)構(gòu)是該風(fēng)洞配套的多用途支撐系統(tǒng)，其主要性能指標(biāo)如下：迎角變化范圍－10°～120°，側(cè)滑角變化范圍－30°～30°，精度0.05°［1］。

1.3 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

使用兩種不同布局形式的試驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行試驗(yàn)：

（a）YF－16戰(zhàn)斗機(jī)全金屬模型，縮比1∶9，展長0.9815m，弦長0.3704m，參考面積0.3210m2。模型機(jī)頭、機(jī)翼前緣、垂尾前緣等多處粘貼鋸齒形固定轉(zhuǎn)捩帶。圖1為試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮陲L(fēng)洞中進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)的照片。

（b）某型運(yùn)輸機(jī)全金屬模型，縮比1：8.84，展長5.597m。

圖1 YF－16試驗(yàn)?zāi)Ｐ驼掌現(xiàn)ig.1 The test model photograph

1.4 天平及測控系統(tǒng)

試驗(yàn)使用桿式六分量天平。風(fēng)洞測控系統(tǒng)為一體化網(wǎng)絡(luò)測控系統(tǒng)，包括試驗(yàn)運(yùn)行管理、速壓控制、模型姿態(tài)角控制、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)分析等，見圖2［2］。

圖2 測控系統(tǒng)組成Fig.2 The structure of measurement and control system

2 關(guān)鍵技術(shù)及實(shí)現(xiàn)

2.1 速壓精確控制及采集

模型的連續(xù)運(yùn)行對速壓的穩(wěn)定性和跟隨性要求較高，因此對速壓控制系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)，提高了穩(wěn)轉(zhuǎn)速和穩(wěn)速壓控制精度，使電機(jī)穩(wěn)定時(shí)間更短（小于50s），轉(zhuǎn)速波動(dòng)量更?。◤?.7轉(zhuǎn)下降到了0.2轉(zhuǎn)），穩(wěn)轉(zhuǎn)速控制精度高于1‰，穩(wěn)速壓控制精度接近3‰。

為了準(zhǔn)確反映風(fēng)洞試驗(yàn)段模型區(qū)域的真實(shí)速壓，對速壓反饋點(diǎn)的位置選取進(jìn)行了系統(tǒng)研究，鋪設(shè)了兩路實(shí)時(shí)速壓反饋信號，測試不同位置實(shí)時(shí)速壓的相關(guān)性和連續(xù)變迎角過程中速壓的變化情況。

2.2 模型姿態(tài)角精確控制及采集

模型姿態(tài)的平穩(wěn)變化可以減小模型對流場的擾動(dòng)，這是連續(xù)掃描試驗(yàn)技術(shù)實(shí)現(xiàn)的必要前提。為保證模型連續(xù)變化迎角時(shí)運(yùn)動(dòng)的勻速性，對特大迎角控制程序PID參數(shù)進(jìn)行了調(diào)整，調(diào)試出了滿足定位精度和平穩(wěn)速度要求的系統(tǒng)控制參數(shù)。

精確的姿態(tài)角測量是獲取準(zhǔn)確氣動(dòng)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)連續(xù)掃描試驗(yàn)技術(shù)的重要環(huán)節(jié)。實(shí)時(shí)迎角傳感器使用方便，具有較高的測試精準(zhǔn)度，是當(dāng)前測試實(shí)時(shí)迎角的主要儀器。

2.3 天平信號采集及處理

采用PXI－6281數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行天平、速壓、角度信號采集，相鄰?fù)ǖ啦杉瘯r(shí)間間隔0.2ms，采集頻率100Hz。

連續(xù)掃描和常規(guī)步進(jìn)方式數(shù)據(jù)處理主要區(qū)別在于對天平信號的處理。步進(jìn)方式測力試驗(yàn)時(shí)，天平信號集中在低頻部分，而噪聲分布在高頻部分，針對這一特點(diǎn)，采用低通濾波器進(jìn)行濾波，然后對5s數(shù)據(jù)平均進(jìn)一步消除干擾。而連續(xù)掃描是在模型運(yùn)動(dòng)過程中進(jìn)行采集的，不能通過平均的方式消除干擾，故采用小波消噪進(jìn)行處理，保留有用信號中的尖峰和突變部分。圖3為原始信號小波消噪前后對比圖。

圖3 小波消噪前后對比Fig.3 Signal contrast between wavelet disposal

連續(xù)掃描試驗(yàn)時(shí)，先對初讀數(shù)和吹風(fēng)原始數(shù)據(jù)中的每個(gè)通道數(shù)據(jù)進(jìn)行小波消噪處理，然后按照指定的角度序列進(jìn)行插值，分別生成與常規(guī)測力方式相同格式的初讀數(shù)和吹風(fēng)數(shù)文件，見圖4。再按標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)處理流程進(jìn)行處理。

圖4 數(shù)據(jù)處理流程示意圖Fig.4 Schematic diagram of the data processing

3 試驗(yàn)控制流程優(yōu)化

連續(xù)掃描測力試驗(yàn)不同于常規(guī)步進(jìn)測力，需對原有的試驗(yàn)運(yùn)行管理系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)充和完善，其試驗(yàn)流程控制見圖5。根據(jù)試驗(yàn)條件需求，輸入實(shí)時(shí)速壓、掃描起點(diǎn)、掃描終點(diǎn)、掃描頻率、角度序列差值間隔等，試驗(yàn)運(yùn)行管理系統(tǒng)將這些指令自動(dòng)發(fā)送給各個(gè)子系統(tǒng)，并根據(jù)試驗(yàn)條件自動(dòng)識別角度范圍并控制角度機(jī)構(gòu)運(yùn)行，待模型運(yùn)行角度進(jìn)入試驗(yàn)角度范圍后通知數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)開始采集，采集結(jié)束后機(jī)構(gòu)角度回零并停風(fēng)［3］。

圖5 試驗(yàn)流程控制示意圖Fig.5 Schematic diagram of the test control process

4 應(yīng)用結(jié)果分析

4.1 不同角速率對試驗(yàn)結(jié)果的影響

連續(xù)掃描試驗(yàn)技術(shù)是通過同步測量來獲取模型進(jìn)入勻速段時(shí)的氣動(dòng)力，測量結(jié)果本身不存在附加的慣性力，但模型角速率運(yùn)動(dòng)會(huì)影響模型繞流的附著程度，因此連續(xù)掃描角運(yùn)動(dòng)速率要保證氣流附著與步進(jìn)試驗(yàn)一致。圖6是角速率分別為ω＝0.2°／s，0.5°／s，1.0°／s的連續(xù)掃描試驗(yàn)與步進(jìn)試驗(yàn)的結(jié)果比較。結(jié)果表明：不同角速率對應(yīng)的曲線差異不大，但0.5°／s時(shí)的數(shù)據(jù)與步進(jìn)數(shù)據(jù)更加吻合，原因可能是較低角速率時(shí)特大迎角機(jī)構(gòu)控制平穩(wěn)性不夠，而在大角速率下流場建立不充分造成。綜上所述，連續(xù)掃描試驗(yàn)技術(shù)采用角速率為0.5°／s是合適的。

圖6 不同角速率對掃描結(jié)果的影響Fig.6 Comparison of different rates of angle of attack

4.2 試驗(yàn)精度

試驗(yàn)風(fēng)速70m／s，角度范圍0°～10°，分別進(jìn)行了步進(jìn)和連續(xù)兩種試驗(yàn)方式的7次重復(fù)性試驗(yàn)，均方根計(jì)算精度結(jié)果見表1。結(jié)果表明：兩種測量方法的升力、阻力和俯仰力矩系數(shù)精度均達(dá)到或接近優(yōu)秀指標(biāo)，連續(xù)掃描試驗(yàn)技術(shù)符合國軍標(biāo)精度要求。

表1 測試精度表Table1 The precision of test

4.3 試驗(yàn)準(zhǔn)度

為檢驗(yàn)連續(xù)掃描試驗(yàn)技術(shù)的測試準(zhǔn)度，在迎角0°～90°范圍內(nèi)，分別使用步進(jìn)與連續(xù)掃描兩種測試方式進(jìn)行了YF－16模型試驗(yàn)，其中連續(xù)掃描角速率0.5°／s。

圖7給出了升力、阻力及俯仰力矩系數(shù)曲線。比較可知：整個(gè)測試迎角范圍內(nèi)，連續(xù)掃描測試曲線與步進(jìn)結(jié)果曲線吻合，升力線斜率差別在0.5%之內(nèi)，最大升力系數(shù)相差0.6%。而在迎角70°附近區(qū)域，連續(xù)掃描曲線數(shù)據(jù)點(diǎn)出現(xiàn)跳動(dòng)。究其原因可能是在此大迎角范圍，戰(zhàn)斗機(jī)出現(xiàn)較為不穩(wěn)定的前體不對稱渦，這種非定常的流場造成氣動(dòng)數(shù)據(jù)的波動(dòng)，而常規(guī)步進(jìn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)是5s時(shí)間內(nèi)的平均結(jié)果，因此相比較為光順。

從圖7還可以看出，迎角15.5°附近，如果步進(jìn)試驗(yàn)角度不加密，則難以捕捉各系數(shù)曲線此區(qū)域的彎曲變化，而連續(xù)掃描測試方法則可以充分反應(yīng)出各系數(shù)的這種局部微小變化。

圖7 戰(zhàn)斗機(jī)步進(jìn)與連續(xù)掃描試驗(yàn)數(shù)據(jù)對比Fig.7 Comparison between step by step and continuous scan on one fighter plane

圖8為連續(xù)掃描試驗(yàn)技術(shù)在運(yùn)輸機(jī)布局上的應(yīng)用結(jié)果曲線，由圖8可以看出：失速迎角16°之前，連續(xù)掃描結(jié)果與步進(jìn)結(jié)果一致，最小阻力系數(shù)差別在0.3%之內(nèi)。而在迎角18°后，二者有一定差異，這種差異可能是失速后的流場不穩(wěn)定引起的。

4.4 試驗(yàn)效率

連續(xù)掃描試驗(yàn)技術(shù)可大幅提高試驗(yàn)效率。針對戰(zhàn)斗機(jī)模型，步進(jìn)試驗(yàn)方式，角度間隔1°，迎角0°～90°范圍內(nèi)，吹風(fēng)時(shí)間約27min，而連續(xù)掃描試驗(yàn)方式，同等迎角范圍，0.5°／s角速率吹風(fēng)時(shí)間僅在4min之內(nèi)，吹風(fēng)時(shí)間大幅降低?？紤]采集初讀數(shù)時(shí)間，可由54min節(jié)約到8min，效率明顯提升。

針對運(yùn)輸機(jī)模型，迎角－6°～24°范圍內(nèi)，獲取一條數(shù)據(jù)曲線的時(shí)間可由通常的20min縮短至5min。

圖8 運(yùn)輸機(jī)步進(jìn)與連續(xù)掃描試驗(yàn)數(shù)據(jù)對比Fig.8 Comparison between step by step and continuous scan on one transport aircraft

5 結(jié) 論

（1）通過對速壓、測控、實(shí)時(shí)迎角測量、試驗(yàn)流程等各系統(tǒng)的改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)了8m×6m風(fēng)洞特大迎角機(jī)構(gòu)的連續(xù)掃描試驗(yàn)技術(shù)，并成功地在戰(zhàn)斗機(jī)和運(yùn)輸機(jī)布局中獲得了應(yīng)用，試驗(yàn)效率大幅提升；

（2）連續(xù)掃描試驗(yàn)技術(shù)測試精度達(dá)到了步進(jìn)試驗(yàn)同等水平，符合國軍標(biāo)使用要求；

（3）連續(xù)掃描試驗(yàn)技術(shù)獲取的升力、阻力和俯仰力矩系數(shù)曲線與步進(jìn)試驗(yàn)方法吻合，獲取的數(shù)據(jù)信息量更為豐富。

［1］ 孫海生，張暉.8m×6m風(fēng)洞特大迎角試驗(yàn)設(shè)備研制［J］.實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)，2009，23（1）：70－73.

［2］ 葉吉成，肖京平.8m×6m風(fēng)洞技術(shù)改造研究［J］.流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)與測量，2001，15（3）：75－76.

［3］ 晉榮超，劉忠華.基于測控局域網(wǎng)集散系統(tǒng)的試驗(yàn)管理軟件研制［J］.流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)與測量，2001，15（4）：90－94.