长试验时间激波风洞测力技术研究

中国科学院力学研究所复现飞行条件高超声速激波风洞JF12的落成突破了毫秒级试验时间的瓶颈,有效试验时间超过100ms.因此,对于JF12长试验时间激波风洞的测力试验,基于应变天平技术较为成熟、结构简单等优点,我们考虑采用传统的应变计天平.但是,激波风洞来流冲击所带来的惯性力干扰导致天平测力系统产生低频振动,传统内置应变天平的结构刚度很难保证信号有足够的处理周期,这大大限制了激波风洞测力模型的尺寸和重量.针对这个难题,基于JF12激波风洞的运行特点及对测力天平刚度特性的特殊要求,优化设计了应变天平的测力单元结构以适用于这种脉冲动态测力试验,相应加工制造了大刚度、低干扰、高灵敏度的系列脉冲型应变天平,结构形式包含了杆式和盒式,最大载荷(法向力)从1kN到30kN,以满足不同尺度飞行器的测力试验需求.同时,我们应用不同尺度的测力模型对研制的脉冲型天平在JF12激波风洞进行了一系列动态气动力测量试验,以进一步评估JF12系列脉冲型应变天平的结构特性和测力性能.      

高超声速风洞短时气动力智能辨识算法研究

风洞测力试验是高超声速飞行器研发的重要环节,随着这项技术的发展,试验模型的大尺度化成为高超声速风洞试验的趋势.在几百毫秒的有效测试时间内,大尺度测力系统刚度减弱等问题会严重导致气动力辨识精度变差,试验模型大尺度化对短时脉冲燃烧风洞精确气动力辨识带来了挑战.对此本文提出了一种新的基于传统信号处理结合深度学习的智能气动力辨...     

循环神经网络在智能天平研究中的应用

激波风洞地面试验对高超声速飞行器高焓气动特性研究至关重要, 而高精度气动力测量是其中的关键技术. 在脉冲型激波风洞中进行测力试验时, 风洞起动时流场瞬间建立, 对测力系统会产生较大的冲击. 测力系统在瞬时冲击作用下受到激励, 系统的惯性振动信号在短时间内无法快速衰减, 天平的输出信号中会包含惯性振动干扰量, 导致脉冲型风洞测力试验精准度的进一步提高遇到瓶颈. 为了解决短试验时间内激波风洞快速准确测力问题, 发展高精度的动态校准技术是提升受惯性干扰天平性能的关键方法. 因此, 本文采用循环神经网络对天平动态校准数据进行训练和智能处理, 旨在消除输出动态信号中的振动干扰信号. 本文对该方法进行了误差分析, 验证了该方法的可靠性, 并将该方法应用于激波风洞测力试验中, 切实有效降低了惯性振动对天平输出信号的干扰影响. 根据智能模型的样本验证分析, 各分量载荷相对误差比较小, 其中高频轴向力分量处理结果的相对误差约1%. 在风洞试验数据验证中, 也得到了比较理想的结果, 同时与卷积神经网络模型处理的结果进行了对比分析.      

结构振动对大型激波风洞气动力测量的干扰

激波风洞起动过程形成冲击载荷激励测力系统的结构振动,气动力测量过程中振动尚未衰减,测力过程可以看作是一个动态的过程,激波风洞中天平输出信号包含了振动干扰的输出信号,现有的解决方法缺乏理论支撑,精度受限. 本文应用振动理论方法,得到了自由振动、强迫振动特性的基本解析结果. 自由振动特性研究中考查了单个振型对测力的干扰及其影响规律以及干扰量幅值随测力截面相对位置的变化规律. 强迫振动特性研究了不同载荷强迫振动下各阶振型对测力的干扰. 研究表明,由于干扰量幅值与加速度幅值的“零点位置” 不重合,传统加速度惯性补偿存在理论上的缺陷. 实验中确定干扰量主要来源需要综合考虑截面位置、载荷作用位置、载荷类型的影响.      

基于时频变换的激波风洞天平信号分析与处理

在激波风洞中开展测力试验时,测力系统在风洞流场起动瞬间会受到冲击激励,从而对天平的输出信号产生惯性干扰.天平输出信号中叠加有动态气动力信号和惯性振动信号,有可能无法直接分辨出气动力信号的规律性,信号处理结果与真实气动力之间会产生较大的误差,导致处理结果不可靠.由于模型测力天平系统结构的复杂性,在极短的有效试验时间(毫秒...     

某飞机部件测力风洞试验天平研制与应用

为满足某飞机部件高速风洞测力试验的需要,研制了四台部件测力天平,用来同时测量飞机机翼不同部件(全翼、外翼、翼尖弹、弹架组合)所受的气动载荷。由于是全模试验,天平的设计载荷不匹配,安装空间极度受限。设计时,全翼天平采用了机身中部安装方案、外翼天平与机翼加工成一体并且采用了新型多柱梁结构;翼尖弹天平和弹架组合天平采用了杆式天平方案。上述措施不仅满足了天平的测量需要,也确保了天平在模型中的安装位置以及测力的有效性。该部件测力试验已经在中国空气动力研究与发展中心FL-26风洞完成。试验结果表明,天平测力结果准确可靠,精准度高,达到了预期的目标。     

激波管与激波风洞的研制——俞鸿儒院士访谈录

激波管是实验室内产生激波的设备,大型激波风洞在空气动力学方面有广泛的应用. 俞鸿儒院士是我国最早研究激波管和激波风洞的科学家之一,参与并主持了激波管与激波风洞的研制. 本文通过访谈整理了激波管自动破膜,激波风洞氢氧燃烧和爆轰驱动技术的相关研究过程,并介绍了激波风洞研制过程中相关测试仪器的设计和改造情况.     

激波/边界层相互作用诱导的激波风洞气体污染问题

应用多组分NS方程和频散可控耗散格式(DCD)计算了爆轰驱动激波风洞中反射激波/ 边界层/接触面的相互作用过程,分析了驱动气体与试验气体在壁面射流作用下的掺混机制及 其对风洞试验时间的影响. 为了延长风洞的试验时间,提出在风洞贮室内增设环形隔板, 以隔离壁面射流,延长风洞试验时间的方法. 计算结果表明：环形隔板确实可以限制驱动气 体与试验气体的过早掺混,显著增加激波风洞的有效试验时间.     

爆轰驱动高焓激波风洞及其瞬态测试技术的研究与进展

１前言 随着航天、航空技术的发展,气体动力学的研究领域不断地由亚声速流动到超声速流动再向高超声速流动推进．在航天领域,人们早在１９６１年就已经实现了载人和不载人的高超声速飞行．目前正在以太空探测和开发为目的,研究能水平起飞可重复使用的航天飞机．在航空领域,从１９０３年Ｗｒｉｇｈｔ兄弟实现了速度为 ５６ ｋｍ／ｈ的人类首次飞行后,现在已经成功地设计出飞行马赫数为２～３的超声速飞机．目前正在探索研究飞行马赫数为５～１０的高超声速飞机．航天、航空技术的发展是当前国际上高科技发展的重点领域之一．该领域的研…     

长试验时间爆轰驱动激波风洞技术研究

地面试验是先进高超声速飞行器研制的主要手段之一,获得满足高超声速气动实验研究的长时间高焓气流是发展激波风洞技术的关键难题之一.依据反向爆轰驱动方法,针对满足超燃试验有效时间的要求,讨论了爆轰驱动激波风洞运行缝合条件匹配、喷管起动激波干扰控制和激波管末端激波边界层相互作用等因素对激波风洞试验时间的制约及其相应的解决方法.应用这些延长试验时间的激波风洞创新技术,成功研制了基于反向爆轰驱动方法的超大型激波风洞,试验时间长达100ms,并有复现高超声速飞行条件的流动模拟能力.      

DEEP-LEARNING-BASED INTELLIGENT FORCE MEASUREMENT SYSTEM USING IN A SHOCK TUNNEL 1)

高焓条件气动力测量试验对高超声速飞行器气动外形设计和优化起决定性作用. 通常采用脉冲风洞(如激波风洞)产生高温、高压驱动气体以模拟高超声速高焓试验气流. 在脉冲风洞对高超飞行器模型进行测力试验时, 测力天平输出信号结果无法摆脱惯性载荷的干扰影响, 其导致的测力模型低频振动问题基本无法通过滤波彻底解决, 尤其对试验时间只有几毫秒的情况, 六分量测力天平的结构设计研究受到了极大挑战. 因此, 对实现短试验时间条件高性能测力的深入研究发现, 天平动态校准凸显重要性和必要性. 本研究提出一种新的基于人工智能深度学习技术的单矢量动态自校准方法和智能测力系统概念, 并应用于目前激波风洞测力试验中. 该动校方法的最主要特点之一是对整体测力系统的校准, 而非仅仅针对天平, 并且保证校准的测力系统即为风洞试验对象, 确保校准与应用的一致性. 在测试评估中, 测试样本和风洞试验验证均得到了较为理想的效果, 大幅度低频振动干扰基本被消除, 脉冲风洞测力的精度和可靠性得到了大幅提高.     

自由活塞激波风洞

自由活塞激波风洞是一种使用自由活塞压缩器驱动的高焓脉冲型激波风洞。这种风洞是由R J Stalker提出并在澳大利亚国立大学首先建成和逐渐发展起来的高焓实验设备。经过30多年的改进与发展,日趋完善,现已成为研究高超声速气动加热、计及真实气体效应的气体动力学现象、特别是超声速或高超声速燃氢冲压发动机(scamjet)的重要设备之一,受到国际上航空航天界的重视。本文概述了自由活塞激波风洞的发展过程,系统地阐述了这种设备的结构特点和运行原理,给出了性能参数的计算方法和算例,及其性能指标,并讨论了这类风洞的优缺点。      

弯曲槽道中湍流脉动的双点激光多普勒相关测量

应用双点激光多普勒测速装置对弯曲槽道中充分发展的湍流进行了相关测量，流动的雷诺数为５０００左右（以槽道中心速度为特征速度，以半槽宽为特征长度）．通过同时测量双点的瞬时流速，得到流向脉动速度沿流向、展向、横向的空间相关系数曲线，并应用条件采样技术（ＶＩＴＡ）对实验数据进行了分析     

多孔介质中流固作用力的动量交换计算

流经多孔介质的流动广泛存在于化工生产、多孔颗粒悬浮流等领域,如何准确计算流体与多孔介质之间的作用力是研究此类流动的一个关键因素. 作为一种有效的流体计算方法,格子波尔兹曼方法（lattice Boltzmannmethod,LBM）常采用动量交换法计算流体与固体之间相互作用力. 分析了流体流经多孔介质时两者的动量交换过程,提出了一种高效的动量交换法来计算流固作用力,并在孔隙尺度下对其进行了验证,结果表明该方法是可行的. 进而将该方法推广到计算表征体元（表征体元）尺度下的流-固相互作用,并对不同雷诺数（Re）下的多孔方柱绕流问题进行了模拟和验证.      

FORCE EVALUATION USING MOMENTUM-EXCHANGEMETHOD IN POROUS MEDIA

流经多孔介质的流动广泛存在于化工生产、多孔颗粒悬浮流等领域,如何准确计算流体与多孔介质之间的作用力是研究此类流动的一个关键因素. 作为一种有效的流体计算方法,格子波尔兹曼方法（lattice Boltzmannmethod,LBM）常采用动量交换法计算流体与固体之间相互作用力. 分析了流体流经多孔介质时两者的动量交换过程,提出了一种高效的动量交换法来计算流固作用力,并在孔隙尺度下对其进行了验证,结果表明该方法是可行的. 进而将该方法推广到计算表征体元（表征体元）尺度下的流-固相互作用,并对不同雷诺数（Re）下的多孔方柱绕流问题进行了模拟和验证.     

高焓风洞自由流中一氧化氮含量的诊断

介绍ＪＦ－１０氢氧爆轰驱动激波风洞自由流中ＮＯ的诊断技术及其实验结果．这里使用的是新研制的紫外波段的动态吸收光谱测量系统．该系统以Ｔｅ元素空心阴极灯为光源,以ＯＭＡＩＶ为探测设备,通过标定,获得一氧化氮 γ带系　　　对 Ｔｅ两条谱线２１４ｎｍ和 ２２５ｎｍ的吸收特性,得到在 ＮＯ低含量时对两条谱线的吸收系数差别很大并呈非线性的特点．利用这两条谱线吸收系数的差值,用“差比法”对新建的高烙爆轰驱动激波风洞中自由流 ＮＯ含量进行了诊断．实验结果表明,在总温 ８５００ Ｋ、总压２１．６ＭＰａ时ＮＯ含量甚微,小于 ４×１０１４分子／ｃｍ３．这一结果说明该风洞自由流处于化学准平衡状态．