论文摘要
高超声速静风洞技术的研究是当前空气动力学研究的前沿领域之一。飞行器在高空大气中高超声速飞行时,来流噪声和湍流度很低,湍流度约为0.03%。地面常规风洞试验段来流噪声较大、气流扰动大,湍流度一般超过1%,与飞行环境相差甚远。新一代高超声速飞行器研制,使得现有传统的风洞设备已经不能满足地面模拟试验的需求。本文设计了我国第一座Φ300mm高超声速静风洞,具有高空真实飞行环境低湍流度的高超声速流场模拟能力。该风洞建设完成后,使用频率高,为了提高高超声速静风洞自动化水平、可靠性、操作性,增加安全稳定性及可维护性,提高试验数据质量、试验效率,本文重点研制了Φ300mm高超声速静风洞的测控系统。本文提出Φ300mm高超声速静风洞的总体设计方案,并对高超声速静风洞测控系统功能进行分析。确定高超声速静风洞的基本气动参数设计指标为:设计名义马赫数6.0,喷管出口直径Φ300mm,最高总压5MPa,最高总温600K,风洞运行时间大于35s,单位雷诺数2.5×10–7。根据高超声速静风洞测控的需要,选用基于文本式编程语言开发工具LabWindows/CVI,介绍了LabWindows/CVI的功能特点、软件组成、程序设计界面,以及利用LabWindows/CVI进行软件开发的步骤。总结国内外风洞测控系统发展的经验和成果,结合静风洞的一些重要特点和设计要求,本文提出基于LabWindows/CVI的Φ300mm高超声速静风洞测量和控制系统的总体设计方案,实现高超声速静风洞运行参数监测和显示、试验舱数据采集、模型角度机构控制、阀门管路系统控制及安全监控系统等功能,实现高超声速静风洞试验时可以选择试验台操作和程序控制两种运行方式。在测控硬件系统中,选用创美工控机,实现风洞与计算机一体化。试验舱数据采集采用ESP微型电子压力扫描阀。A/D卡采用北京阿尔泰科技发展有限公司生产的PCI8191数据采集卡,DIO卡采用PCI2310光电隔离DI/DO板,运动控制卡选用PCI1010卡。静风洞测控系统软件采用LabWindows/CVI2009开发。本文在完成高超声速静风洞测控系统硬件设计、软件设计的基础上,对测控系统主程序、阀门控制程序、角度机构控制、数据采集系统、系统帮助五大部分的实现进行描述,重点介绍了各函数功能。在完成高超声速静风洞结构设计和测控系统设计的基础上,对静风洞测控系统进行调试。首先对测控程序进行静态测试和动态测试,测试结果表明:系统线路和逻辑关系正确,测控软件控制流程正确,系统运行稳定。然后通过本文设计的压力传感器、温度传感器和流场校测架对风洞进行流场校测,得到了试验段均匀区马赫数分布,同时对比纹影结果,表明风洞马赫数、压力、温度等参数达到设计指标,流场校测结果表明风洞流场达到设计指标。最后通过脉动压力传感器等相关测试技术对静风洞运行流场进行脉动压力测量,流场压力脉动为0.1%。调试结果表明Φ300mm高超声速静风洞各项指标均达到设计要求,形成高超声速静风洞条件下低湍流度下的边界层转捩流动显示、速度场、密度场实验,粗糙度效应、噪声效应研究等试验能力。Φ300mm高超声速静风洞测控系统通过流场校测及相关试验验证,表明其设计达到国军标技术指标要求,测控软件符合静风洞试验流程,编写界面友好,使用方便。