低速风洞数据采集与控制系统研制Word下载.docx

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白敏丽

20031001

摘要

风洞是空气动力学科研和教学的必要条件，是发现和确认流动现象、探索和揭示流动机理、寻求和了解流动规律，以及为飞行器设计提供优良的气动布局乖１空气动力学特性数据的主要手段，先进风洞的建设，是提高风洞实验精度及水平的前提，对提高产品的气动设计质量具有重要的作用。

本文首先完成风涧数据采集与处理系统方案设计及风速闭环控制方案设计，在此基础上实现系统的硬件及软件设计。

系统硬件包括二相异步电动机、变频器、传感器、信号调理器、数据采集卡、工控机及风洞专用测量设备等；

系统软件采用美国ＮＩ公司的ＬａｂＶＩＥＷ６．１为平台进行开发。

然后利用本文设计的系统完成了落差系数、动压时间稳定姓、轴向静压梯度、边界层及湍流度等内容的流场校测。

特别对边界层测量的原理及方法做了较详尽的叙述，总结出边界层厚度与设定风速、实验段深度的关系，然后给水模型中心区一定风速下校正数值。

术文设计的风洞数据采集【ｊ处理系统已经通过调试，并很好地完成了无人机实验、滑翔机实验等多项实验任务；

得到了较高精度的实验数据和有价值的实验结论。

多次实验应用表明，本文设计的系统完全满足设计要求具有很高的实用性和先进性。

关键词：

风洞：

测控系统：

风速控制：

流场校测。

Ａｂｓｔｒａｃｔ

Ｗｉｎｄｔｕｒｍｅｌｓａｒｅｅｓｓｅｎｔｉａｌｆｏｒｒｅｓｅａｒｃｈａｎｄｔｅａｃｈｉｎｇｏｆａｅｒｏｄｙｎａｍｉｃｓ；

ｔｈｅｙｐｒｏｖｉｄｅａｍａｊｏｒｍｅａｎｓｆｏｒｄｉｓｃｏｖｅｒｉｎｇａｎｄｃｏｎｆｉｒｍｉｎｇａｉｒｆｌｏｗｐｈｅｎｏｍｅｎａ，ｅｘｐｌｏｒｉｎｇａｎｄｒｅｖｅａｌｉｎｇａｋｆｌｏｗｍｅｃｈａｎｉｓｍ，ｓｅｅｋｉｎｇａｎｄｕｎｄｅｒｓｔａｎｄｉｎｇａｉｒｆｌｏｗｒｕｌｅｓ，ａｎｄｐｒｏｖｉｄｉｎｇｆｉｎｅａｅｒｏｄｙｎａｍｉｃｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎａｎｄａｅｒｏｄｙｎａｍｉｃｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｄａｔａｆｏｒａｉｒｃｒａｆｔｄｅｓｉｇｎ．Ｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆａｄｖａｎｃｅｄｗｉｎｄｔｕｎｎｅｌｉｓｔｈｅｐｒｅｒｅｑｕｉｓｉｔｅｆｏｒｅｎｈａｎｃｉｎｇａｃｃｕｒａｃｙａｎｄｓｔａｎｄａｒｄｏｆｗｉｎｄｔｕｎｎｅｌｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ，ｐｌａｙｉｎｇａｎｉｍｐｏｒｔａｎｔｒｏｌｅｉｎｉｍｐｒｏｖｉｎｇｐｒｏｄｕｃｔａｅｒｏｄｙｎａｍｉｃｄｅｓｉｇｎ．

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ｔｈｅｓｏｆｔｗａｒｅｏｆｔｈｅｓｙｓｔｅｍｉｓｄｅｖｅｌｏｐｅｄｏｎｔｈｅＬａｂＶＩＥＷ６．１ｐｌａｔｆｏｒｍｏｆＡｍｅｒｉｃａｎＮＩＣｏｍｐａｎｙ．Ｕｓｉｎｇｔｈｅｓｙｓｔｅｍｄｅｓｉｇｎｅｄｉｎｔｈｉｓｔｈｅｓｉｓｗｏｒｋ，ｆｌｏｗｆｉｅｌｄｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｗｉｎｄｔｕｎｎｅｌｉｓａｃｃｏｍｐｌｉｓｈｅｄ，ｗｈｉｃｈｃｏｖｅｒｓｄｙｎａｍｉｃｐｒｅｓｓｕｒｅｄｒｏｐｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ，ｄｙｎａｍｉｃｐｒｅｓｓｕｒｅｔｉｍｅｓｔａｂｉｌｉｔｙ，ａｘｉａｌｓｔａｔｉｃｐｒｅｓｓｕｒｅｇｒａｄｉｅｎｔ，ｂｏｕｎｄａｒｙｌａｙｅｒ，ａｎｄｄｅｇｒｅｅｏｆｔｕｒｂｕｌｅｎｃｅ，ｅｔｃ．ＢｏｕｎｄａｒｙｌａｙｅｒｍｅａＳｕｒｉｎｇｐｒｉｎｃｉｐｌｅａｎｄｍｅｔｈｏｄａｒｅｅｓｐｅｃｉａｌｌｙｄｅｓｃｒｉｂｅｄｉｎｄｅｔａｉｌ，ｔｈｅｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｂｅｔｗｅｅｎｂｏｕｎｄａｒｙｌａｙｅｒｔｈｉｃｋｎｅｓｓ，ｗｉｎｄｓｐｅｅｄｓｅｔｔｉｎｇ，ａｎｄｔｈｅｄｅｐｔｈｏｆｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｓｅｃｔｉｏｎｉｓｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ，ａｎｄｆｉｎａｌｌｙｔｈｅｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎｄａｔａｆｏｒｔｈｅｍｏｄｅｌｃｅｎｔｅｒｚｏｎｅｒａｉｄｅｒｓｐｅｃｉｆｉｃｗｉｎｄｓｐｅｅｄａｒｅｇｉｖｅｎ．

Ｔｈｅｗｉｎｄｔｕｎｎｅｌｄａｔａａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎａｎｄｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇｓｙｓｔｅｍｄｅｓｉｇｎｅｄｂｙｔｈｉｓｔｈｅｓｉｓｗｏｒｋｈａｓｐａｓｓｅｄｔｈｅｓｈａｋｅｄｏｗｎｔｅｓｔ，ａｎｄｕｔｉｌｉｚｉｎｇｔｈｉｓｓｙｓｔｅｍｓｅｖｅｒａｌｗｉｎｄｔｕｎｎｅｌｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓｈａｖｅｂｅｅｎｃｏｎｄｕｃｔｅｄｓｕｃｃｅｓｓｆｕｌｌｙ，ｉｎｃｌｕｄｉｎｇａｎｕｎｍａｎｎｅｄａｉｒｐｌａｎｅｍｏｄｅｌａｎｄａｇｌｉｄｅｒｍｏｄｅｌ．Ａｃｃｕｒａｔｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｄａｔａａｎｄｖａｌｕａｂｌｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｃｏｎｃｌｕｓｉｏｎｓａｒｅｏｂｔａｉｎｅｄ．Ｐｒａｃｔｉｃａｌａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｉｓｄａｔａａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎａｎｄｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇｓｙｓｔｅｍｆｕｌｌｙｓａｔｉｓｆｉｅｓｔｈｅｄｅｓｉｇｎｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ，ｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｉｎｇｖｅｒｙｈｉｇｈｐｒａｃｔｉｃａｌｉｔｙａｎｄｃｈａｒａｃｔｅｒｏｆａｄｖａｎｃｅｍｅｎｔ．

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：

ｗｉｎｄｔｕｎｎｅｌ：

ｍｅａｓｕｒｉｎｇａｎｄｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍ；

ｗｉｎｄｓｐｅｅｄｃｏｎｔｒｏ

ｆｌｏｗｆｉｅＩｄｃａＩｉｂｒａｔ；

ｏＲ

０．前言

风洞是能人工产生和控制气流，用以模拟飞行器或物体周围气体的流动，并可量度气流对物体的作用以及观察物体现象的一种管道试验设备。

风洞在空气动力学研究和飞行器设计中起着ｆ＿分重要的作用，它的发展与航空航天技术的发展密切相关【”。

低速风涮是指实验段的风速小于１３０米，秒（马赫数小于０．４）左右的风洞，在这个速度范围内，气流的压缩影响几乎不存在。

在各类风洞中．低速风洞是出现最早、发展最完备、种类和数量最多的一种风洞。

低速风洞有着广泛的的用途，如在航空航天方面，有关低速流动的基础性研究、各种低速或高速飞行器的布局和性能研究，都要在低速风洞巾进行实验；

不论何种高速飞行器，都要经历起飞（或着陆）阶段的低速飞行，所以低速飞行实验是不可缺少的；

在…做工业部门，运动物体之间的相对速度人多不超过１００米／秒，所以有关的空气动力学实验都属于低速风洞实验【２Ｊ。

据文献资料考察嘲，｝鲴外有各种尺寸，彳ｉ同速度范围的风洞数百座，符合标准的共１８６座。

在低速风洞中，美国兰利研究中心的低湍流度高压二元实验断（ＬＴＰＴ）所能达到的雷诺数为最高，Ｒｅ一３０×

１０６（雷诺数的参考长度取Ｃ＝０．１４．４，Ａ为实验段的截面面积）。

国内第一座风洞是１９４３年清华大学自行研制设计的低速风洞，现有的高低速风洞有百｝＿座，为我国自行研制的各类飞机、导弹、飞船以及卫星提供了大量的实验数据，为加强我国国防做出了很大的贡献，也为我国的民用设施如：

建筑物、桥梁、汽车的发展起到推进作用，同时还在环境保护、发展体育、教学方面发挥了重要作用１３１。

沈阳航空丁业学院是原航空工业部属的五所航空院校之一，从５８年建校以来为我国航空航犬事业，培育无数栋梁之材，为更好地满足原有的飞机制造工程、飞行器动力工程及飞机殴计专业学生学习的需要，填补沈阳航院没有风洞的空白，设计一座小型、低速、低湍流度风洞。

设计要求

（１）该风洞可进行飞机模型全机测力实验，二元翼型测压实验，低速１１Ｐ栅测压实验，低速进，：

ｉ道性能实验，低速喷流影响实验，以及其它一些实验（如地面影响实验，动态特性实验等等）。

（２）可进行一些工业性实验，如汽车外形气动特性实验，汽车高速行驶稳定性实验，风速计等计量实验，少量环保方面实验（如烟尘散布、防护林效益等），少量建筑方面实验（如桥梁、楼房风载实验等）。

（３）叮进行一些边界层理论方面研究（如边界层转捩、边界层稳定性、湍流结

构、边界层控制技术等）属于国内较少的低速低湍流度三元风洞。

风洞实验是模拟飞行器在静止大气中运动的一种实验。

当模型固定不动时，要求风洞气流的各参数在时间和空间的备点上，都是均匀的。

并且必须满足相似准则对气流提出的要求。

但在实际风洞流场中，要完全做到这一点是不可能的。

当。

个风洞建成后都需要在实验段的各个切面上逐点测定气流的流动品质。

所谓流动品质，主要是指气流参数在时间和空间卜的均匀程度。

其主要特性有：

气流的稳定性、速度的均匀性、方向的均匀性、低湍流度及轴向静压梯度等，本次毕业设计任务就是完成风洞的的校测工作，给出流场品质ｐＪ。

为此设计风洞的数据采集、处理与控制系统（简称测控制系统），测控系统包括硬件和软件两大部分，硬件包括：

计算机、数据采集卡、信号调理器、传感器及常用的风洞测试仪器；

软件功能要求实现风洞的开车、给定风速的稳定闭环控制并在一定风速下完成流场校测内容。

风洞的流场校测包括落差系数、动压稳定性、轴向静压梯度、动压场、方向场、边界层测量和湍流度测量。

特别对边界层问题做出了较详细的实验研究，总结出边界层厚度与设定风速、实验段深度的关系，然后给出模型中心区一定风速下校正数值。

２

１．概述

沈阳航空工业学院自行设计的ｌｍｘｌｍ低速风洞，风洞由四部分组成：

洞体部分、动力部分、模型支撑系统及角度机构和测控系统。

风洞总长１７．９８米：

实验段横截面积１米×

ｌ米切角正方形；

收缩段收缩比ｌＯ，８７：

１，长２米；

稳定段内径３．５７米，艮３．１米，有六层阻尼网，进Ｅｌ处有防护网和六角形玻璃钢蜂窝器。

扩散段长６米，单壁扩散角４。

。

１．１测控系统组成

将风洞的控制监测系统和测量处理系统组成一个统。

的系统，用计算机统管理和控制，称为风洞的测控系统。

风洞测控系统包括测量处理系统、控制与监测系统和测控软件【”。

（１）测餐处理系统

由传感器、信号调理器、数据采集测量装置和数据处理系统等组成测量处理系统，在计算机的挎制和管理—Ｆ对风洞试验数据进行采集、测最、分析和处理。

（２）控制与监测系统

风洞控制系统在试验中对对各种实验设备和实验参数进行实时控制，本系统主要包括风速控制和角度机构控制。

（３）测控软件

在计算机管理下的测控系统，包括硬件和软件两大部分。

随着技术的发展，软件所占比重越来越大，软件的功能是在风洞实验中首先需要将风洞实验设备控制到需要的状态，然后对实验数据进行测量和处理。

所以测量和控制是紧密相连不可分割的，简称为测控系统。

系统软件采用ＮＡＴＩＯＮＡＬＩＮＳＴＲＵＭＥＮＴＳ（美同国家仪器有限公司简称ＮＩ）的ＬａＢＶＩＥＷ６．１虚拟仪器编程语言，实现风洞的风速控制模块、流场校测模块，在流场校测模块中完成落差系数测量、动压稳定性、轴向静压梯度、动压场、方向场、边界层和湍流度测量。

将ＬａｂＶｔＥＷ应用到风洞实验在国内尚属首例，本题目具有一定的先进性。

３

１．２风洞测控技术的发展

风洞测擦技术”’是随着空气动力学、传感器技术、电子技术及计算机技术的发展而发展。

航空航天及其他一些行业对空气动力学试验提出愈来愈高的要求，而传感器技术、电子技术和计算机技术为风洞试验提供各种新的试验技术和试验设备奠定了基础，使各种复杂的气动试验成为可能。

根据我国风洞的发展史，风洞测控技术大致分为以下几个阶段。

（１）人工测量时期

我国的早期风洞在２０世纪５