1.2 m風洞進氣道分布式流量節(jié)流機構系統(tǒng)設計

榮祥森，李方吉，趙 清，段 帥

(中國空氣動力研究與發(fā)展中心高速空氣動力研究所，四川 綿陽 621000)

0 引言

1.2 m風洞是一座半回流暫沖式跨超聲速風洞，是我國先進飛行器研制的重要地面試驗模擬平臺。進氣道試驗是其中重要的試驗內(nèi)容。流量調(diào)節(jié)(即節(jié)流與流量測量)機構是進氣道風洞試驗中的重要技術設備之一。從某種意義上說，流量調(diào)節(jié)技術的發(fā)展在一定程度上制約了進氣道風洞試驗技術的發(fā)展。

現(xiàn)有的流量調(diào)節(jié)機構由于尺寸的限制，只能進行單發(fā)進氣道試驗。

為驗證1.2 m風洞進行雙發(fā)進氣道試驗的可行性，本文提出了一種分布式流量調(diào)節(jié)方法，即采用“化整為零”的思想，以“分布”式流量調(diào)節(jié)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的節(jié)流錐“集中”式流量調(diào)節(jié)。這一方法提高了節(jié)流機構的流通效率和流量調(diào)節(jié)能力，降低了節(jié)流機構對流動的干擾。同時，采用分布式流量調(diào)節(jié)方法能夠有效減小節(jié)流與流量測量機構的外形尺寸，降低了機構安裝的空間要求[1-2]。

1 分布式流量調(diào)節(jié)與測控系統(tǒng)總體方案

1.1 結構方案

在1.2 m風洞現(xiàn)有埋入式進氣道試驗裝置(入口直徑為70 mm，內(nèi)管道通徑為130 mm，音速噴管直徑為83 mm，總體長度為1 140 mm)的基礎上，設計一套分布式流量調(diào)節(jié)機構(內(nèi)管道通徑減小為95 mm，音速噴管直徑減小為80 mm)替換原有音速噴管。

節(jié)流錐節(jié)流示意圖如圖1所示。

圖1 節(jié)流錐節(jié)流示意圖 Fig.1 Throttling flow cone diagram

分布式節(jié)流示意圖如圖2所示。

圖2 分布式節(jié)流示意圖 Fig.2 Distributed flow regulator diagram

試驗時，原節(jié)流與流量測量機構的節(jié)流錐處于“全開”位置，通過分布式流量調(diào)節(jié)機構來調(diào)節(jié)進氣道的流量，并通過試驗驗證方案的可行性。

結構方案如圖3所示。主要零部件如圖4所示。其中，關鍵零部件為動導流片系統(tǒng)和靜導流片系統(tǒng)。

圖3 結構方案示意圖 Fig.3 Schematic diagram

圖4 主要零部件示意圖 Fig.4 Main parts schematic

在測量段上沿，周向均布了8個測壓耙臂。每個測壓耙臂上按等環(huán)面積方式分布了5個穩(wěn)態(tài)總壓測點，總計40個，用于測量進氣道出口截面的總壓恢復。在該截面的管壁上沿周向均布了8個穩(wěn)態(tài)靜壓測點，用于測量進氣道出口的靜壓。在進氣道出口截面沿周向設置了3個動態(tài)總壓測點，用于測量進氣道出口湍流度[3]。

1.2 測控系統(tǒng)方案

測控系統(tǒng)的核心任務是流量調(diào)節(jié)控制和動態(tài)數(shù)據(jù)采集。流量調(diào)節(jié)控制通過步進電機驅(qū)動導流片系統(tǒng)和靜導流片系統(tǒng)相對位置來實現(xiàn)，動態(tài)數(shù)據(jù)采集是將動態(tài)傳感器的信號經(jīng)過調(diào)理后通過動態(tài)信號采集模塊采集實現(xiàn)。經(jīng)調(diào)研，選用了美國NI公司的開放式產(chǎn)品，并基于NI-PXI框架實現(xiàn)。整個系統(tǒng)包括工控機、PXI機箱、零槽模塊、運動控制器、數(shù)據(jù)采集卡和放大器等設備。

這部分功能作為整個試驗系統(tǒng)的關鍵組成部分，將協(xié)同1.2 m風洞測控系統(tǒng)、電子掃描閥(壓力測量)系統(tǒng)，完成1.2 m風洞進氣道試驗。為了實現(xiàn)系統(tǒng)的協(xié)同工作和試驗數(shù)據(jù)的實時處理及顯示，各個子系統(tǒng)間需要通過網(wǎng)絡連接在一起。測控系統(tǒng)結構如圖5所示。

圖5 測控系統(tǒng)結構圖 Fig.5 Structure of measurement and control system

2 系統(tǒng)設計

2.1 流量調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)

流量調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)由運動控制器、控制箱(集成有電源和驅(qū)動器)、數(shù)字量I/O模塊、電機和限位開關組成。

運動控制器選用了NI-PXI 7330系列四軸步進電機控制器PXI 7334，通過控制器向電機驅(qū)動器發(fā)送控制信號，電機驅(qū)動轉(zhuǎn)動絲杠帶動動導流片運動。通過安裝在電機上的編碼器，將位置信息反饋到控制器，從而形成閉環(huán)控制。

電機選用E35M4B-05-A11型號的電機，規(guī)格為35 mm×35 mm。驅(qū)動器選用與電機配套的兩相細分驅(qū)動器。

編碼器選用美國US DIGITAL 公司生產(chǎn)的增量式編碼器，型號為E6-400-787，線數(shù)為400線，經(jīng)過4倍電子細分，每圈輸出脈沖數(shù)為1 600。根據(jù)絲杠螺距2.54 mm計算，其分辨率為0.001 6 mm。

限位開關為單刀雙擲開關。限位開關有三個端子，分別為公共端、常閉端和常開端。沒有限位時，公共端和常閉端接通；限位時，公共端和常開端接通。

PXI-6527是一個48位帶隔離數(shù)字I/O模塊，用作電機限位信號的讀取。

2.2 動態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

動態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由動態(tài)壓力傳感器、動態(tài)信號采集處理系統(tǒng)、放大器等組成。

PXI-4472B是一個8通道并行數(shù)據(jù)采集模塊，最高采樣率為102.4 kS/s，用作動態(tài)傳感器信號的采集[4]。

PXI-4472B的抗混迭濾波器由一個截止頻率隨采樣率變化的數(shù)字濾波器和一個截止頻率400 kHz的模擬濾波器組成。數(shù)字濾波器的通帶為DC到0.453 5fs，-3 dB頻率為0.486 3fs，截止頻率為0.546 5fs。其中，fs為采樣頻率，單位為kS/s。通過抗混迭濾波器的使用，可以濾除被測信號中的高頻成分，使被測信號的頻率與PXI-4472B的采樣率滿足采樣定理，避免信號發(fā)生混迭。

ENDEVCO 136 DC放大器是一個三通道信號調(diào)理模塊，適用于壓阻式加速度計、可變電容式加速度計和一般的壓力傳感器。它的放大倍數(shù)從0到1 000可調(diào)，含有一個插入式的低通濾波器，頻率從10 Hz到80 kHz可選。本文選擇的是10 kHz的濾波模塊[5]。

本文采用同步采集模式。該模式是指采集命令發(fā)出后，直到采樣完成采集函數(shù)才返回的采樣方式。使用DAQ_Op函數(shù)完成單通道的同步采集，使用SCAN_Op函數(shù)完成多通道的同步采集，采樣率、通道表和增益表的設定也在函數(shù)DAQ_Op(SCAN_Op)中完成。為了確保發(fā)生錯誤時控制權能返回應用程序，需要使用Timeout_Config函數(shù)設定一個時間限制。如采集命令發(fā)出后在限定的時間內(nèi)沒能完成數(shù)據(jù)采集，采集過程將結束，控制權返回應用程序并發(fā)出一個超時錯誤信號。

根據(jù)需要，對采集系統(tǒng)進行了測試。測試信號為f=1 kHz、urms=1 V的正弦信號。PXI-4472B的采樣率設為51.2 kHz。

①同一個模塊不同通道間的同步功能測試：將被測信號分別加入同一塊PXI-4472B的兩個通道，對測得的結果進行相關性分析，得出相位差約為0.000 3°。

②抗混迭濾波功能測試：保持信號幅值和頻率不變，PXI-4472B的采樣率逐步降低，計算采樣數(shù)據(jù)的均方根值進而算出信號衰減幅度。

抗混迭濾波測試結果如表1所示。

表1 抗混迭濾波測試結果 Tab.1 Anti-mixing filter test results

由測試結果可見，抗混迭濾波通帶平坦，過渡帶窄。

動態(tài)傳感器采用了美國Kulite公司專門研制的一種超小型半導體壓阻式傳感器。這種傳感器尺寸小、敏感部分可小到0.01英寸(1英寸=25.4 mm)、頻率響應高、靈敏度高，滿足試驗需求[6]；長期穩(wěn)定性好，耐各種惡劣環(huán)境，是帶有加速度補償?shù)膲毫鞲衅鳎豢蓱糜诟哒駝印⒏呒铀俣群透邷丨h(huán)境。該傳感器量程為206.84 kPa，尺寸為1.6 mm，頻率為1 500 kHz，精度為0.1%，溫度范圍為-200～+1 100 ℃。

根據(jù)采集的數(shù)據(jù)，按照式(1)計算得到進氣道出口湍流度。

(1)

(2)

(3)

2.3 控制軟件

本系統(tǒng)的核心功能是通過控制動導流片的運動實現(xiàn)流量調(diào)節(jié)。但為了保證正常工作，系統(tǒng)還需要具有一系列輔助功能。控制軟件基于LabWindows/CVI平臺開發(fā)，通過調(diào)用NI-Motion軟件提供的編程接口實現(xiàn)所需的各種功能。整個進氣道試驗軟件還包括動態(tài)數(shù)據(jù)采集、與系統(tǒng)其他部分的通信、數(shù)據(jù)處理等功能。

2.4 試驗過程

每次試驗前，先設置好位置，將動導流片置于初始位置，然后開始試驗。在流場建立、攻角走到試驗位置后，進入階梯循環(huán)。①動導流片到指定位置，開始動態(tài)數(shù)據(jù)采集，1.2 m風洞測量系統(tǒng)和電子掃描閥系統(tǒng)開始靜態(tài)數(shù)據(jù)采集。②完成數(shù)據(jù)采集后，風洞測量系統(tǒng)和電子掃描閥系統(tǒng)都將數(shù)據(jù)傳到主控計算機進行計算、顯示和初步分析。此時，分析人員可根據(jù)顯示的結果對預定的試驗狀態(tài)進行調(diào)整。如此循環(huán)，直到吹風結束。系統(tǒng)控制流程如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)控制流程圖 Fig.6 Control flowchart of the system

3 試驗結果與分析

驗證試驗是在進氣道模型α=0°和β=0°條件下進行的，主要開展了M=0.9、1.2和2.0時不同調(diào)節(jié)方式對比試驗。分布式調(diào)節(jié)試驗時，節(jié)流錐處于“全開”位置，流量調(diào)節(jié)通過分布式調(diào)節(jié)機構來實現(xiàn)；節(jié)流錐調(diào)節(jié)試驗時，安裝原有音速噴管。

圖7給出了M為0.9、1.2和2.0時，兩種調(diào)節(jié)方式總壓恢復系數(shù)σ隨流量系數(shù)φ的變化對比曲線。

由圖7可知，在M=0.9和1.2時，分布式調(diào)節(jié)與節(jié)流錐調(diào)節(jié)的σ-φ曲線一致性較好。其中，大流量時流量系數(shù)差異在0.01范圍以內(nèi)；在M=2.0時，分布式調(diào)節(jié)機構流量與1.2 m風洞現(xiàn)有節(jié)流錐流量調(diào)節(jié)與測量裝置的流量相當，能夠滿足目前大多數(shù)型號的進氣道試驗需求[8]。但是相比現(xiàn)有節(jié)流錐流量調(diào)節(jié)與測量裝置130 mm的內(nèi)道通徑，分布式節(jié)流調(diào)節(jié)機構的內(nèi)通道直徑僅有95 mm。因此，采用分布式流量調(diào)節(jié)方法，能夠有效減小節(jié)流與流量測量機構的外形尺寸，降低機構安裝的空間要求。

圖7 試驗結果對比曲線 Fig.7 Comparison curves of test results

從最終試驗結果看，分布式調(diào)節(jié)方式對上、下游流動的影響小。

4 結論

本文在1.2 m風洞現(xiàn)有流量調(diào)節(jié)機構的基礎上，提出了一種分布式流量調(diào)節(jié)方法，對分布式流量調(diào)節(jié)機構與測控系統(tǒng)進行了設計，并通過試驗進行了驗證。試驗結果表明：①分布式調(diào)節(jié)驗證方案是可行的，內(nèi)管道通徑為95 mm的分布式流量調(diào)節(jié)與測量裝置能夠滿足1 m量級高速風洞進氣道試驗的流量需求;②分布式調(diào)節(jié)機構對上、下游流動影響較小;③流量調(diào)節(jié)控制和動態(tài)采集系統(tǒng)滿足使用要求;④采用分布式流量調(diào)節(jié)方法，能夠有效減小節(jié)流與流量測量機構的外形尺寸，降低機構安裝的空間要求。

分布式流量調(diào)節(jié)提高了節(jié)流機構的流通效率和流量調(diào)節(jié)能力，有效減小了流量節(jié)流機構的外形尺寸，能夠為1.2 m風洞雙發(fā)進氣道試驗技術提供技術支持。