1.2 m風洞進氣道分布式流量節流機構系統設計

榮祥森，李方吉，趙 清，段 帥

(中國空氣動力研究與發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容。流量調節(即節流與流量測量)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，流量調節技術的發展在一定程度上制約了進氣道風洞試驗技術的發展。

現有的流量調節機構由于尺寸的限制，只能進行單發進氣道試驗。

為驗證1.2 m風洞進行雙發進氣道試驗的可行性，本文提出了一種分布式流量調節方法，即采用“化整為零”的思想，以“分布”式流量調節代替傳統的節流錐“集中”式流量調節。這一方法提高了節流機構的流通效率和流量調節能力，降低了節流機構對流動的干擾。同時，采用分布式流量調節方法能夠有效減小節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 分布式流量調節與測控系統總體方案

1.1 結構方案

在1.2 m風洞現有埋入式進氣道試驗裝置(入口直徑為70 mm，內管道通徑為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節機構(內管道通徑減小為95 mm，音速噴管直徑減小為80 mm)替換原有音速噴管。

節流錐節流示意圖如圖1所示。

圖1 節流錐節流示意圖 Fig.1 Throttling flow cone diagram

分布式節流示意圖如圖2所示。

圖2 分布式節流示意圖 Fig.2 Distributed flow regulator diagram

試驗時，原節流與流量測量機構的節流錐處于“全開”位置，通過分布式流量調節機構來調節進氣道的流量，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和靜導流片系統。

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面積方式分布了5個穩態總壓測點，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個穩態靜壓測點，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個動態總壓測點，用于測量進氣道出口湍流度[3]。

1.2 測控系統方案

測控系統的核心任務是流量調節控制和動態數據采集。流量調節控制通過步進電機驅動導流片系統和靜導流片系統相對位置來實現，動態數據采集是將動態傳感器的信號經過調理后通過動態信號采集模塊采集實現。經調研，選用了美國NI公司的開放式產品，并基于NI-PXI框架實現。整個系統包括工控機、PXI機箱、零槽模塊、運動控制器、數據采集卡和放大器等設備。

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

圖5 測控系統結構圖 Fig.5 Structure of measurement and control system

2 系統設計

2.1 流量調節控制系統

流量調節控制系統由運動控制器、控制箱(集成有電源和驅動器)、數字量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動器發送控制信號，電機驅動轉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，從而形成閉環控制。

電機選用E35M4B-05-A11型號的電機，規格為35 mm×35 mm。驅動器選用與電機配套的兩相細分驅動器。

編碼器選用美國US DIGITAL 公司生產的增量式編碼器，型號為E6-400-787，線數為400線，經過4倍電子細分，每圈輸出脈沖數為1 600。根據絲杠螺距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位帶隔離數字I/O模塊，用作電機限位信號的讀取。

2.2 動態數據采集系統

動態數據采集系統由動態壓力傳感器、動態信號采集處理系統、放大器等組成。

PXI-4472B是一個8通道并行數據采集模塊，最高采樣率為102.4 kS/s，用作動態傳感器信號的采集[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字濾波器和一個截止頻率400 kHz的模擬濾波器組成。數字濾波器的通帶為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，避免信號發生混迭。

ENDEVCO 136 DC放大器是一個三通道信號調理模塊，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。它的放大倍數從0到1 000可調，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出后，直到采樣完成采集函數才返回的采樣方式。使用DAQ_Op函數完成單通道的同步采集，使用SCAN_Op函數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DAQ_Op(SCAN_Op)中完成。為了確保發生錯誤時控制權能返回應用程序，需要使用Timeout_Config函數設定一個時間限制。如采集命令發出后在限定的時間內沒能完成數據采集，采集過程將結束，控制權返回應用程序并發出一個超時錯誤信號。

根據需要，對采集系統進行了測試。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，計算采樣數據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]；長期穩定性好，耐各種惡劣環境，是帶有加速度補償的壓力傳感器；可應用于高振動、高加速度和高溫環境。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 ℃。

根據采集的數據，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

本系統的核心功能是通過控制動導流片的運動實現流量調節。但為了保證正常工作，系統還需要具有一系列輔助功能。控制軟件基于LabWindows/CVI平臺開發，通過調用NI-Motion軟件提供的編程接口實現所需的各種功能。整個進氣道試驗軟件還包括動態數據采集、與系統其他部分的通信、數據處理等功能。

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。①動導流片到指定位置，開始動態數據采集，1.2 m風洞測量系統和電子掃描閥系統開始靜態數據采集。②完成數據采集后，風洞測量系統和電子掃描閥系統都將數據傳到主控計算機進行計算、顯示和初步分析。此時，分析人員可根據顯示的結果對預定的試驗狀態進行調整。如此循環，直到吹風結束。系統控制流程如圖6所示。

圖6 系統控制流程圖 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時不同調節方式對比試驗。分布式調節試驗時，節流錐處于“全開”位置，流量調節通過分布式調節機構來實現；節流錐調節試驗時，安裝原有音速噴管。

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

由圖7可知，在M=0.9和1.2時，分布式調節與節流錐調節的σ-φ曲線一致性較好。其中，大流量時流量系數差異在0.01范圍以內；在M=2.0時，分布式調節機構流量與1.2 m風洞現有節流錐流量調節與測量裝置的流量相當，能夠滿足目前大多數型號的進氣道試驗需求[8]。但是相比現有節流錐流量調節與測量裝置130 mm的內道通徑，分布式節流調節機構的內通道直徑僅有95 mm。因此，采用分布式流量調節方法，能夠有效減小節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，分布式調節方式對上、下游流動的影響小。

4 結論

本文在1.2 m風洞現有流量調節機構的基礎上，提出了一種分布式流量調節方法，對分布式流量調節機構與測控系統進行了設計，并通過試驗進行了驗證。試驗結果表明：①分布式調節驗證方案是可行的，內管道通徑為95 mm的分布式流量調節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分布式調節機構對上、下游流動影響較小;③流量調節控制和動態采集系統滿足使用要求;④采用分布式流量調節方法，能夠有效減小節流與流量測量機構的外形尺寸，降低機構安裝的空間要求。

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