基于CFD分析的高速进气道前体风洞实验总压修正方法转让专利
申请号 : CN202010663193.4
文献号 : CN111780949B
文献日 : 2021-04-30
发明人 : 俞宗汉 , 黄国平 , 朱宇 , 夏晨
申请人 : 南京航空航天大学
摘要 :
发明公开一种基于CFD分析的高速进气道前体风洞实验总压修正方法，其特征在于包括如下步骤：(1)基于设计得到的前体/进气道气动构型，通过CFD数值模拟对前体/进气道流场进行划分，将高速流场分为自由流场区域、附面层区域和激波后区域，并确定各区域的几何位置；(2)设计风洞实验，制定实验测量方案，根据每个总压探针的几何位置，定位各总压探针所属的区域；(3)在风洞实验中，测得各总压探针所在点的压力值Pmeasured，(4)根据各总压探针所属的区域，分别对不同区域的总压探针测得的压力值Pmeasured进行修正，获得经修正的真实总压。利用本发明的总压修正方法，实现用常规探针完成对复杂高速流场的总压测量的目的。
权利要求 :
1.一种基于CFD分析的高速进气道前体风洞实验总压修正方法，其特征在于包括如下步骤：
(1)基于设计得到的前体/进气道气动构型，通过CFD数值模拟对前体/进气道流场进行划分，将高速流场分为自由流场区域、附面层区域和激波后区域，并确定各区域的几何位置；
(2)设计风洞实验，制定实验测量方案，根据每个总压探针的几何位置，定位各总压探针所属的区域；
(3)在风洞实验中，测得各总压探针所在点的压力值Pmeasured，(4)根据各总压探针所属的区域，分别对不同区域的总压探针测得的压力值Pmeasured进行修正，获得经修正的真实总压，具体方法为：步骤(1)中自由流场区域为直接面对自由来流的区域，该区域总压探针面对超声速或高超声速来流，总压探针前方具有一道弓形激波，测得的总压值偏高，对于自由流场区域的总压探针测得的压力值Pmeasured，进行修正，根据来流马赫数M∞和测得压力Pmeasured，通过正激波关系式可以求得经修正的真实总压Ptrue，A，计算式如下：其中，k是空气的比热容比，取值为1.4；
步骤(1)中附面层区域为近壁面低流速区域，该区域中包括超声速区域和亚声速区域，对于超声速区域测得的压力值Pmeasured采用式(1)进行修正，对于亚声速区域测得的压力值Pmeasured，其测得压力即为真实压力Ptrue，B，计算式如下：步骤(1)中激波后区域为上游存在激波的区域，根据对应的前体压缩型式分为包含三维曲面激波和弓形激波的前体激波区域，以及包含三维曲面激波、一道或多道预压缩激波和弓形激波的前体激波及其它预压缩激波区域；
对于前体激波区域的压力值的修正方法为：
1)首先要估算波后的总压Pt1，计算式如下：其中β是斜激波角；
2)根据波后总压Pt1和测得压力Pmeasured，通过正激波关系式计算出一个波前马赫数Mx，计算式如下：
3)根据当地静压P和波前马赫数Mx，算出一个初始真实压力Ptrue，C，如下式：
4)根据Ptrue，C与波后总压Pt1的差值，进行迭代求解，直至(Pt1‑Ptrue，C)接近于0计算收敛，此时Ptrue，C即为真实压力；
对于前体激波及其它预压缩激波区域的压力值的修正方法为：
1)首先要估算波后的总压Ptn，并预先考虑多激波压缩的情况，计算式如下：其中，f(M，β)为斜激波基本关系式，如下：同时，βi根据具体的压缩型式而定，Mi+1根据以下式计算：
2)得到Ptn后，根据测得压力Pmeasured，结合正激波公式计算出一个波前马赫数Mx，如下式：
3)根据当地静压P和波前马赫数Mx可以算出一个初始真实压力Ptrue，D，如下式：
4)根据其与波后总压Ptn的差值，进行迭代求解，直至(Ptn‑Ptrue，D)接近于0计算收敛，此时Ptrue，D即为真实压力。
2.根据权利要求1所述的基于CFD分析的高速进气道前体风洞实验总压修正方法，其特征在于，超声速与亚声速区域的界定方式为：求解测得压力Pmeasured与当地静压P的比值，如果该比值大于等于1.89293，判定为超声速区域；如该比值小于1.89293，判定为亚声速区域。
说明书 :
基于CFD分析的高速进气道前体风洞实验总压修正方法
技术领域
[0001] 本发明属于高马赫数实验技术领域，具体是涉及一种基于CFD分析的高速进气道前体风洞实验总压修正方法。
背景技术
[0002] 流场总压值测量是高速风洞实验重要的一个环节，能够得到特定位置的流动损失、马赫数以及型面畸变特征等典型气动性能，所以其测量的准确性对于实验结果是否有
效起到关键作用。对于流场结构简单的典型超声速/高超声速风洞实验而言，总压测量相对
较为方便且结果可靠。而对于波系结构复杂、近壁低能流较厚的高速风洞实验，对总压的测
量往往存在一定的误差，其核心原因在于测量结果受到高速流场变化剧烈、测量段尺寸小、
探针强度要求高等因素的限制。
效起到关键作用。对于流场结构简单的典型超声速/高超声速风洞实验而言，总压测量相对
较为方便且结果可靠。而对于波系结构复杂、近壁低能流较厚的高速风洞实验，对总压的测
量往往存在一定的误差，其核心原因在于测量结果受到高速流场变化剧烈、测量段尺寸小、
探针强度要求高等因素的限制。
[0003] 目前，针对波系结构复杂的超声速/高超声速风洞实验，主要研究方向是通过设计不同的探针以满足各类不同实验条件下的压力测量，虽然在一定程度上解决了总压测量误
差大的问题，但对探针的材料、工艺等要求较高，且对于绝大多数特种需求的实验，其探针
往往不能被重复利用，成本大，资源耗费极大。
差大的问题，但对探针的材料、工艺等要求较高，且对于绝大多数特种需求的实验，其探针
往往不能被重复利用，成本大，资源耗费极大。
发明内容
[0004] 发明目的：本发明目的在于针对现有技术的不足，提供一种基于CFD分析的高速进气道前体风洞实验总压修正方法，实现用常规探针完成对复杂高速流场的总压测量的目
的。
的。
[0005] 技术方案：本发明所述基于CFD分析的高速进气道前体风洞实验总压修正方法，包括如下步骤：
[0006] (1)基于设计得到的前体/进气道气动构型，通过CFD数值模拟对前体/进气道流场进行划分，将高速流场分为自由流场区域、附面层区域和激波后区域，并确定各区域的几何
位置；
位置；
[0007] (2)设计风洞实验，制定实验测量方案，根据每个总压探针的几何位置，定位各总压探针所属的区域；
[0008] (3)在风洞实验中，测得各总压探针所在点的压力值Pmeasured，
[0009] (4)根据各总压探针所属的区域，分别对不同区域的总压探针测得的压力值Pmeasured进行修正，获得经修正的真实总压。
[0010] 本发明进一步优选地技术方案为，步骤(1)中自由流场区域为直接面对自由来流的区域，该区域总压探针面对超声速或高超声速来流，总压探针前方具有一道弓形激波，测
得的总压值偏高。
得的总压值偏高。
[0011] 作为优选地，对于自由流场区域的总压探针测得的压力值Pmeasured，进行修正，根据来流马赫数M∞和测得压力Pmeasured，通过正激波关系式可以求得经修正的真实总压Ptrue,A，计
算式如下：
算式如下：
[0012]
[0013] 其中，k是空气的比热容比，取值为1.4。
[0014] 优选地，步骤(1)中附面层区域为近壁面低流速区域，该区域中包括超声速区域和亚声速区域，对于超声速区域测得的压力值Pmeasured采用式(1)进行修正，对于亚声速区域测
得的压力值Pmeasured，其测得压力即为真实压力Ptrue,B，计算式如下：
得的压力值Pmeasured，其测得压力即为真实压力Ptrue,B，计算式如下：
[0015]
[0016] 优选地，超声速与亚声速区域的界定方式为：求解测得压力Pmeasured与当地静压P的比值，如果该比值大于等于1.89293，判定为超声速区域；如该比值小于1.89293，判定为亚
声速区域。
声速区域。
[0017] 优选地，步骤(1)中激波后区域为上游存在激波的区域，根据对应的前体压缩型式分为包含三维曲面激波和弓形激波的前体激波区域，以及包含三维曲面激波、一道或多道
预压缩激波和弓形激波的前体激波及其它预压缩激波区域。
预压缩激波和弓形激波的前体激波及其它预压缩激波区域。
[0018] 优选地，对于前体激波区域的压力值的修正方法为：
[0019] 1)首先要估算波后的总压Pt1，计算式如下：
[0020]
[0021] 其中β是斜激波角；
[0022] 2)根据波后总压Pt1和测得压力Pmeasured，通过正激波关系式计算出一个波前马赫数Mx，计算式如下：
[0023]
[0024] 3)根据当地静压P和波前马赫数Mx，算出一个初始真实压力Ptrue,C，如下式：
[0025]
[0026] 4)根据Ptrue,C与波后总压Pt1的差值，进行迭代求解，直至(Pt1‑Ptrue,C)接近于0计算收敛，此时Ptrue,C即为真实压力。
[0027] 优选地，对于前体激波及其它预压缩激波区域的压力值的修正方法为：
[0028] 1)首先要估算波后的总压Ptn，并预先考虑多激波压缩的情况，计算式如下：
[0029]
[0030] 其中，f(M,β)为斜激波基本关系式，如下：
[0031]
[0032] 同时，βi根据具体的压缩型式而定，Mi+1根据以下式计算：
[0033]
[0034] 2)得到Ptn后，根据测得压力Pmeasured，结合正激波公式计算出一个波前马赫数Mx，如下式：
[0035]
[0036] 3)根据当地静压P和波前马赫数Mx可以算出一个初始真实压力Ptrue,D，如下式：
[0037]
[0038] 4)根据其与波后总压Ptn的差值，进行迭代求解，直至(Ptn‑Ptrue,D)接近于0计算收敛，此时Ptrue,D即为真实压力。
[0039] 有益效果：本发明中基于高速吸气式推进系统的风洞实验需求，提出了通过抓取流场典型特征，将高速流场分为受激波、低能流影响的几个区域，根据流场的总压测试结果
判定探针所在区域，并进行对应的数据修正，通过多控制因子的迭代计算确保修正的精确
度，最终形成基于CFD分析的高速进气道前体风洞实验总压修正方法，实现用常规探针完成
对复杂高速流场的总压测量的目的。
判定探针所在区域，并进行对应的数据修正，通过多控制因子的迭代计算确保修正的精确
度，最终形成基于CFD分析的高速进气道前体风洞实验总压修正方法，实现用常规探针完成
对复杂高速流场的总压测量的目的。
附图说明
[0040] 图1为基于CFD分析的高速进气道前体风洞实验总压修正方法适用区域示意图。
[0041] 图2为图1的区域A中探针的周围波系。
[0042] 图3为图1的区域B中探针的周围波系。
[0043] 图4为图1的区域C中探针的周围波系。
[0044] 图5为图1的区域D中探针的周围波系。
[0045] 图6为基于CFD分析的高速进气道前体风洞实验总压修正方法的总体流程图。
[0046] 图7为基于CFD分析的高速进气道前体风洞实验总压修正方法关于区域C、D的“初值+迭代”求解方法流程图。
[0047] 图8为对于流场同一位置，本发明所采用的修正方法结果与直接给定波后压力采用的修正方法，其结果的相对误差随马赫数的变化规律图。
具体实施方式
[0048] 下面通过附图对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。
[0049] 实施例：一种基于CFD分析的高速进气道前体风洞实验总压修正方法，包括如下步骤：
[0050] (1)基于设计得到的前体/进气道气动构型，通过CFD数值模拟对前体/进气道流场进行划分，如图1所示，将高速流场分为自由流场区域A、附面层区域B和激波后区域，其中激
波后区域根据对应的前体压缩型式分为包含三维曲面激波和弓形激波的前体激波区域C，
以及包含三维曲面激波、一道或多道预压缩激波和弓形激波的前体激波及其它预压缩激波
区域D；
波后区域根据对应的前体压缩型式分为包含三维曲面激波和弓形激波的前体激波区域C，
以及包含三维曲面激波、一道或多道预压缩激波和弓形激波的前体激波及其它预压缩激波
区域D；
[0051] (2)设计风洞实验，制定实验测量方案，根据每个总压探针的几何位置，定位各总压探针所属的区域；
[0052] (3)在风洞实验中，测得各总压探针所在点的压力值Pmeasured，
[0053] (4)根据各总压探针所属的区域，分别对不同区域的总压探针测得的压力值Pmeasured进行修正，获得经修正的真实总压。
[0054] 具体的修正方法包括：
[0055] Ⅰ、对于自由流场区域A修正方法，适用于直接面对自由来流的情况，如图2所示。此处总压探针面对超声速、高超声速来流，其探针前方会出现一道弓形激波，所以测得的总压
值偏高。由于探针尺寸较小，弓形激波强度与正激波相仿，对于A区域，将测得的总压值用正
激波关系式进行修正：
值偏高。由于探针尺寸较小，弓形激波强度与正激波相仿，对于A区域，将测得的总压值用正
激波关系式进行修正：
[0056] 根据来流马赫数M∞和测得压力Pmeasured，通过正激波关系式可以求得经修正的真实总压Ptrue,A，计算式如下：
[0057]
[0058] 其中，k是空气的比热容比，取值为1.4。
[0059] Ⅱ、对于附面层区域气流数据修正方法，适用于近壁面低流速区域，如图3所示。该区域中包括超声速区域和亚声速区域。超声速与亚声速区域的界定方式为：求解测得压力
Pmeasured与当地静压P的比值，如果该比值大于等于1.89293，判定为超声速区域；如该比值小
于1.89293，判定为亚声速区域。
Pmeasured与当地静压P的比值，如果该比值大于等于1.89293，判定为超声速区域；如该比值小
于1.89293，判定为亚声速区域。
[0060] 对于超声速区域测得的压力值Pmeasured采用式(1)进行修正，对于亚声速区域测得的压力值Pmeasured，其测得压力即为真实压力Ptrue,B，计算式如下：
[0061]
[0062] Ⅲ、对于前体激波区域C气流数据修正方法，该区域包括三维曲面激波和探针前的弓形激波，如图4所示。此处与面对自由来流状态的不同点是气流已历经一道前体三维曲面
激波，所以首先要估算波后的总压Pt1。
激波，所以首先要估算波后的总压Pt1。
[0063] 1)估算波后的总压Pt1，计算式如下：
[0064]
[0065] 其中β是斜激波角；
[0066] 2)根据波后总压Pt1和测得压力Pmeasured，通过正激波关系式计算出一个波前马赫数Mx，计算式如下：
[0067]
[0068] 3)根据当地静压P和波前马赫数Mx，算出一个初始真实压力Ptrue,C，如下式：
[0069]
[0070] 4)根据Ptrue,C与波后总压Pt1的差值，进行迭代求解，直至(Pt1‑Ptrue,C)接近于0计算收敛，此时Ptrue,C即为真实压力。
[0071] Ⅳ、对于前体激波及其它预压缩激波区域D，该区域包括三维曲面激波、一道或多道预压缩激波和探针前的弓形激波，如图5所示。这种情况的原理与对于前体激波区域C气
流数据修正方法原理一致，不过其波后总压Ptn的计算中，需要预先考虑多激波压缩的情况。
流数据修正方法原理一致，不过其波后总压Ptn的计算中，需要预先考虑多激波压缩的情况。
[0072] 1)首先要估算波后的总压Ptn，并预先考虑多激波压缩的情况，计算式如下：
[0073]
[0074] 其中，f(M,β)为斜激波基本关系式，如下：
[0075]
[0076] 同时，βi根据具体的压缩型式而定，Mi+1根据以下式计算：
[0077]
[0078] 2)得到Ptn后，根据测得压力Pmeasured，结合正激波公式计算出一个波前马赫数Mx，如下式：
[0079]
[0080] 3)根据当地静压P和波前马赫数Mx可以算出一个初始真实压力Ptrue,D，如下式：
[0081]
[0082] 4)根据其与波后总压Ptn的差值，进行迭代求解，直至(Ptn‑Ptrue,D)接近于0计算收敛，此时Ptrue,D即为真实压力。
[0083] 对区域C、D的总压修正方法采用“初值+迭代”的求解方法，其流程图如图7所示，对于区域C的总压数据而言，给定Pt的时候只考虑前体激波的压缩，所以只需给定β，对于区域
D的总压数据而言，给定Pt的时候需考虑前体激波和其它预压缩波的影响，所以需要给定β
和流程图虚线框中的β1、β2、…、βn。
D的总压数据而言，给定Pt的时候需考虑前体激波和其它预压缩波的影响，所以需要给定β
和流程图虚线框中的β1、β2、…、βn。
[0084] 作为比较，本实施例针对同一流场，分别采用的本发明的修正方法与直接给定波后压力采用的修正方法进行比较，比较结果如图8所示，图中，Rp计算式为：
[0085]
[0086] 式中Pture是本发明采用“给定初值+迭代求解”的方法得到的总压修正值，P'ture是传统的直接用斜激波公式决定激波后气流参数的方法得到的总压修正值。
[0087] 采用常规总压探针进行高马赫数冷态风洞实验时，传统的风洞总压数据处理方式，对于区域A、B的数据处理，对总压数据的修正用斜激波代替了较为复杂的三维激波对波
后流场数据进行求解，此简化过程忽略了三维曲面激波后流场为非均匀的特征，所以修正
得到的总压数据往往不准确。同时，对于对称面激波角相等的情况，采用斜激波关系式修正
比真实三维压缩的强度要小，所以波后总压的修正值偏大，探针前弓形激波的波前马赫数
修正值会偏小，最终导致探针总压的修正值偏小。
后流场数据进行求解，此简化过程忽略了三维曲面激波后流场为非均匀的特征，所以修正
得到的总压数据往往不准确。同时，对于对称面激波角相等的情况，采用斜激波关系式修正
比真实三维压缩的强度要小，所以波后总压的修正值偏大，探针前弓形激波的波前马赫数
修正值会偏小，最终导致探针总压的修正值偏小。
[0088] 本发明在数据修正中充分考虑了流场的三维压缩效应，在预估探针前总压的基础上，对其进一步地进行迭代解算，以逼近流场真实总压值。如图8所示，根据对前期实验数据
的修正得到，对于流场同一处于较复杂的激波下游位置(如区域C、D)，其来流马赫数或面对
的压缩强度越大，数据修正的程度也越大，总压数据纠偏的程度也越高，且本发明的方法比
传统方法要精确3％左右，具体的纠偏程度由来流条件、前体预压缩强度等共同决定。
的修正得到，对于流场同一处于较复杂的激波下游位置(如区域C、D)，其来流马赫数或面对
的压缩强度越大，数据修正的程度也越大，总压数据纠偏的程度也越高，且本发明的方法比
传统方法要精确3％左右，具体的纠偏程度由来流条件、前体预压缩强度等共同决定。
[0089] 如上所述，尽管参照特定的优选实施例已经表示和表述了本发明，但其不得解释为对本发明自身的限制。在不脱离所附权利要求定义的本发明的精神和范围前提下，可对
其在形式上和细节上作出各种变化。
其在形式上和细节上作出各种变化。