[发明专利]一种亚声速风洞可压缩流体扰动模态测量结果解算方法

说明书

本发明公开了一种亚声速风洞可压缩流体扰动模态测量结果解算方法。该方法包括以下步骤：(1)数据采集准备；(2)利用热线风速仪测量亚声速风洞试验段流场脉动量，获得质量流量脉动、总温脉动、质量流量脉动与总温脉动互相关量；(3)熵模态为0的前提下，推导并求解声模态与涡模态；(4)推导并求解流场基本物理量声模态与涡模态分量。该方法获得了亚声速风洞可压缩流体中的扰动模态及流场基本物理量声模态与涡模态分量的具体表达式，并利用热线风速仪测量结果求解了流场的声模态与涡模态，以及流场基本物理量的声模态与涡模态分量，为亚声速风洞可压缩流体扰动模态分析提供了一种可行的方法，为新建风洞的流场品质评估提供技术支持。

技术领域

本发明属于试验空气动力学领域，具体涉及一种亚声速风洞可压缩流体扰动模态测量结果解算方法。

背景技术

众所周知，风洞试验段的核心流区域是经过整流装置整流后风洞中流场品质最好的区域，但尽管如此，进入风洞试验段的自由来流仍然具有非定常特性。自由来流扰动会对风洞试验结果的精度产生影响，致使风洞试验结果产生误差，风洞试验结果误差对于飞行器设计而言即意味着升力、阻力系数等气动参数存在设计误差，进而会导致飞行器载重量存在估算误差，严重制约了飞行器的经济性与安全性。因此，对自由来流扰动进行精确量化评估就显得尤为重要。

自由来流扰动是由三种基本扰动模态叠加构成的，分别为：声模态、涡模态及熵模态，且三种扰动模态的构成成分不尽相同。声模态是由等熵状态下的压力脉动、密度脉动、温度脉动及无旋速度脉动构成的；涡模态是由有旋速度脉动构成的；熵模态是由定压状态下的熵脉动、密度脉动与温度脉动构成的。由于三种扰动模态的构成成分不同，其产生机制也不尽相同。一般来说，湍流边界层是声模态的主要来源，风洞中的蜂窝器与阻尼网等是涡模态的主要来源，流场中的非均匀温度场是熵模态的主要来源。三种扰动模态不仅产生机制不同，其对流动现象的作用机理也不相同。例如，Kendall在1998年发表的研究成果中指出，自由来流扰动中的有旋成分(涡模态)是引发边界层转捩过程中三维breakdown过程的诱因，而自由来流扰动中的无旋成分(主要是声模态)是触发二维TS波初始幅值的主要因素，不同扰动模态对边界层转捩的作用机理存在差异，在边界层转捩的预测与控制中也存在不同的作用。

综合以上分析可知：为了能够精确定量分析不同扰动模态在风洞中的源头并加以抑制，以提升风洞流场品质，提高风洞试验结果精度，并且为了能够精确定量分析不同扰动模态对流动现象的影响机理，需要对风洞试验段中的不同扰动模态均进行量化评估。目前，亚声速风洞可压缩流速域在众多客机、军用运输机、远程战略轰炸机、预警机及加油机等先进大型飞机的气动力评估及气动外形精细化设计中发挥了重要作用，但正是由于其中的自由来流扰动模态没有进行量化评估，导致无法精确量化试验结果的精度。

当前，亟需发展一种亚声速风洞可压缩流体扰动模态测量结果解算方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种亚声速风洞可压缩流体扰动模态测量结果解算方法。

本发明的亚声速风洞可压缩流体扰动模态测量结果解算方法包括以下步骤：

a.将一维热线探针安装在支杆上，并将支杆固定在夹持机构上，将整个夹持机构安装在待测亚声速风洞试验段中；

b.开启待测亚声速风洞，在来流马赫数M下，利用热线风速仪对亚声速风洞试验段流场脉动量进行测量，获得质量流量脉动总温脉动及质量流量脉动与总温脉动的互相关量m为来流质量流量，T₀为来流总温，Δ表示脉动值，表示平均值；

c.亚声速风洞可压缩流动为等熵流动，熵模态为0；

d.对声模态与涡模态的量值进行求解，声模态与涡模态的表达式为：

以上两式中，P为声模态，ω为涡模态，γ为比热比，α与β为与马赫数和比热比有关的参数，其表达式为：