预估风洞模型支杆系统静稳定性及静发散动压的方法与流程

本发明涉及风洞试验领域。更具体地说，本发明涉及一种预估风洞模型支杆系统静稳定性及静发散动压的方法。

背景技术：

1、在常规测力风洞试验中，通常采用尾部支杆支撑模型的方法开展研究与验证工作。支杆支撑具有简单方便、支撑干扰小的优势，在试验过程中，模型/支杆系统在气动力作用下会发生变形，导致模型/支杆系统的静稳定性发生变化。当作用在模型/支杆系统上的气动载荷与结构参数满足特定条件时，系统会表现出不稳定现象，体现为结构变形的弹性恢复力无法与作用在模型上的气动力保持平衡，支杆的静态弹性变形无限增大，最终导致结构破坏。

2、风洞试验过程中，模型/支杆系统破坏会导致严重损失。一方面，破坏后的模型会随气流飞进风洞后段，砸坏相关部件，导致风洞停工维修，尤其对于大型连续式风洞而言更为致命，会直接威胁压缩机转子部件的安全，造成巨额经济损失。另一方面，试验中断会导致相关试验数据无法获取，直接影响试验实施部门相关产品的研发周期和成本，造成重要时间节点推迟，失去产品竞争力。

3、当前风洞试验技术领域还没有明确给出预估风洞模型/支杆系统静稳定性及静发散动压的方法，通常只校核最大气动力作用下系统的强度，未考虑模型/支杆系统在气动力和结构耦合作用下的稳定性问题，存在一定风险。

4、欧洲etw试验手册关于风洞模型/支杆系统给出了静稳定性裕度数值，但没有说明具体的实施方法。气动弹性分析领域提出了利用软件计算系统静稳定性的方法，但需要专业的软件进行分析，无法在试验方案制定阶段实现快速预估。

技术实现思路

1、本发明的一个目的是解决至少上述问题和/或缺陷，并提供至少后面将说明的优点。

2、为了实现本发明的这些目的和其它优点，提供了一种预估风洞模型支杆系统静稳定性及静发散动压的方法，包括：

3、s1、以风洞模型支杆系统为对象，建立考虑模型及支杆结构参数的静力学模型；

4、s2、基于s1得到的静力学模型以及设定的参数值，通过下式预估风洞模型支杆系统的静发散临界动压 q：

5、

6、上式中， r表示支杆长度， θ为吹风引起模型随支杆弹性变形时产生的弹性附加攻角， c m为俯仰力矩系数， c l为升力系数，为风洞模型参考长度， s为风洞模型参考面积， e为支杆的弹性模量， i为支杆的截面矩， e为气动中心到刚心的距离；

7、s3、将实际风洞试验过程中的运行动压 q0与静发散临界动压 q进行对比，以判断风洞模型支杆系统在整个试验过程中的静稳定性。

8、优选的是，在s1中，所述静力学模型的获取流程包括：

9、s10、在静态平衡条件下，在风洞试验中，若模型初始状态调平时考虑了模型重力，则系统的力和力矩平衡方程通过下式表示：

10、

11、其中， k11、 k12、 k21、 k22分别表示支杆在刚心处的位移刚度、由俯仰角产生的位移刚度、由位移产生的俯仰角刚度以及俯仰角刚度，且；

12、s11、在准定常气动力理论下，静力学模型中的气动力通过下式表征：

13、

14、上式中， l为作用在飞机模型上的升力， m z为作用在飞机模型上的俯仰力矩。

15、优选的是，在s2中，静发散临界动压 q的预估公式获取方式为：

16、s20、假设初始攻角为 θ0，则由吹风引起的附加攻角有如下关系：

17、

18、上式中， h为模型纵向平动位移；

19、s21、基于s20中的附加攻角，吹风引起的弹性附加攻角通过下式表征：

20、

21、s22、当s21中弹性附加攻角满足分母等于0时，模型支杆系统出现静发散，则攻角发散的静发散临界动压 q为：

22、。

23、优选的是，在s3中，风洞模型支杆系统在整个试验过程中的静稳定性判断方式为：

24、当 q0的值始终小于 q，则判定风洞模型支杆系统在整个试验过程中是静稳定的，但整个试验过程中只要存在一个时刻 t，使得 q0＞ q或 q＜0，则判定t时刻的风洞模型支杆系统是动不稳定的。

25、优选的是，当风洞模型支杆系统被判定为静不稳定，则通过增大支杆的直径 d、减小支杆的长度 r中的任意一种来增大 q。

26、本发明至少包括以下有益效果：本发明通过建立模型支杆系统的静力学简化模型，考虑了支杆结构参数、模型结构参数、攻角以及模型气动力系数仿真结果等，给出了模型支杆系统发散临界动压的计算方法，该方法能够在试验开展之前的设计阶段，分析试验过程中模型支杆系统的静稳定性，并快速预估模型支杆系统发生静发散时的动压。

27、本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。

技术特征：

1.一种预估风洞模型支杆系统静稳定性及静发散动压的方法，其特征在于，包括：

2.如权利要求1所述的预估风洞模型支杆系统静稳定性及静发散动压的方法，其特征在于，在s1中，所述静力学模型的获取流程包括：

3.如权利要求1所述的预估风洞模型支杆系统静稳定性及静发散动压的方法，其特征在于，在s2中，静发散临界动压q的预估公式获取方式为：

4.如权利要求1所述的预估风洞模型支杆系统静稳定性及静发散动压的方法，其特征在于，在s3中，风洞模型支杆系统在整个试验过程中的静稳定性判断方式为：

5.如权利要求1所述的预估风洞模型支杆系统静稳定性及静发散动压的方法，其特征在于，当风洞模型支杆系统被判定为静不稳定，则通过增大支杆的直径d、减小支杆的长度r中的任意一种来增大q。

技术总结
本发明公开了一种预估风洞模型支杆系统静稳定性及静发散动压的方法，涉及风洞试验领域，包括：S1、以风洞模型支杆系统为对象，建立考虑模型及支杆结构参数的静力学模型；S2、基于S1得到的静力学模型以及设定的参数值，预估风洞模型支杆系统的静发散临界动压q；S3、将实际风洞试验过程中的运行动压q<subgt;0</subgt;与静发散临界动压q进行对比，以判断风洞模型支杆系统在整个试验过程中的静稳定性。本发明提供一种预估风洞模型支杆系统静稳定性及静发散动压的方法，给出了模型支杆系统发散临界动压的计算方法，该方法能够在试验开展之前的设计阶段，分析试验过程中模型支杆系统的静稳定性，并快速预估模型支杆系统发生静发散时的动压。

技术研发人员：李岩,曾开春,寇西平,欧阳炎,闫昱,李增军,贾苏,吴惠松,张朋,李灿,郭洪涛,杨兴华,余立
受保护的技术使用者：中国空气动力研究与发展中心高速空气动力研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/12/17