1.2 m风洞进气道分布式流量节流机构系统设计

荣祥森，李方吉，赵 清，段 帅

(中国空气动力研究与发展中心高速空气动力研究所，四川 绵阳 621000)

0 引言

1.2 m风洞是一座半回流暂冲式跨超声速风洞，是我国先进飞行器研制的重要地面试验模拟平台。进气道试验是其中重要的试验内容。流量调节(即节流与流量测量)机构是进气道风洞试验中的重要技术设备之一。从某种意义上说，流量调节技术的发展在一定程度上制约了进气道风洞试验技术的发展。

现有的流量调节机构由于尺寸的限制，只能进行单发进气道试验。

为验证1.2 m风洞进行双发进气道试验的可行性，本文提出了一种分布式流量调节方法，即采用“化整为零”的思想，以“分布”式流量调节代替传统的节流锥“集中”式流量调节。这一方法提高了节流机构的流通效率和流量调节能力，降低了节流机构对流动的干扰。同时，采用分布式流量调节方法能够有效减小节流与流量测量机构的外形尺寸，降低了机构安装的空间要求[1-2]。

1 分布式流量调节与测控系统总体方案

1.1 结构方案

在1.2 m风洞现有埋入式进气道试验装置(入口直径为70 mm，内管道通径为130 mm，音速喷管直径为83 mm，总体长度为1 140 mm)的基础上，设计一套分布式流量调节机构(内管道通径减小为95 mm，音速喷管直径减小为80 mm)替换原有音速喷管。

节流锥节流示意图如图1所示。

图1 节流锥节流示意图 Fig.1 Throttling flow cone diagram

分布式节流示意图如图2所示。

图2 分布式节流示意图 Fig.2 Distributed flow regulator diagram

试验时，原节流与流量测量机构的节流锥处于“全开”位置，通过分布式流量调节机构来调节进气道的流量，并通过试验验证方案的可行性。

结构方案如图3所示。主要零部件如图4所示。其中，关键零部件为动导流片系统和静导流片系统。

图3 结构方案示意图 Fig.3 Schematic diagram

图4 主要零部件示意图 Fig.4 Main parts schematic

在测量段上沿，周向均布了8个测压耙臂。每个测压耙臂上按等环面积方式分布了5个稳态总压测点，总计40个，用于测量进气道出口截面的总压恢复。在该截面的管壁上沿周向均布了8个稳态静压测点，用于测量进气道出口的静压。在进气道出口截面沿周向设置了3个动态总压测点，用于测量进气道出口湍流度[3]。

1.2 测控系统方案

测控系统的核心任务是流量调节控制和动态数据采集。流量调节控制通过步进电机驱动导流片系统和静导流片系统相对位置来实现，动态数据采集是将动态传感器的信号经过调理后通过动态信号采集模块采集实现。经调研，选用了美国NI公司的开放式产品，并基于NI-PXI框架实现。整个系统包括工控机、PXI机箱、零槽模块、运动控制器、数据采集卡和放大器等设备。

这部分功能作为整个试验系统的关键组成部分，将协同1.2 m风洞测控系统、电子扫描阀(压力测量)系统，完成1.2 m风洞进气道试验。为了实现系统的协同工作和试验数据的实时处理及显示，各个子系统间需要通过网络连接在一起。测控系统结构如图5所示。

图5 测控系统结构图 Fig.5 Structure of measurement and control system

2 系统设计

2.1 流量调节控制系统

流量调节控制系统由运动控制器、控制箱(集成有电源和驱动器)、数字量I/O模块、电机和限位开关组成。

运动控制器选用了NI-PXI 7330系列四轴步进电机控制器PXI 7334，通过控制器向电机驱动器发送控制信号，电机驱动转动丝杠带动动导流片运动。通过安装在电机上的编码器，将位置信息反馈到控制器，从而形成闭环控制。

电机选用E35M4B-05-A11型号的电机，规格为35 mm×35 mm。驱动器选用与电机配套的两相细分驱动器。

编码器选用美国US DIGITAL 公司生产的增量式编码器，型号为E6-400-787，线数为400线，经过4倍电子细分，每圈输出脉冲数为1 600。根据丝杠螺距2.54 mm计算，其分辨率为0.001 6 mm。

限位开关为单刀双掷开关。限位开关有三个端子，分别为公共端、常闭端和常开端。没有限位时，公共端和常闭端接通；限位时，公共端和常开端接通。

PXI-6527是一个48位带隔离数字I/O模块，用作电机限位信号的读取。

2.2 动态数据采集系统

动态数据采集系统由动态压力传感器、动态信号采集处理系统、放大器等组成。

PXI-4472B是一个8通道并行数据采集模块，最高采样率为102.4 kS/s，用作动态传感器信号的采集[4]。

PXI-4472B的抗混迭滤波器由一个截止频率随采样率变化的数字滤波器和一个截止频率400 kHz的模拟滤波器组成。数字滤波器的通带为DC到0.453 5fs，-3 dB频率为0.486 3fs，截止频率为0.546 5fs。其中，fs为采样频率，单位为kS/s。通过抗混迭滤波器的使用，可以滤除被测信号中的高频成分，使被测信号的频率与PXI-4472B的采样率满足采样定理，避免信号发生混迭。

ENDEVCO 136 DC放大器是一个三通道信号调理模块，适用于压阻式加速度计、可变电容式加速度计和一般的压力传感器。它的放大倍数从0到1 000可调，含有一个插入式的低通滤波器，频率从10 Hz到80 kHz可选。本文选择的是10 kHz的滤波模块[5]。

本文采用同步采集模式。该模式是指采集命令发出后，直到采样完成采集函数才返回的采样方式。使用DAQ_Op函数完成单通道的同步采集，使用SCAN_Op函数完成多通道的同步采集，采样率、通道表和增益表的设定也在函数DAQ_Op(SCAN_Op)中完成。为了确保发生错误时控制权能返回应用程序，需要使用Timeout_Config函数设定一个时间限制。如采集命令发出后在限定的时间内没能完成数据采集，采集过程将结束，控制权返回应用程序并发出一个超时错误信号。

根据需要，对采集系统进行了测试。测试信号为f=1 kHz、urms=1 V的正弦信号。PXI-4472B的采样率设为51.2 kHz。

①同一个模块不同通道间的同步功能测试：将被测信号分别加入同一块PXI-4472B的两个通道，对测得的结果进行相关性分析，得出相位差约为0.000 3°。

②抗混迭滤波功能测试：保持信号幅值和频率不变，PXI-4472B的采样率逐步降低，计算采样数据的均方根值进而算出信号衰减幅度。

抗混迭滤波测试结果如表1所示。

表1 抗混迭滤波测试结果 Tab.1 Anti-mixing filter test results

由测试结果可见，抗混迭滤波通带平坦，过渡带窄。

动态传感器采用了美国Kulite公司专门研制的一种超小型半导体压阻式传感器。这种传感器尺寸小、敏感部分可小到0.01英寸(1英寸=25.4 mm)、频率响应高、灵敏度高，满足试验需求[6]；长期稳定性好，耐各种恶劣环境，是带有加速度补偿的压力传感器；可应用于高振动、高加速度和高温环境。该传感器量程为206.84 kPa，尺寸为1.6 mm，频率为1 500 kHz，精度为0.1%，温度范围为-200～+1 100 ℃。

根据采集的数据，按照式(1)计算得到进气道出口湍流度。

(1)

(2)

(3)

2.3 控制软件

本系统的核心功能是通过控制动导流片的运动实现流量调节。但为了保证正常工作，系统还需要具有一系列辅助功能。控制软件基于LabWindows/CVI平台开发，通过调用NI-Motion软件提供的编程接口实现所需的各种功能。整个进气道试验软件还包括动态数据采集、与系统其他部分的通信、数据处理等功能。

2.4 试验过程

每次试验前，先设置好位置，将动导流片置于初始位置，然后开始试验。在流场建立、攻角走到试验位置后，进入阶梯循环。①动导流片到指定位置，开始动态数据采集，1.2 m风洞测量系统和电子扫描阀系统开始静态数据采集。②完成数据采集后，风洞测量系统和电子扫描阀系统都将数据传到主控计算机进行计算、显示和初步分析。此时，分析人员可根据显示的结果对预定的试验状态进行调整。如此循环，直到吹风结束。系统控制流程如图6所示。

图6 系统控制流程图 Fig.6 Control flowchart of the system

3 试验结果与分析

验证试验是在进气道模型α=0°和β=0°条件下进行的，主要开展了M=0.9、1.2和2.0时不同调节方式对比试验。分布式调节试验时，节流锥处于“全开”位置，流量调节通过分布式调节机构来实现；节流锥调节试验时，安装原有音速喷管。

图7给出了M为0.9、1.2和2.0时，两种调节方式总压恢复系数σ随流量系数φ的变化对比曲线。

由图7可知，在M=0.9和1.2时，分布式调节与节流锥调节的σ-φ曲线一致性较好。其中，大流量时流量系数差异在0.01范围以内；在M=2.0时，分布式调节机构流量与1.2 m风洞现有节流锥流量调节与测量装置的流量相当，能够满足目前大多数型号的进气道试验需求[8]。但是相比现有节流锥流量调节与测量装置130 mm的内道通径，分布式节流调节机构的内通道直径仅有95 mm。因此，采用分布式流量调节方法，能够有效减小节流与流量测量机构的外形尺寸，降低机构安装的空间要求。

图7 试验结果对比曲线 Fig.7 Comparison curves of test results

从最终试验结果看，分布式调节方式对上、下游流动的影响小。

4 结论

本文在1.2 m风洞现有流量调节机构的基础上，提出了一种分布式流量调节方法，对分布式流量调节机构与测控系统进行了设计，并通过试验进行了验证。试验结果表明：①分布式调节验证方案是可行的，内管道通径为95 mm的分布式流量调节与测量装置能够满足1 m量级高速风洞进气道试验的流量需求;②分布式调节机构对上、下游流动影响较小;③流量调节控制和动态采集系统满足使用要求;④采用分布式流量调节方法，能够有效减小节流与流量测量机构的外形尺寸，降低机构安装的空间要求。

分布式流量调节提高了节流机构的流通效率和流量调节能力，有效减小了流量节流机构的外形尺寸，能够为1.2 m风洞双发进气道试验技术提供技术支持。