一种用于风洞试验的测压管道优化设计方法技术

本发明专利技术公开了一种用于风洞试验的测压管道优化设计方法，具体步骤如下：步骤1，基于电路传输线理论，获得测压管道系统的理论频响函数；步骤2，建立多段测压管道系统的优化模型；步骤3，以测压管道内半径或管道长度作为优化变量，采用遗传优化算法确定管道系统的最优设计参数；步骤4，根据风压系数时程和自功率谱密度函数两个评价指标，对优化效果进行评价；步骤5，确定最终风洞试验测压管道系统及其高精度修正方法。本发明专利技术有效的解决了风洞试验测压管道较长时产生的信号畸变问题，简单有效，并且可以以此为基础进行更深层次的研究。

An Optimum Design Method of Pressure Pipeline for Wind Tunnel Test

【技术实现步骤摘要】
一种用于风洞试验的测压管道优化设计方法
本专利技术涉及一种用于风洞试验的测压管道优化设计方法。
技术介绍
近几十年，电子科学领域快速发展，传感器、扫描阀等设备的出现以及创新令人们可以更加精确地测量脉动风压以满足有关风工程领域的研究需求。在风洞试验中，测压管道系统存在一定的长度，这势必会对管道系统中的脉动压力信号产生影响，主要是以气动阻尼作用为主。对于强阻尼管道系统，通常会引起脉动压力信号幅值上的衰减，而对于弱阻尼管道系统则会引起信号幅值放大。进而，脉动压力经过一定长度测压管道系统至传感器后会产生信号畸变。因此，针对风洞试验的测压管道系统开展优化设计研究具有重要的理论意义和工程实用价值。
技术实现思路
为解决上述技术问题，本专利技术提供一种用于风洞试验的测压管道优化设计方法。本专利技术为解决上述技术问题采用以下技术方案：本专利技术提供一种用于风洞试验的测压管道优化设计方法，具体方法步骤如下：步骤1：基于电路传输线理论，获得测压管道的频率响应函数；步骤2：建立多段测压管道的优化模型；步骤3：以测压管道内半径或管道长度作为优化变量，采用遗传优化算法确定测压管道的最优设计参数。作为本专利技术的进一步优化方案，步骤1中所述测压管道的频率响应函数为：其中，m11(f)为测压管道始末端参数关系的传递矩阵M的左上角元素，M＝M1,2…Mn,n+1，n为构成测压管道的管段数，Mi,i+1为第i个管段的传递矩阵，i＝1,2,…,n。作为本专利技术的进一步技术方案，步骤2中建立的多段测压管道的优化模型具体为：目标函数minf(l1,l2,...,ln,r1,r2,...rn)；约束条件其中，i＝1,2,...,n，li为第i个管段的长度，L为测压管道总长度，n为构成测压管道的管段数，ri为第i个管段的半径，riu、ril分别为ri的上、下限，H(f)为测压管道的频率响应函数，f0为脉动风压信号的最大频率。本专利技术还提供一种测压管道采集的压力信号的修正方法，所述测压管道采用如上所述的优化设计方法进行优化设计，该修正方法包括以下步骤：步骤A：频率f＝[0,fs/2]范围内，若测压管道的频率响应函数H(f)∝1，则测压管道采集的压力信号无需修正，否则执行步骤2；其中，fs为压力扫描阀的采样频率；步骤B：根据风压系数时程或自功率谱密度函数对测压管道采集的压力信号进行修正，得到真实压力信号。作为本专利技术的进一步技术方案，步骤B中根据风压系数时程对测压管道采集的压力信号进行修正，得到真实压力信号，具体为：①对测压管道采集的压力信号y(t)做傅立叶变换FFT得到频域内傅立叶系数序列Y(f)；②得到真实压力信号x(t)在频域内的傅立叶变换系数序列X(f)＝Y(f)/H(f)；③对②中得到的X(f)进行傅立叶逆变换，最后得到真实压力信号x(t)。作为本专利技术的进一步技术方案，步骤B中根据自功率谱密度函数对测压管道采集的压力信号进行修正，得到真实压力信号，具体为：式中，为测压管道采集的压力信号的功率谱密度函数，为真实压力信号的功率谱密度函数。本专利技术采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：1)本专利技术简单清晰,应用方便；可实施性强；2)本专利技术所提出的测压管道优化设计方法能够解决风洞测压试验中多段测压管道系统所引起的信号畸变问题，提高脉动风压信号的测量精度。附图说明图1为一种用于风洞试验的测压管道优化设计及修正方法的流程图；图2为长度为l的简单等截面直管道示意图；图3为风洞常用典型测压管道示意图；图4为以管道内半径为计算变量时对应的优化前和优化后的管系频响函数曲线；图5为以长度为计算变量时对应的优化前和优化后的管系频响函数曲线；图6为对长度为0.8m的测压管道输入四组不同频率正弦压力波，利用管道的频响函数对输出端的压力信号进行修正的修正结果对比图，其中，(a)为输入频率f＝20Hz，(b)为输入频率f＝60Hz，(c)为输入频率f＝100Hz，(d)为输入频率f＝120Hz；图7为双对数坐标下不同长度测压管道所采集到的脉动风压自谱修正结果对比图，其中，(a)为0.5m长度测压管道，(b)为0.8m长度测压管道，(c)为1m长度测压管道，(d)为1.2m长度测压管道；图8为长度l＝0.8m测压管道自谱误差分布示意图。具体实施方式下面详细描述本专利技术的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本专利技术，而不能解释为对本专利技术的限制。本
技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本专利技术所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。下面结合附图对本专利技术的技术方案做进一步的详细说明：本专利技术一种用于风洞试验的测压管道优化设计方法，如图1所示，具体方法步骤如下：步骤1：基于电路传输线理论，获得测压管道的频率响应函数。首先将测压管道系统进行单元化，用流阻、流容、流导和流感来表示一个单元的流体特性。再对流体管道在频域内进行动态特性分析，由连续性方程、动量方程、能量方程和状态方程得出不同流动条件下的传播算子和特征阻抗，并结合具体的负载阻抗(管道输出端压力与流量的比值)和源阻抗(管道输入端压力与流量的比值)，就能将测压管道系统处理成一个管道流体力学问题。对于简单等截面测压管道，令其长度为l，如图2所示，假定以下三个条件成立：(1)空气在圆管内作小扰动的层流流动；(2)由于管内径远小于气流波长，压力在管内传播可视为平面波，轴向热传递项与径向热传递项相比可忽略；(3)对管内气体而言，测压管是等温刚性壁管。根据这些假设，管内气体流动所满足的微分方程可简化为：连续性方程：动量方程：能量方程：状态方程：其中，x是距离信号始端的距离，r是管道半径，ρ是流体密度，u是流体速度，T是温度，p是流体压力，γ是绝热指数，v是运动粘度，σ是普郎特数；下标“0”表示时间平均值，ρ0是流体密度的时间平均值，T0是温度的时间平均值，v0是运动粘度的时间平均值，σ0是普郎特数的时间平均值。对于等截面圆管，由于上述微分方程组同时考虑到热传递效应和粘性，故被认为是进行管道流体动态特性分析的精确模型。对上述方程组经变换解得：其中：其中，P(x,s)是压力流量p(x,t)的拉普拉斯变换；Q(x,s)是体积流量的拉普拉斯变换；下标“0”表示时间均值，0是流体密度的时间平均值，A是管道流通面积(r02)，r0是管内半径的时间平均值，I1、I0分别是一阶和零阶虚宗量贝塞尔函数。v0是运动粘度的时间平均值，0是普朗特数的时间平均值，是绝热指数，a0是介质声速的时间平均值。一阶和零阶虚宗量贝塞尔函数为：由式(1-5)可以得到流动所满足的波动方程：(1-9)式中：称是传播常数，方程(1-9)的解为：P(x,s)＝C1e-χ(s)x+C2eχ(s)x(1-10)式中，右端两项分别表示入射波和发射波，由(1-9)式得：C1,C2为积分常数，由边界条件决定，对长度为l的简单等截面直管如图4，在输入端有：x＝0,本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于风洞试验的测压管道优化设计方法，其特征在于，具体方法步骤如下：步骤1：基于电路传输线理论，获得测压管道的频率响应函数；步骤2：建立多段测压管道的优化模型；步骤3：以测压管道内半径或管道长度作为优化变量，采用遗传优化算法确定测压管道的最优设计参数。

【技术特征摘要】
1.一种用于风洞试验的测压管道优化设计方法，其特征在于，具体方法步骤如下：步骤1：基于电路传输线理论，获得测压管道的频率响应函数；步骤2：建立多段测压管道的优化模型；步骤3：以测压管道内半径或管道长度作为优化变量，采用遗传优化算法确定测压管道的最优设计参数。2.根据权利要求1所述的一种用于风洞试验的测压管道优化设计方法，其特征在于，步骤1中所述测压管道的频率响应函数为：其中，m11(f)为测压管道始末端参数关系的传递矩阵M的左上角元素，M＝M1,2…Mn,n+1，n为构成测压管道的管段数，Mi,i+1为第i个管段的传递矩阵，i＝1,2,…,n。3.根据权利要求1所述的一种用于风洞试验的测压管道优化设计方法，其特征在于，步骤2中建立的多段测压管道的优化模型具体为：目标函数minf(l1,l2,...,ln,r1,r2,...rn)；约束条件其中，i＝1,2,...,n，li为第i个管段的长度，L为测压管道总长度，n为构成测压管道的管段数，ri为第i个管段的半径，riu、ril分别为ri的上、下限，H(f)为测压管道的频率响应函数，f0为脉动风压信号的最大频率。4.一种测压管道采集的压力信号...

【专利技术属性】
技术研发人员：伞冰冰，邱冶，李剑鸿，马云龙，
申请(专利权)人：河海大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32