基于现代试验设计的风洞天平校准方法

风洞天平的校准精度直接决定了风洞试验的气动载荷测量精度,为了提升天平校准的质量和效率,以BCS-100天平校准系统为研究对象,基于现代试验设计方法(modern design of experiments,MDOE)开展了风洞天平校准研究。针对单因子变量法(one factor at a time,OFAT)天平校准中存在系统误差与响应量耦合的问题,采用MDOE的随机、重复和分块策略控制校准的系统误差,并选定响应面理论的中心复合设计方法生成校准矩阵。校准矩阵共计86个样本点,包括64个分级因子点、12个轴向因子点和10个中心因子点,其中所有样本点的加载顺序做随机化处理,并作为一个样本块在短时间内集中完成加载,中心因子点则用于满足重复原则。最后开展了OFAT和MDOE的对比校准,拟合载荷的残差正态概率分布显示MDOE校准中横侧向分量的样本点独立性更强,样本点残差最高可降低84%;检验载荷显示MDOE和OFAT两种方法中天平所有分量的综合加载重复性持平,MDOE校准中横侧向分量的综合加载误差最高可降低54%。研究表明MDOE能够有效降低校准的系统误差,提升横侧向小量的预测能力。

Rotor airfoil aerodynamic design method and wind tunnel test verification

Well-designed airfoil is very important for high-performance rotor.This paper developed an efficient multi-objective and multi-constraint optimization design system for rotor airfoils based on RANS analysis,and verified the performance of the optimized airfoil.Using CRA09-A as the baseline rotor airfoil,the CRA09-B optimized rotor airfoil was designed successfully.Combined with the foundation of high-precision rotor airfoil stationary test technology,the CRA09-B and CRA09-A rotor airfoils were tested in the S3 MA high-speed wind tunnel of ONERA.In order to correct the aerodynamic data,a single parameter linear wall pressure method is used to consider the tunnel effects.The results indicate that multi-objective and multi-constraint optimization design method developed in this study is reliable,and that CRA09-B optimized airfoil provides better stationary performance than CRA09-A airfoil in terms of maximum lift coefficient and lift-to-drag ratio.

基于遗传算法优化的风洞试验MDOE方法

为提高风洞试验效率,现代试验设计(MDOE)方法正越来越频繁地用于各类飞行器风洞试验。然而,基于MDOE方法的风洞试验尽管理论上减少了试验点数量,有效缩短了风洞吹风时间,但也带来了试验数据精度下降的问题。为此发展了一种基于D-最优设计准则和二元三次多项式响应面模型的MDOE方法,同时引入遗传算法进一步提高响应面模型的拟合精度。结果表明,所开发的MDOE风洞试验方法仅需单变量(OFAT)方法30%左右的试验点数,吹风时间较OFAT方法大约缩短了60%;与最初拟合的多项式响应面模型相比,遗传算法优化后的响应面拟合精度提高了5%左右,内插得到的数据误差更小。

峡谷风对寒区隧道抗冻设防长度的影响

峡谷风作为高山峡谷区、高原山区的特定产物,是影响高寒山区隧道抗冻设防长度的关键因素,开展峡谷风作用下的寒区隧道抗冻设防长度研究对寒区隧道病害提前预防和有效治理具有重要的研究价值与指导意义。本文采用现场实测、数值模拟、因子设计等综合研究方法,围绕峡谷倾角、峡谷风下风向与隧道洞轴线夹角、隧道洞口相对高度三种控制指标,开展寒区隧道抗冻设防长度变化规律研究以及相应机理分析。首先,依托国家重点隧道工程开展现场监测工作,以0℃作为隧道冻害发生的临界温度,得出隧道的实测抗冻设防长度为200~300 m;其次,基于高山峡谷区实际隧道工况的各项控制指标,建立峡谷风下寒区隧道抗冻设防长度的数值模型并开展数值模拟试验,得出数值模拟的结果为237.78 m,与隧道实测抗冻设防长度高度吻合;最后,通过对数值试验结果进行分析得出,峡谷风作用下寒区隧道抗冻设防长度受多因素耦合影响,其中峡谷倾角对隧道抗冻设防长度的影响最大,峡谷风下风向与隧道洞轴线夹角及隧道相对高度交互作用影响最小,继而深入探究峡谷风条件对隧道抗冻设防长度的影响机理。本研究对峡谷风条件下的寒区隧道抗冻设防长度计算具有重要参考价值。

基于均匀设计法的定日镜群镜风力系数变化规律研究

根据部分工况的试验数据,通过均匀设计法和回归方程来得到全部工况的数据,以达到简化定日镜风洞试验、提高试验效率的目的,并在此基础上对定日镜群镜平均风力系数进行研究。首先,根据风洞试验得到群镜13个工况的平均风力系数值;其次,分别确定二元非线性回归方程,利用回归方程计算出全部工况下群镜的平均风力系数回归值;再次,通过对典型工况下平均风力系数进行研究得到其变化规律,并分析出全部工况下群镜平均风力系数整体的变化规律;最后得出群镜平均风力系数与单镜平均风力系数变化规律基本一致等相关结论。

特长公路隧道自然风计算方法和节能研究

为使特长公路隧道在运营过程中能够有效地利用自然风,需要对自然风压计算方法进行深入的研究。文章通过理论分析探明了自然风压的主要影响因素,即超静压差、热位差和风墙压差。通过理论推导得到了各因素的计算公式,确定了一般隧道的自然风压的计算方法。通过对铁峰山2#隧道现场测试数据的分析,验证了公式的正确性。在考虑了斜(竖)井对隧道通风的影响下,通过理论推导的方法得到了自然风压各因素的计算公式,确定了分段隧道自然风压的计算方法。利用简化计算模型计算了大相岭泥巴山特长公路隧道的自然风,并通过现场实测的数据对该计算方法进行了验证,实测值与程序计算值吻合较好。针对泥巴山隧道,设计了节能(辅助)风道。另外选择不同的风机控制方法,能达到不同的节能效果。以上自然风压的计算方法和泥巴山隧道的节能设计可以为其它类似工程的自然风计算、设计和合理利用提供依据。

小尺寸应变天平设计方法研究

Φ0.3m高超声速低密度风洞测力试验模型尺寸小、天平载荷小、流场总温高,天平防热结构设计难,刚度要求和灵敏度要求矛盾突出,测力天平的研制难度大。采用数值仿真和风洞试验相结合的研究方法,对应用于该情况下的内式天平在温度影响和结构设计方面进行了研究。采用有限元方法对天平温度影响和结构应力分布做了详细分析,并对分析结果进行了风洞试验验证。结果表明:在实现天平结构优化设计及提高天平设计的准确性和可靠性方面,有限元分析设计方法是非常有效的技术途径。

双曲薄壳冷却塔气弹模型的等效梁格方法和实验研究

双曲薄壳冷却塔振型复杂、群塔干扰及风振效应突出,风洞试验中常采用连续介质薄壳材料模拟冷却塔气弹模型缩尺刚度。鉴于该方法气弹模型设计和加工的特点,在实际工程应用中存在多方面不足。针对存在的问题,提出了双曲薄壳冷却塔气弹模型等效梁格设计方法,推导了梁格法冷却塔气弹模型缩尺刚度计算公式,建议了冷却塔缩尺模型模拟原型结构高雷诺数条件下表面绕流Reynolds数和Strouhal数效应修正和验证办法。设计加工1∶200比例等效梁格冷却塔气弹模型,在同济大学TJ-3风洞中,进行了冷却塔单塔测振风洞试验,在模型频率、振型、气动力参数模拟,风振系数分布和试验易操作性方面均取得良好的较果,较好地避免了传统连续介质模型设计方法的不足。

亚跨超风洞现代试验设计方法研究

开展了基于现代试验设计方法(MDOE)的亚跨超风洞试验研究,以八号标模尾翼为试验对象研究其气动特性,采用同时改变攻角-侧滑角的多变量方法,而不是传统的单变量(OFAT)方法进行试验。对自变量攻角和侧滑角进行试验设计(DOE),应用响应面法建模,用IV-最优方法对测量点分布进行设计。在FD-12亚跨超风洞完成了试验,并和传统的OFAT方法结果进行比较分析。结果表明:MDOE方法获得的数据和传统的OFAT方法的数据吻合很好;MDOE采集样点数减少了46%,吹风的时间比OFAT减少30%左右,提高了风洞试验效率,缩短了试验周期;MDOE试验方法可以给出设计空间内任意给定自变量对应的响应值及其置信区间。

基于壁面压力分布的单边膨胀喷管反设计及试验验证

针对目前单边膨胀喷管(Single expansion ramp nozzle:SERN)设计方法的缺陷,提出了通过指定壁面压力分布规律来反设计喷管型线的方法,获得了膨胀面型线反设计程序。根据给定的最优壁面压力分布反设计了喷管型线,将该喷管与最大推力喷管进行了性能对比研究,并对该喷管进行缩比冷流试验,试验和数值模拟结果吻合很好。结果表明:在设计点,相比于最大推力喷管,该喷管的轴向推力系数比最大推力喷管只降低0.07%,而升力和俯仰力矩分别提升了23.08%和2.82%,验证了设计思想的正确性,为SERN的设计提供了一种高效而新的设计方法。

高层建筑中庭表面风压特性的试验研究

对中庭式高层建筑1:500的刚性模型进行了风洞试验。基于试验结果,对中庭内立面风压的特性进行了详细研究。结果表明,当立面不开洞时,顶部气流分离是中庭内立面风压形成的主要原因,中庭内立面风压分布较为均匀,水平相关性很高,竖直相关性也较高。立面开洞后,随着开洞率的增大,平均风压先减小后趋于稳定,脉动风压先减小后增大。针对中庭内立面风压的特点,对中庭内立面的抗风设计提出了建议公式,通过建议公式的预测结果和试验结果的对比,证明了该方法能用于类似工程设计。

尾部扩散器对某跑车气动性能的影响

以某跑车模型为研究对象,探讨尾部小型扩散器对于车身气动性能的影响。在初始模型的基础上,进行CFD(Computational Fluid Dynamics)数值模拟计算,并对比风洞试验数据,验证仿真的可靠性。对初始模型的扩散器进行改进设计,加大扩散器的工作区域,研究其对于气动力的影响,并将改进后的扩散器与带有仿生凹坑型非光滑扰流器结合起来,通过数值模拟方法,得出压力和速度等流场参数,比较不同形式的扩散器对于气动性能的改进效果,分析气动力改善的原因。结果表明:通过对扩散器与非光滑扰流器的优化组合,能有效地提高气动负升力,减小气动阻力,达到了调谐车辆气动升力与气动阻力之间的耦合关系的目的。

MDOE风洞试验方法研究

在介绍OFAT风洞试验方法和MDOE风洞试验方法概念的基础上,探讨研究了两种试验方法理念的本质区别;简述了MDOE风洞试验方法具体实施的三个过程;归纳分析了MDOE风洞试验方法的应用实例、效能评估和发展前景;意在为国内风洞试验领域科研人员拓展思路、创新方法提供参考。

低层建筑抗风设计方法比较与研究

土木工程设计中,最有影响和最易引起工程结构失败甚至破坏的首推风荷载.最近几年风灾严重,尤其是风灾导致的低层建筑损失更是惨重.而国际上发达国家的风荷载规范则在不断变化之中,尤其是对轻型钢结构的抗风设计.因此本文有必要对各国低层轻型钢结构抗风设计方法进行研究.本文分别对中国、日本、美国等国家关于抗风设计方法进行比较,并针对风压系数计算一个实例,最后与风洞试验结果进行对照,对中国抗风设计方法进行研究与探讨.

翼型测力天平的研制

为研究翼型结冰状态下的载荷变化规律,对翼型进行测力实验。研制一台三分量翼型测力天平。天平设计的突出难点为设计载荷极不匹配,阻力测量载荷很小。设计时,针对翼型载荷的特点,采用片梁组合方式测量阻力,四柱梁测量法向力及俯仰力矩,并采用有限元方法对结构进行了验证计算。主要介绍天平的设计、校准及应用情况。

高超声速风洞现代试验设计方法研究

现代试验设计(Modern Design of Experiments,MDOE)方法是提升风洞试验效率的一种重要技术途径。基于拉丁超立方的现代试验设计方法尽管理论效率很高,但其设计的随机采样点在与风洞模型姿态自动控制系统配合时,实际效率会显著下降。根据现有风洞试验设备控制系统走刀特点,针对多变量风洞试验设计需求,提出一种基于分层拉丁超立方的现代风洞试验设计方法,并将其应用于马赫数6的风洞模型的二变量试验和三变量试验设计。在满足精度的情况下,将MDOE方法与传统试验设计(One Factor at A Time,OFAT)方法进行对比,结果表明:二变量试验中,MDOE方法仅需OFAT方法 20%左右的样本量;三变量试验中,MDOE方法仅需OFAT方法 30%左右的样本量。与经典拉丁超立方试验设计方法相比,本文所发展的分层拉丁超立方试验设计方法结合现有风洞试验设备,可有效减少试验车次,提高试验效率,缩短试验周期。

跨声速风洞现代试验设计方法应用研究

针对单变量风洞试验方法存在试验结果表达不直观、试验效率低、忽略变量间交互作用等缺点,在2.4m×2.4m跨声速风洞开展了现代试验设计方法应用研究。分析了试验区间划分、数据量确定、数据点分布等试验设计重要环节,开展风洞试验获取了各试验点的气动系数,建立了试验数据的响应面模型,并通过查看额外试验点是否落入模型95%置信区间的方式评价了所建立模型的拟合精度。结果表明,本文提出的MDOE风洞试验方法仅需传统方法20%的数据量,吹风时间仅占传统方法的50%,同时在试验结果表达、更多响应值的提供、交互作用体现等方面更有优势。

评估飞控系统的风洞虚拟飞行试验系统与关键技术

为向开展具体的风洞虚拟飞行试验技术提供引导,针对应用于飞控系统评估的风洞虚拟飞行试验系统及关键技术进行了分析。基于传统意义上的飞控系统评估方法的不足,分析风洞虚拟飞行试验应用于飞控系统评估的优势;按飞控系统常用的姿态控制回路及制导控制回路的组成形式,介绍风洞虚拟飞行试验系统方案与工作原理,详细分析它与半实物仿真系统的差异;分析风洞虚拟飞行试验应用于飞控系统评估需解决的关键技术问题,包括风洞虚拟飞行试验评估方法、飞行器模型设计技术、飞控系统改进技术及模型支撑技术。

高速飞机总静压探头的气动设计、仿真和测试

阐述了高速飞机总静压探头的气动设计、CFD仿真、风洞测试、飞行校测。通过旋成体理论实现总静压探头补偿型面在设计阶段的快速调整,通过商用CFD软件得出静压误差的仿真。设计的总静压探头气动性能需要通过风洞测试的验证,并最终通过飞行校测验证其是否满足使用要求。

应用正交试验法冷却风机结构参数优化设计

强制通风冷却是电驱动式自卸车轮边驱动电机冷却的重要形式,需要设计专门的冷却风机和冷却风道,冷却风机的性能直接影响系统的正常工作;安装空间限制了冷却风机的尺寸,根据某车型的结构尺寸和冷却系统的结构特点,选用离心式冷却风机,对其结构参数进行设计和分析;基于计算流体力学仿真分析对影响风机性能的结构参数进行单因素分析,获得参数对气动性能的影响规律,获取主要的影响因素;基于正交试验法,对多因素组合对冷却风机性能的影响进行分析,获取最优组合,从而对冷却风机的结构参数进行优化。采用冷却风道对优化前后风机的性能进行对比分析;结果可知:优化后风机流量为4.36m~3/s,消耗的功率为34.2kW,比原始设计模型流量增加了19.8%,而功率只增加了16.3%;对优化模型的试验结果也说明风机的性能有了明显的提升,对风机的整体优化具有指导意义。