风洞试验中位移测量新技术

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1、风洞试验中的位移测量新技术摘要：风洞试验结果作为飞机设计的原始输入依据，其准确程度对最后的设计有着非常重要的影响。现代飞机设计越来越强调设计的精确、精细和精准，这就要求风洞试验与之对应。在现有的风洞试验中，涉及到模型姿态和位移测量的项目越来越多，模型受载后的变形量也被用来作为数据修正的重要依据，因此风洞试验中的位移精确测量技术为各国风洞普遍采用。本文从飞机设计的角度出发，通过分析风洞试验中位移测量的必要性和重要意义，进而引出一种基于图像测量的Optotrak?精确位移测量技术，并介绍了该技术在风洞试验中的应用。.引言飞机设计离不开风洞试验，飞机设计中的许多输入条件，比如原始气动力

2、，载荷分布，焦点位置等都是来自风洞试验结果。因此，风洞试验结果的准确性直接影响飞机设计的准确性。随着技术的进步和市场的竞争日趋激烈，飞机设计越来越朝着精细化方向发展，反映在设计叠代的次数逐渐减少，设计的功效不断提高，过去要花10年才能完成的设计，现在3～4年就可以完成，这就要求所有的输入条件必须是准确可靠的。飞机设计中各个专业是互为输入输出条件的，气动为载荷的设计依据，载荷为强度的设计依据，强度为结构的设计依据，所以气动数据是整个飞机设计的基础。当前飞机设计对风洞试验的要求越来越高，风洞试验越来越精细化。风洞试验精细化要求体现在对风洞试验中产生误差的各个环节进行优化，提高测试手段

3、和测量精度，减小测量误差。在风洞试验的各个环节中，人们往往只是注意到提高模型的加工质量，传感器的精度，采集系统的精度和响应，以及流场的均匀性和稳定性，却忽略了模型位移的测量。本文从飞机设计的角度出发，通过分析风洞试验中位移测量的必要性和重要意义，进而引出一种基于图像测量的新型位移测量技术在风洞试验中的应用。1模型位移测量在风洞试验中的必要性在讨论模型位移测量之前，首先要澄清一个问题，作为飞机设计方，他无须也无法通过风洞试验得到与真实飞行完全一致的气动力。这是因为，（一）飞机设计方在初始设计阶段对构型无法准确的定义。飞机的构型除了首先要满足气动力的要求外，还要与系统、重量进行协调，

4、构型的更改在整个设计阶段都或多或少存在，因此在不同阶段进行的风洞试验，模型构型上存在差异。（二）即使飞机构型最终确定，飞机甚至已经定型交付，设计师依然很难给出一个所需气动力的准确构型。特别是对于大展弦比飞机，机翼受气动载荷和机动载荷的作用会产生弹性变形（图1），这种变形受飞机重量，飞行高度，重心位置，飞行速度等许多因素的影响，有非常大的不确定性。基于上述两点，通常飞机设计采用基本构型气动力加上气动弹性修正的方法来确定飞机在不同飞行条件下的气动力。所谓基本构型就是选择一种可以准确定义的飞机构型作为飞机风洞试验的基本外形，通常采用1g外形或者是型架外形。在风洞试验时，假设试验模型是绝

5、对刚性的物体，这样得到的气动力就是飞机基本构型气动力，然后在通过弹性修正，就可以得到所需要的气动力。图1不同飞行条件下的定常翼尖偏转可见在采用缩比模型进行风洞模拟试验时，保证模型的绝对刚性是非常重要的，但是往往在试验时这一点很难做到。尤其是遇到大展弦比或超大展弦比飞机，模型的翼载荷较大，而且机翼压心距离模型机身对称面的距离也较大，容易造成较大的机翼弯矩，甚至是扭矩（对于后掠机翼），机翼产生较明显的变形。这种变形会使得模型机翼的上反角和扭转角发生变化，造成机翼环量分布发生改变。需要指出的是，这种变化既与真实飞机的弹性变形不一致（没有进行惯量模拟），又与基本构型不一致，所以是一种“中

6、间”状态的结果（图2）。这种变形在模型设计和制造中是无法避免的。http://www.81tech.com/除此之外，对于一些采用内式天平尾撑的试验，也有一点是容易被忽视的。那就是模型受载时的姿态与零载时的一致性问题，特别是对于大攻角试验，往往在扣除天平初始值时做不到一致，造成试验误差。其原因也是由于模型（包括天平和支杆）变形所造成的。这就给风洞提出了一个课题，如何从试验结果中剔除这种由于模型变形带来的影响。图2大展弦比飞机模型在风洞试验时的典型变形就第一个问题而言，通常对于飞机设计方来讲，这种定常变形所带来的气动力增量可以通过CFD校正的方法来得到，但是前提条件是必须要了解模型

7、的准确变形程度。因此未来的风洞客户除了要求进行气动力、气动力矩和压力分布的测量外，很大程度上还会要求风洞提供准确的模型变形测量，以解决CFD校正所要的输入条件。第二个问题是需要风洞自身加以提高的，其解决的手段主要也是靠模型变形的测量，许多风洞采用实时角测量技术就是解决该问题的较好方法。2风洞技术对模型位移测量的要求前面是从客户对风洞要求的角度来阐述模型位移测量的必要性，也可以认为是对现有风洞试验技术向精细化发展的更高要求。那么就风洞试验本身而言，有许多试验技术本身就要求对模型进行