关键词:
七孔探针
插值方法
神经网络
数据处理
风洞试验
摘要:
多孔探针由于其在流场测量领域的多种优势,应用较为广泛,其中七孔探针相比于五孔探针可测量的角度范围更大,但是由于七孔探针的校准和插值更复杂、对校准试验设备要求更高,所以应用不够广泛。
为解决七孔探针插值复杂、校准难的问题以及研究七孔探针高精度插值方法,本文基于MATLAB编程,利用三维数值模拟与试验相结合的方式完成如下工作:
1.对七孔探针进行数值模拟,内区与外区角度全部采用俯仰角θ与方位角Φ,并对得到的模拟数据进行分区以及对模拟的待测点进行多项式插值以及线性插值验证,结果证明:数值模拟得到的数据理想、结果合理,内区使用俯仰角与方位角的角度定义也可以正常进行插值计算,线性插值角度误差在0.2°以内,多项式插值在部分点误差超过0.5°。
2.在采用俯仰角θ与方位角Φ的基础上,提出七孔探针双转台整环形校准方案与双转台及半圆形校准方案,成功搭建这两种试验台并完成探针的校准,这两种校准方案相比于现有方案可以降低校准试验的复杂度,降低对校准试验台的要求。对校准数据处理发现:两种校准方案得到的校准数据可靠,校准曲线顺滑且不存在坏点。
3.提出采用鲸鱼优化算法的神经网络模型对探针数据进行插值计算,并使用griddata函数、神经网络工具箱模型、BP神经网络模型以及采用鲸鱼优化算法的神经网络模型对Ma=0.3下的探针校准数据进行数据插值计算,结果证明:两种线性插值方法在七孔探针领域表现较好,俯仰角误差以及方位角误差均稳定在0.3°以内;优化后的两种神经网络插值误差在0.3°以内,在绝大部分点,其精度优于线性插值。使用线性插值与优化神经网络插值对待测点总静压进行计算,结果发现:线性插值总压误差在1%以内,优化后的神经网络总压误差也在1%以内,但是比线性插值总压误差更低,马赫数误差在0.001以内。两种方法均可以用作七孔探针总压、静压以及马赫数的插值。
4.在俯仰角间隔为4°时,采用不同方位角间隔(4°与6°)对七孔探针进行校准,探究方位角间隔对角度插值的影响,结果发现:对同一个待测点数据进行插值时,无论是使用线性插值还是优化神经网络插值,角度误差均在0.2°以内。在不同马赫数下对七孔探针进行校准,结果发现:随马赫数由Ma=0.1提高至Ma=0.35,校准曲线变得更加顺滑,且俯仰角插值误差降低0.2°左右,方位角插值误差降低0.1°左右。
5.分别使用五孔探针与七孔探针对某叶栅进行三个攻角下的尾迹测量,结果发现:对于同一组七孔探针测量得到的压力数据,使用线性插值进行角度以及总静压的计算与使用优化神经网络进行角度以及总静压的计算得到的结果高度一致,证明优化神经网络插值方法的可行性。对比七孔探针与五孔探针线性插值计算得到的总压损失系数以及角度可以发现,两者的总压损失云图趋势一致,但在迎角方向,五孔探针最大测试角度为30°,该叶栅存在迎角超过30°的测试点,五孔探针无法准确测量此区域,但是七孔探针最大测试角度超过55°,可以进行该区域的测量,证明七孔探针在角度测量领域的优越性。