， ，

(1.中國船舶科學(xué)研究中心，無錫 214082；2.上海交通大學(xué) 海洋工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200240；3.上海交通大學(xué) 高新船舶與深海開發(fā)裝備協(xié)同創(chuàng)新中心，上海 200240)

0 引言

模型風(fēng)載荷測量實(shí)驗(yàn)作為風(fēng)洞的一項(xiàng)基本實(shí)驗(yàn)類型[1-2]，也是上海交通大學(xué)多功能風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室在船海領(lǐng)域一項(xiàng)最為基本的業(yè)務(wù)。為了得到不同工況(風(fēng)向角、風(fēng)速等)準(zhǔn)確可靠的風(fēng)載荷系數(shù)，該類型實(shí)驗(yàn)需要綜合考慮天平零漂、環(huán)境溫濕度變化、空氣密度變化、風(fēng)速波動等各種因素的影響。

目前實(shí)驗(yàn)室該類型的實(shí)驗(yàn)測量，還處于一個(gè)較低的水平。無專門的測量軟硬件系統(tǒng)可用；測量中手工介入頻度較高，自動化程度偏低；實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)無法在線處理顯示，出現(xiàn)的問題難以現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)。以致該類型實(shí)驗(yàn)測量效率明顯偏低，耗時(shí)較長，可靠性不高；當(dāng)前的實(shí)驗(yàn)測量系統(tǒng)及測量方式，已經(jīng)不能滿足將來風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)測量的需求。

在風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)測量研究方面，國內(nèi)外雖有不少研究工作值得參考，如實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)聯(lián)網(wǎng)及數(shù)據(jù)庫開發(fā)[3]、通用數(shù)據(jù)處理技術(shù)[4]、天平技術(shù)等等[5-7]。但作為面向?qū)嶋H測量應(yīng)用的相對偏少，特別是鮮有具體數(shù)據(jù)處理方法、測控軟件可以直接借鑒或應(yīng)用。

在此背景下，本文將圍繞以上這些問題展開相關(guān)的應(yīng)用開發(fā)工作。設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)測量系統(tǒng)軟硬件方案，完成多傳感器數(shù)據(jù)采集，進(jìn)行數(shù)據(jù)融合得到最終結(jié)果；尋求合適的數(shù)據(jù)處理方法，探討各因素對試驗(yàn)測量結(jié)果的影響，提高測量精度；在此基礎(chǔ)上開發(fā)在線、集成的風(fēng)載荷測量試驗(yàn)軟硬件系統(tǒng)，以盡量減小測量中手動介入頻度，大幅提高測量效率，保證測量精度。具體工作主要包括三方面：A組建風(fēng)載荷、環(huán)境參數(shù)、風(fēng)速測量硬件系統(tǒng)，B開發(fā)在線集成的數(shù)據(jù)采集處理程序，C 分析各相關(guān)因素影響。

本文工作的展開，將解決當(dāng)前風(fēng)載荷測量實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)實(shí)需求。同時(shí)本文將所編寫的測量程序共享[8]，以期為其它風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)測量開發(fā)工作提供有益參考。

1 風(fēng)載荷實(shí)驗(yàn)測量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

風(fēng)洞模型風(fēng)載荷實(shí)驗(yàn)最終要得出一組不同工況的無因次風(fēng)載荷(力及力矩)系數(shù)CF(α),CM(α)，即：

(1)

式中，F(xiàn),M為作用在模型上的力及力矩，α為風(fēng)向角(0～360°)，可通過風(fēng)洞轉(zhuǎn)盤調(diào)整，v為風(fēng)速，S為模型特征面積，L為特征長度，ρ為測量工況下空氣的密度。

由于風(fēng)洞的控制精度及風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)特點(diǎn)，風(fēng)速并不是嚴(yán)格等于設(shè)定值，空氣密度也會因溫濕度變化而變動[9]。為了提高試驗(yàn)測量精度，需要實(shí)時(shí)記錄每一工況時(shí)的環(huán)境參數(shù)以確定空氣密度，同時(shí)實(shí)時(shí)測量風(fēng)洞風(fēng)速作為實(shí)際風(fēng)速。

空氣密度作為一個(gè)重要的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，其無法直接測量，本文采用理想氣體狀態(tài)方程間接確定。

綜合各因素后，本文設(shè)計(jì)了風(fēng)載荷實(shí)驗(yàn)測量系統(tǒng)方案，如圖1所示，整個(gè)系統(tǒng)包括硬件和軟件兩部分。其中系統(tǒng)硬件包括三個(gè)基本部分：A風(fēng)載荷測量，由測力天平、應(yīng)變儀(可選)和數(shù)據(jù)采集卡組成，B環(huán)境參數(shù)測量，用以間接確定空氣密度，由氣壓計(jì)和溫濕度傳感器組成，其中大氣壓因變化極緩慢只記錄一次即可，溫濕度則每工況實(shí)時(shí)記錄，C風(fēng)速測量，包括畢托管、微壓計(jì)和數(shù)據(jù)采集卡。

而實(shí)驗(yàn)測量程序，為滿足實(shí)驗(yàn)的需求，應(yīng)具有如下基本功能：

1)風(fēng)載荷實(shí)時(shí)測量、在線顯示。

2)溫濕度實(shí)時(shí)采集和密度計(jì)算。

3)風(fēng)速實(shí)時(shí)采集計(jì)算。

4)數(shù)據(jù)在線處理、顯示與記錄。

5)測量結(jié)果自動生成與輸出(Excel多頁表形式)。

6)良好的擴(kuò)展性，以兼容不同的儀器設(shè)備。

圖1 風(fēng)載荷實(shí)驗(yàn)測量系統(tǒng)方案

1.1 風(fēng)載荷測量部件

該部分是整個(gè)測量系統(tǒng)的核心部分，由測力天平、應(yīng)變儀(可選)、數(shù)據(jù)采集卡組成，最后由測控程序完成風(fēng)載荷的在線測量。

數(shù)據(jù)采集卡采用康泰克多功能AD數(shù)據(jù)采集卡，其主要能參數(shù)為，型號ADA16-8(LPCI)，8通道，16位采樣，量程-10～10 V，最高采樣率100 kHz。

圖2 數(shù)據(jù)采集卡和測力天平

測力天平采用六分量集成式天平，型號Sunrise SRI M3816BH，精度0.5%F.S.，其直接輸出六個(gè)電壓信號。本文中天平的六個(gè)輸出信號依次接入采集卡的前六個(gè)通道。該天平也可直接用其它天平替換，只需將天平系數(shù)替換進(jìn)測量程序即可。

1.2 環(huán)境參數(shù)測量部件

該部分用于實(shí)時(shí)確定空氣的密度。綜合考慮信號傳輸距離及風(fēng)洞電磁干擾后， 本文采用數(shù)字量傳感器，其可以有效地降低電磁干擾且傳輸距離可保證數(shù)百米。

氣壓計(jì)和溫濕度傳感器采用RS485通訊型數(shù)字傳感器，其具體參數(shù)如表1所示。

表1 傳感器參數(shù)

圖3 溫濕度及大氣壓傳感器

對于大氣壓，因其變化及其緩慢，本文中大氣壓力也可由外部高精密儀表讀取手動輸入。

1.3 風(fēng)速測量部件

采用畢托管、電子微壓計(jì)結(jié)合數(shù)據(jù)采集卡實(shí)現(xiàn)風(fēng)洞實(shí)時(shí)風(fēng)速的測量。其中，微壓計(jì)量程400 Pa，模擬電壓信號10 V輸出，精度0.5%F.S.，本文將其接入采集卡的第七通道；畢托管采用L型兩孔畢托管并將其置于風(fēng)洞中。

在使用之前，相關(guān)儀器需要進(jìn)行系數(shù)標(biāo)定，并將其置入測量程序。

2 數(shù)據(jù)處理及方法

當(dāng)考慮到天平零漂、模型自重干擾影響后，模型有效的風(fēng)載荷F(α)可表示為：

F(α)=F0(α)-Fz(α)-Fw(α)

(2)

其中：F0為未經(jīng)修正的風(fēng)載荷，F(xiàn)z為天平零漂值，F(xiàn)w為模型自重干擾量。

每一測量工況的零漂值Fz(α)，本文中以線性變化原則確定，即：

(3)

其中：Z為實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)的零漂值，i為測量工況序號，N為測量工況數(shù)目。

風(fēng)載荷測量試驗(yàn)中，由于模型自重的存在，如果轉(zhuǎn)盤不完全水平的話，模型的自重會以干擾分量的形式作用于風(fēng)載荷測量結(jié)果中，特別是當(dāng)模型自重很大的時(shí)候，其影響必須考慮。

正式實(shí)驗(yàn)前，針對每一角度從零度開始進(jìn)行自重干擾分量測量，測得的干擾量記作Fw(α)。

而實(shí)驗(yàn)中其它的數(shù)據(jù)處理換算方法分別如下，將這些數(shù)據(jù)代入公式(1)中即可得到最終的風(fēng)載荷系數(shù)。

2.1 風(fēng)載荷計(jì)算方法

測量天平輸出的為電壓信號，其和載荷F0的換算關(guān)系如下：

F0=KU(U-U0)

(4)

其中：KU為傳感器標(biāo)定系數(shù)矩陣，U為信號電壓(均值)，U0為無載荷時(shí)電壓零點(diǎn)(均值)。

2.2 空氣密度的確定

根據(jù)氣體狀態(tài)方程，每一工況時(shí)風(fēng)洞內(nèi)空氣密度可根據(jù)氣壓和溫濕度確定：

(5)

其中：Pd,Pv分別為空氣和水蒸氣壓力，Md,Mv為其摩爾質(zhì)量，Md= 0.028 964,Mv=0.018 016 kg/mol，R為氣體常數(shù) 8.314 J/(K·mol)，TK為凱氏溫度，而水蒸氣壓力采用如下經(jīng)驗(yàn)公式：

其中：α為濕度，T為攝氏度氣溫。

2.3 風(fēng)速計(jì)算方法

采用畢托管、電子微壓計(jì)結(jié)合數(shù)據(jù)采集卡實(shí)現(xiàn)風(fēng)洞實(shí)時(shí)風(fēng)速的測量；每一工況的風(fēng)速由下式進(jìn)行計(jì)算：

ΔP=kU(U-U0)

(6)

式中，ΔP為風(fēng)速壓力，U為微壓計(jì)輸出的電壓信號，U0為信號零點(diǎn)電壓；kU為微壓計(jì)系數(shù)，kP為畢托管系數(shù)，而整體風(fēng)速換算系數(shù)為kV=(kU/kp)0.5。

2.4 低通濾波器的處理

本文采用butterworth數(shù)字濾波器[10]，其濾波方程可以寫為代數(shù)階乘形式：

(7)

式中，x(i)為輸入數(shù)據(jù)，也即天平輸出的原始電壓信號，y(i)為輸出，ak,bk為濾波器系數(shù)。

3 實(shí)驗(yàn)測量程序開發(fā)

由于無商用軟件可采用，本文自行編寫測量程序，各儀器設(shè)備的系數(shù)已作為默認(rèn)參數(shù)直接內(nèi)置于主程序中，同時(shí)也預(yù)留了設(shè)置接口于特殊情況下進(jìn)行手動更改[8]。全部程序采用C語言編寫，可運(yùn)行于win98～win8系統(tǒng)，程序界面如圖4所示。

圖4 實(shí)驗(yàn)測量程序

為了以后擴(kuò)展兼容的需要，本文中測量程序由兩個(gè)獨(dú)立部分組成，即主程序、溫濕度和大氣壓采集；兩部分程序啟動后完成各自的功能，且自動通訊互聯(lián)，無需再手動介入。測量中如溫濕度等數(shù)據(jù)失聯(lián)，程序會自動警示，此時(shí)可以手動輸入這方面數(shù)據(jù)以繼續(xù)進(jìn)行試驗(yàn)。

在進(jìn)行測量前，需要先在程序中進(jìn)行零點(diǎn)采集；實(shí)驗(yàn)最后，建議進(jìn)行零漂采集，以便程序后臺進(jìn)行零漂處理。程序內(nèi)部已實(shí)現(xiàn)風(fēng)載荷測量結(jié)果的自動處理，以Excel文件多頁表形式保存數(shù)據(jù)文件。

實(shí)驗(yàn)測量完成后，程序自動處理數(shù)據(jù)并輸出風(fēng)載荷結(jié)果，共包括4組結(jié)果，即：

1)原始風(fēng)載荷測量結(jié)果。

2) 經(jīng)零漂修正結(jié)果。

3) 模型自重分量修正結(jié)果。

4) 零漂及模型自重分量修正結(jié)果。

4 實(shí)驗(yàn)測量案例與分析

本文中，實(shí)驗(yàn)測量對象為一海工船模型，船模長約L=～1.0 m，主船體完全對稱，上層模塊左右存在不對稱現(xiàn)象，故進(jìn)行0～360°測量，間隔15°。實(shí)驗(yàn)在邊界層風(fēng)場中進(jìn)行，風(fēng)洞設(shè)定風(fēng)速v=18 m/s,大氣壓為100.04 KPa。其中每一測量工況采樣時(shí)長大于30秒，采樣率500 Hz。力的方向如圖1所示，F(xiàn)x指向模型首向，F(xiàn)y指向左側(cè)，轉(zhuǎn)首力矩Mz以右手向上為正。

下面給出具體的測量結(jié)果，并在此基礎(chǔ)上分析各種因素對于模型風(fēng)載荷測量結(jié)果的影響。

圖5 風(fēng)載荷實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

4.1 測量結(jié)果

未進(jìn)行任何處理的風(fēng)載荷結(jié)果如表2及圖6所示，其中最大值Fx=3.9 N，F(xiàn)y=8.6 N，Mz=0.47 N·m。

圖6 風(fēng)載荷測量結(jié)果(原始數(shù)據(jù))

4.2 零漂影響

測量結(jié)果顯示，最后測得的天平零漂值分別為0.03 N, 0.05 N, 0.002 N·m，相對于測量最大值約為0.75%, 0.58%, 0.43%，其對風(fēng)載荷結(jié)果也有一定程度影響，應(yīng)該對其修正。

4.3 溫濕度及密度變化

整個(gè)實(shí)驗(yàn)中溫濕度變化及空氣密度變化如下圖所示，其橫坐標(biāo)為工況序號。結(jié)果顯示溫度升高5 ℃，濕度減小9%，而對應(yīng)的空氣密度則由1.092降低至1.076 kg/m3，減小幅度達(dá)1.5%，其足以對風(fēng)載荷系數(shù)造成一定的影響，計(jì)算時(shí)必須采用每一工況的實(shí)時(shí)密度值。

4.4 風(fēng)速的波動

整個(gè)實(shí)驗(yàn)中風(fēng)速的變化情況如下圖所示，變化幅度介于17.956～18.022 m/s之間，變化幅度約0.37%，由誤差分析知其對風(fēng)載荷系數(shù)的影響約0.74%，有一定程度的影響。也應(yīng)采用每一工況的風(fēng)速進(jìn)行風(fēng)載荷系數(shù)計(jì)算。

4.5 重干擾測量

由于模型的自重比較大，40 N左右，且風(fēng)洞轉(zhuǎn)盤并不是完全水平，實(shí)驗(yàn)之前先進(jìn)行自重干擾分量的測量，不同角度時(shí)結(jié)果如圖9所示。

結(jié)果表明，模型自重會因轉(zhuǎn)盤軸傾斜而產(chǎn)生一個(gè)不小的分量作用于天平上，X,Y,Mz方向分量最大約0.13 N, 0.15 N, 0.000 32 N·m，相當(dāng)于測量結(jié)果的3.1%,1.7%,0.07%?？梢姙楸ＷC測量精度，模型自重的干擾不可忽略。

表2 模型風(fēng)載荷測量結(jié)果(原始數(shù)據(jù))

圖7 溫濕度及空氣密度變化曲線

圖8 風(fēng)速變化曲線

圖9 模型自重干擾量隨角度變化曲線

4.6 濾波器的作用

為探討信號噪聲(濾波器)對測量結(jié)果的影響，選取30度風(fēng)向角時(shí)的0通道電壓數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波對比分析，圖中曲線為原始數(shù)據(jù)，中間曲線為濾波后數(shù)據(jù)。原始數(shù)據(jù)采樣率500 Hz，濾波器分別取低通1.0、10.0、50、100 Hz，其最終的均值結(jié)果分別如下所示。

圖10 天平信號曲線(30°角，0通道，1 Hz)

表3 濾波器對均值結(jié)果的影響

可見濾波處理對最終均值基本無影響，可以忽略濾波作用。據(jù)此可以認(rèn)為，風(fēng)載荷模型測量實(shí)驗(yàn)可以不進(jìn)行濾波處理，直接對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行均值處理即可。

4.7 風(fēng)載荷系數(shù)

綜合考慮個(gè)影響后，采用公式(1)和風(fēng)洞實(shí)際風(fēng)速計(jì)算各無因次風(fēng)載荷系數(shù)，結(jié)果如表4所示。

表4 風(fēng)載荷系數(shù)

結(jié)果顯示，0與360度兩個(gè)重疊工況的系數(shù)仍有細(xì)微差別，初步估計(jì)為其它小量誤差的影響，但絕對值很小，基本可以忽略不計(jì)。

5 結(jié)語

本文的工作解決了實(shí)驗(yàn)室風(fēng)載荷實(shí)驗(yàn)測量的相關(guān)技術(shù)問題，根據(jù)前期研究組建了較為完整的實(shí)驗(yàn)測量軟硬件系統(tǒng)，給出了完整一套的數(shù)據(jù)處理方法，在此基礎(chǔ)上開發(fā)了集成化的測量程序，并成功應(yīng)用于實(shí)際測量。該系統(tǒng)可大幅提高實(shí)驗(yàn)測量效率，可靠性也因避免了實(shí)驗(yàn)中手工介入問題而提高。通過具體模型風(fēng)載荷實(shí)驗(yàn)探討了各相關(guān)因素對于測量結(jié)果的影響，結(jié)果表明：

1)實(shí)際風(fēng)速有小幅波動，幅度約0.37%，對于測量結(jié)果的影響約為0.74%，計(jì)算風(fēng)載荷系數(shù)時(shí)應(yīng)采用實(shí)際風(fēng)速。

2)空氣密度在一組實(shí)驗(yàn)中，變化最大為1.5%，其影響不能忽略，故計(jì)算風(fēng)載荷系數(shù)時(shí)需用每一工況時(shí)的空氣密度。

3)模型自重會因轉(zhuǎn)盤不水平而對風(fēng)載荷產(chǎn)生干擾分量，特別是自重較大時(shí)，其影響必須考慮。

4)通過對測量信號進(jìn)行濾波處理，結(jié)果表明信號噪聲對于風(fēng)載荷均值幾乎無影響，濾波器對于風(fēng)載荷實(shí)驗(yàn)沒有必要。

為保證實(shí)驗(yàn)精度，以上這些相關(guān)影響因素應(yīng)充分考慮。同時(shí)為促進(jìn)測控技術(shù)交流，本文開發(fā)的軟件已全部作為共享軟件公開[8]。