CC BY
19УДК 004.67, 533.6.071.4
ПРИМЕНЕНИЕ СИСТЕМЫ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО СБОРА ДАННЫХ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ДАВЛЕНИЯ В ГИПЕРЗВУКОВОЙ АЭРОДИНАМИЧЕСКОЙ ТРУБЕ Т-326 Запрягаев Валерий Иванович
Д.т.н., зав. лабораторией «Экспериментальная аэрогазодинамика», e-mail: zapr@itam.nsc.ru
Кавун Иван Николаевич Научный сотрудник, e-mail: i k@list.ru Певзнер Анна Самуиловна Ведущий программист, e-mail: pevzner@itam .nsc.ru Тютин Алексей Алексеевич Начальник установки, Яковлева Наталия Васильевна Старший инженер, e-mail: natali@itam.nsc.ru Институт теоретической и прикладной механики им. С.А. Христиановича СО РАН, 630090, Новосибирск, ул. Институтская, 4/1
Аннотация. В статье описана система автоматизированного сбора данных и методика проведения эксперимента по исследованию распределения параметров потока в рабочей части гиперзвуковой аэродинамической трубы Т-326 ИТПМ СО РАН. С помощью координатного устройства специально изготовленные гребенки насадков полного давления перемещались по трем координатам. По измеренным данным вычислены распределения чисел Маха 6 и 8. Выполненная трёхмерная интерполяция измеренных параметров позволила получить детальное пространственное распределение числа Маха в рабочей части трубы. Ключевые слова: автоматизация эксперимента, системы сбора данных, аэродинамические установки, распределение параметров потока
Введение. Аэродинамические трубы используются главным образом для физического моделирования обтекания планера летательного аппарата, а также ряда других сопутствующих задач. Основными характеристиками труб являются диапазоны чисел Маха и Рейнольдса, в которых возможно проведение эксперимента. Кроме того, важнейшими параметрами с точки зрения качества потока являются средние значения параметра (числа Маха, Рейнольдса, температуры торможения потока), степень пространственной неоднородности и уровень временных пульсаций параметра в зоне установки модели [4, 9].
Система автоматизированного сбора данных гиперзвуковой аэродинамической трубы Т-326 состоит из следующих компонент:
• АРМ инженера-исследователя (подсистема сбора данных медленноменяющихся процессов с передачей на пульт оператору, рис. 1);
• подсистема сбора данных быстропротекающих процессов;
• подсистема сбора видеоинформации;
• подсистема синхронизации.
Подсистема сбора данных медленноменяющихся процессов предназначена для автоматизации калибровок датчиков и сбора экспериментальных данных; контроля измерений в течение эксперимента, а также для обеспечения хранения данных в БД «Архив экспериментальных данных». Система сбора данных Т-326 (рис. 1) содержит стандартные устройства (мультиметры Agilent HP34970A, модули ADAM) и уникальное оборудование (устройства перемещения, счетчики). При установке на Т-326 струйного модуля используется координатник ПУАК (разработка фирмы «Элир»), который позволяет перемещаться по углу и по радиусу с заданными шагами. Трехмерный координатник (XYZ-координатник) используется для изучения структуры течения струи путем трехмерного перемещения зонда по заданной программе [5, 6]. Передача выбранных параметров на пульт управления Т-326 производится по интерфейсу RS-232.
Комплекс предоставляет возможность выбора и оперативной настройки аппаратных и программных средств путем построения технологической карты для проведения конкретного эксперимента [2, 3]. Данная подсистема позволяет использовать до 200 измерительных и/или вычислительных каналов. Измерительный канал определяется датчиком и устройством оцифровки и отображается строкой таблицы. Информация о датчике и его калибровке берется из БД «Датчики и калибровки». Устройство оцифровки выбирается из
ElherS'el
Система управления и сбора данных Т-326
XYZ координатник
5
а
ипдц
RS-232, GPIB
HP 34970А
HP 34970А
HP 34970А
PO
(^Альфа-механизм
Счетчики
RS-232
ADAM 4520
RS-IS5
ADAM 4018
ADAM 4018
J-
48 *3=144 канала Датчики параметров потока, Датчики пользовательские
"л_Г
то
I Метран!
Р0
С
i| ' резерв
0 0,
1
Advantech 1710 HG E-140
+ыультиплексор
ЭВМ
устройства перемещения устройства оцифровки [ ] датчики
Рис. 1. Структура системы сбора медленноменяющихся данных и управления
соответствующего справочника. В зависимости от поставленной задачи в качестве устройства оцифровки используются мультиметры Agilent НР-34970А, модули ADAM и аналогичные им модули разработки КТИ ВТ, плата и мультиплексоры фирмы "Advantech", модуль "L-Card". Вычислительные каналы определяются специальной формулой или
библиотечной подпрограммой, позволяют следить за вычисленным параметром в ходе эксперимента.
Подсистемы сбора данных быстропротекающих процессов и сбора видеоинформации используют стандартное аппаратное и программное обеспечение. Подсистема синхронизации, разработанная на базе модуля Е14-140 ЬСагё [1], позволяет запускать сбор данных от любой из подсистем.
Гиперзвуковая аэродинамическая труба Т-326 — гиперзвуковая аэродинамическая труба (АДТ) периодического действия незамкнутого типа, предназначена для исследования газодинамических параметров и характеристик теплообмена при взаимодействии сверхзвукового потока с моделью летательного аппарата.
Для создания рабочего потока АДТ оборудована двумя профилированными осесимметричными соплами с диаметром выходного сечения 0.2 м. Сжатый воздух из баллонов с давлением до 10 МПа поступает в омический подогреватель трубы, где нагревается до необходимой температуры. Для создания разрежения в рабочем канале труба оборудована перфорированным эжектором.
Рабочая часть трубы представляет собой камеру Эйфеля и оснащена системой ввода модели в поток и альфа-механизмом. В стенках рабочей части имеются оптические окна для визуализации обтекания моделей различными методами и проведения фото и видеорегистрации.
Методика исследования распределения числа Маха. Распределение чисел Маха в рабочей части аэродинамической трубы определялось путём измерения полного давления за прямым скачком уплотнения р0' посредством гребёнки насадков полного давления, показанной на рис. 2. Гребёнка состоит из 21 насадка (внешний диаметр 1.75 мм, внутренний диаметр 1.25-1.3 мм, длина насадка 20 мм, расстояние между центрами насадков 10 мм) и крепится вертикально, причём одиннадцатый насадок расположен на оси сопла (у = 0), первый насадок вверху. Измерение давлений осуществлялось тензомодулями абсолютного давления производства НПК "Технологический центр" ТДМ-А с диапазоном измерения 1.6 ата.
Однократные измерения производились в 18 сечениях, расположенных через 10 мм по оси х, на расстоянии от 30 мм до 200 мм от среза сопла, (от -60 мм до 110 мм от условного нуля по координате х). Нуль координат у и 2 находился на оси сопла. Направления координат: х - положительное направление от сопла к диффузору, у - положительное направление снизу вверх, г - положительное направление влево, если смотреть по потоку. Все линейные размеры далее приводятся в миллиметрах, скорость перемещения в относительных единицах.
При запуске трубы гребёнка располагалась вне потока в точке (-60; 0; 103) и при установлении режима движением трёхосевого координатника перемещалась в начальное положение с координатами (-60; 0; 100). Дальнейшее движение осуществлялось по оси г от 100 мм до -80 мм через 10 мм, затем переход в следующее по х положение и проход по 2 от -80 мм до 100 мм через 10 мм и так далее до исчерпания всех заданных значений х (рис.2). Скорость движения координатника во время эксперимента: ух = 100, уу = 20, у2 = 100. Таким образом, измерения проводились в объёме х [-60 +110], у [-100, +100], г [-80, +100] через 10 мм по всем координатам. Время прохода по всем точкам около 22 минут.
Полное давление потока р0 в это же время измерялось в форкамере установки датчиком Метран-150-ТАЗ с диапазоном измерения 25 ата. В результате измерений получен файл данных, в котором каждому значению полного давления, измеренному трубкой Пито р0', соответствует своё значение полного давления p0 в форкамере аэродинамической трубы.
; шдии» \\DeS\T3X\20I4\U\2S<l\Lm
Ш
|Т0 |Т1 |РЫ |Р0 |РЫг |pl
19 00000 «45000 4 6:470 16 80000 17 «0000 -0 3^000 4W220 1! 50000 11)0000
49.14669 60 09556
391330 1 7671)
1170000 1150000
-061000 6w;co
■0 47000 10.50900
3.63880 1.И776
3 75413 144628
Hftwm |«<ММ Л47«Л 1Л4А4ЛЛ )7«Л7 1 JAJU
109379 0 S334S •1Л7П4 Л 1*771
ж101*1
И
Ö
1.26064
51.39852 57.51691 58.26380 59.54387 582534 0)761) 1 18006 2 170)9 -001244 0(4927 2.1210$ 1 03094 'l А417Ф
0 90610
0 98172
1 54920 1 14493
I.21046 011172
2.10625
flft77Vl lftrt«7 t?WH ftUlU
„ujd
p 5
г F(pl) У
г, 10 »
Г;
п ТО
г ТО
п -
г ТО
г то
п то »
min max
X -60 110
Y -100 100
Z -80 100
Рис. 2. Структура плана перемещения и гребёнка насадков полного давления
Число Маха в каждой точке пространства рабочей части вычислялось по формуле Рэлея
1 к
" к +1 2кМ2 - (к -1)
итерационным методом Ньютона решения нелинейных уравнений. В формуле Рэлея к -показатель адиабаты воздуха, к = 1.4, М - вычисляемое число Маха.
Результаты исследования. Результатом работы системы сбора данных является файл, содержащий измеренные значения параметров потока, датчиков гребенки и значения координат х и 2. Координата у измеряемой точки определялась по положению соответствующего насадка на гребенке, поэтому первым этапом обработки было преобразование файла протокола к файлу, где все три координаты заданы явно. Затем была выполнена трёхмерная интерполяция полученных данных.
На рис. 3 представлены результаты исследования поля чисел Маха (М» = 6) в рабочей части трубы Т-326. После интерполирования общее количество точек известных значений числа Маха в области увеличилось с 19 х 21 х 18 = 7182 до 91 х 101 х 81 = 744471 (более чем в 100 раз).
К-1
(k + 1)M2 2 + (k -1)M2
k-1
P 0
= 0
Полученные данные позволили определить допустимую зону установки моделей в рабочей части трубы - это цилиндрическая область диаметром 100 мм, расположенная вдоль оси сопла (на рисунке 3 ограничена чёрными линиями). Видна сложная структура, обусловленная наличием сопловых скачков и их взаимодействием друг с другом.
Рис. 3. Поле числа Маха в сечениях: а - продольное сечение 2 = 0, экспериментальные данные, б - результаты интерполяции; в - поперечное сечение х = 0, экспериментальные данные, г - результаты интерполяции; чёрными линиями ограничена область установки
моделей
На рис. 4 показано распределение чисел Маха в сечении х = 0 вдоль вертикальной (обозначено цифрой 1) и горизонтальной (обозначено цифрой 2) координатных линий в области установки модели. Точками обозначены результаты эксперимента, линиями -данные интерполяции.
По результатам проведённого эксперимента установлено, что среднее значение числа Маха в рабочей части трубы в зоне установки моделей составляет Mда = 6.026 при среднеквадратичном отклонении MRMS = 0.016 (0.2 % от среднего значения). Более детальная
зависимость среднего числа Маха в поперечном сечении от продольной координаты представлена на рис. 4. Чёрными кружками показаны средние значения, среднеквадратичные отклонения числа Маха в сечении от своего среднего значения - в виде дорожки разбросов.
6.06
6.04-
6.02-
6.00
5.98-
5.96
-60 -40 -20 О
20 40 60 80 100 120 X
Рис. 4. Распределение средних значений числа Маха в поперечных сечениях зоны установки моделей (чёрные точки) и среднеквадратичных отклонений (в виде дорожки разбросов)
Заключение. Разработана и проверена методика программного управления координатным устройством, которая позволяет задавать траекторию движения и строить измерительные сетки. Методика позволяет гибко ориентироваться под конкретную задачу, экономить время и стоимость измерений и получать детальное распределение параметров течения в интересующей области.
Проведённые эксперименты и их последующая обработка позволили получить детальное поле чисел Маха в рабочей части гиперзвуковой аэродинамической трубы Т-326 ИТПМ СО РАН при номинальном режиме работы установки Мда = 6 и 8. Допустимая область расположения моделей в рабочей части трубы Т-326 по числу Маха не превышает величины ±50 мм по радиусу от оси сопла. В этой области локальное число Маха может меняться от Mда = 5.98 до Mда = 6.05.
Таким образом, поперечные габариты исследуемых моделей не должны выходить за величину 100 мм. Сами же модели желательно располагать в рабочей части по оси сопла так, чтобы область расположения точек измерений каких-либо параметров (например, дренажных отверстий, датчиков тепловых потоков и т.д.) на своей поверхности не входила за пределы 100 мм от среза сопла.
Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ №16-01-00314а.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Башуров В.В., Запрягаев В.И., Кавун И.Н., Певзнер А.С. Система синхронизации сбора данных и её применение для исследования сверхзвуковых течений // Труды XVII Байкальской Всероссийской конференции «Информационные и математические технологии в науке и управлении». Часть II. Иркутск: ИСЭМ СО РАН. 2012. С. 3744.
2. Гаркуша В.В., Запрягаев В.И., Певзнер А.С., Яковлев В.В., Яковлева Н.В.. Автоматизированная система сбора, хранения и обработки экспериментальных данных // Всероссийская конференция «Аэродинамика и прочность конструкций летательных аппаратов», посвященная 70-летию основания СибНИА (Новосибирск, Россия, 20-21 сентября 2011г.). Труды конференции. Новосибирск: СибНИА. 2011. С.208-215
3. Запрягаев В.И., Кавун И.Н., Певзнер А.С., Тютин А.А., Гаркуша В.В., Собстель Г.М., Яковлев В.В. Автоматизированная система сбора, хранения и обработки экспериментальных данных для гиперзвуковой аэродинамической трубы // Труды XVI Байкальской Всероссийской конференции «Информационные и математические технологии в науке и управлении». Ч. II. Иркутск: ИСЭМ СО РАН. 2011. С. 6-11.
4. Запрягаев В.И., Мажуль И.И., Максимов А.И., Кавун И.Н., Дерунов Е.К., Певзнер
A.С., Яковлева Н.В.. Исследование полей чисел Маха и температур на режиме Мю = 7 в рабочей части аэродинамической трубы Т-313 ИТПМ СО РАН. Отчет № 5/10, Новосибирск. 2009. 75 с. УДК 533.6.071.4
5. Запрягаев В.И., Певзнер А.С., Тютин А.А., Гаркуша В.В., Хорошенко Е.И., Яковлев
B.В. Подсистемы позиционирования, используемые в аэродинамических установках периодического действия // Труды XV Байкальской Всероссийской конференции «Информационные и математические технологии в науке и управлении». Ч. III. Иркутск: ИСЭМ СО РАН. 2010. С. 172-179.
6. Кавун И.Н., Киселев В.Я., Кундасев С.Г., Певзнер А.С., Солотчин А.В., Хорошенко Е.И., Яковлев В.В. Система трех осевого позиционирования для гиперзвуковой аэродинамической трубы Т-326. Сборник тезисов Всероссийской конференции «Индустриальные информационные системы 2013». С. 28.
7. Певзнер А.С. Программное обеспечение системы сбора, хранения и обработки экспериментальных данных. Сборник тезисов Всероссийской конференции «Индустриальные информационные системы 2013». С. 49.
8. Певзнер А.С., Яковлева Н.В. Программное обеспечение системы сбора, хранения обработки экспериментальной информации. Отчет ИТПМ СО РАН № 4/10. Новосибирск. 2009. 77 с. с иллюстрациями
9. Харитонов А.М., Звегинцев В.И., Васенев Л.Г., Кураева А.Д., Наливайченко Д.Г., Новиков А.В., Пайкова М.А., Чиркашенко В.Ф., Шахматова Н.В., Шпак СИ. Исследования характеристик гиперзвуковой аэродинамической трубы АТ-303 // Теплофизика и аэромеханика, 2006, №.1, ч. 1. , с. 1-17
10. Garkusha V.V., Zapryagaev V.I., Pevzner A.S., Yakovlev V.V., Yakovleva N.V. . Аutomated system for experimental data acquisition, stored and processing // International Association of Science and Technology for Development, Research: Abstracts. Pt. II. Kazan. August 19 - 25, 2012. Pp. 102 - 104.
11. Zapryagaev V.I., Maksimov A.I., Pevzner A.S., Mazhul I.I., Garkusha V.V. Investigations of flow field at Mach 7 for supersonic WT-313 ITAM // Paper on 112th Semi-Annual Meeting of the STAI 11th - 14th October 2009. CSIR. Pretoria. South Africa
UDK 004.67, 533.6.071.4
USING A SYSTEM OF AUTOMATED DATA ACQUISITION FOR STUDYING THE PRESSURE PATTERN IN THE T-326 HYPERSONIC WIND TUNNEL
Valeriy I. Zapryagaev
Dr., Professor, Head of Laboratory "Experimental aerogasdynamics", e-mail: zapr@itam.nsc.ru
Ivan N. Kavun Researcher, e-mail: i k@list.ru Anna S. Pevzner Principal Software Engineer, e-mail: pevzner@itam .nsc.ru Aleksej A. Tjutin Head of hypersonic wind tunnel,
Natalija V. Yakovleva
Senior Engineer, e-mail: natali@itam.nsc.ru Khristianovich Institute of Theoretical and Applied Mechanics SB RAS, Institutskaya str., 4/1, 630090, Novosibirsk, Russia
Abstract. This paper describes a system for automated data acquisition and an experimental technique for studying the distributions of flow characteristics in the test section of a T-326 hypersonic wind tunnel based at the Khristianovich Institute of Theoretical and Applied Mechanics SB RAS. Specially developed Pitot rakes were moved in two coordinate directions by an axis controller. Based on the measured data distributions, 6 and 8 Mach numbers contours are calculated. Three-dimensional interpolation of the measured parameters provides a detailed spatial distribution of Mach numbers in the test section of the wind tunnel.
Keywords: computer-aided science engineering, data acquisition, wind tunnel, flow characteristics
References
1. Bashurov V.V., Zapryagaev V.I., Kavun I.N., Pevzner A.S. Sistema sinhronizacii sbora dannyh i ejo primenenie dlja issledovanija sverhzvukovyh techenij [System for synchronization of data acquisition and its application for supersonic flow investigations] // XVII Bajkal'skoj Vserossijskoj konferencii «Informacionnye i matematicheskie tehnologii v nauke i upravlenii»: trudy. = XVII Baikal All-Russian conference "Information and Mathematical Technologies in Science and Management": Proceedings. Vol. II. Irkutsk: ISEM SO RAN = ESI SB RAS. 2012. Pp. 37-44. (in Russian).
2. Garkusha V.V., Zapryagaev V.I., Pevzner A.S., Yakovlev V.V., Yakovleva N.V. Avtomatizirovannaja sistema sbora, hranenija i obrabotki jeksperimental'nyh dannyh [The automated system of collecting, storage and processing of experimental data] //
Vserossijskaja konferencija «Ajerodinamika i prochnost' konstrukcij letatel'nyh apparatov», posvjashhennaja 70-letiju osnovanija SibNIA = The Russian conference "Aerodynamics and Durability of Designs of Aircraft" devoted to the 70 anniversary of the basis of SIBNIA (Novosibirsk, Russia, 20-21 September 2011.). Proceedings.. - Novosibirsk: SibNIA. 2011. Pp. 208-215(in Russian).
3. Zapryagaev V.I., Kavun I.N., Pevzner A.S., Tjutin A.A., Garkusha V.V., Sobstel' G.M., Yakovlev V.V. Avtomatizirovannaja sistema sbora, hranenija i obrabotki jeksperimental'nyh dannyh dlja giperzvukovoj ajerodinamicheskoj truby [Automated system for experimental data acquisition, storage and processing for a hipersonic wind tunnel] // XVI Bajkal'skoj Vserossijskoj konferencii «Informacionnye i matematicheskie tehnologii v nauke i upravlenii»: Trudy. = XVI Baikal All-Russian conference "Information and Mathematical Technologies in Science and Management" . Proceedings. Vol. II. Irkutsk: ISEM SO RAN = ESI SB RAS. 2011.Pp. 6-11.
4. Zapryagaev V.I., Mazhul' I.I., Maksimov A.I., Kavun I.N., Derunov E.K., Pevzner A.S., Yakovleva N.V. Issledovanie polej chisel Maha i temperatur na rezhime Mœ = 7 v rabochej chasti ajerodinamicheskoj truby T-313 [Investigations of flow field at Mach 7 and temperatures for supersonic WT-313] // Report Novosibirsk. ITPM SO RAN = ITAM SB RAS № 5/10. 2009. 75 p. UDK 533.6.071.4 (in Russian).
5. Zapryagaev V.I., Pevzner A.S., Тютин А.А., Garkusha V.V., Horoshenko E.I., Yakovlev V.V. Podsistemy pozicionirovanija, ispol'zuemye v ajerodinamicheskih ustanovkah periodicheskogo dejstvija [Positioning subsystems used in blowdown wind tunnels] // XV Bajkal'skoj Vserossijskoj konferencii «Informacionnye i matematicheskie tehnologii v nauke i upravlenii»: trudy. = XV Baikal All-Russian conference "Information and Mathematical Technologies in Science and Management". Proceedings. Vol. III. Irkutsk: ISEM SO RAN = ESI SB RAS, 2010. Pp. 172-179. (in Russian).
6. Kavun I.N., Kiselev V.Ja., Kundasev S.G., Pevzner A.S., Solotchin A.V., Horoshenko E.I., Yakovlev V.V. Sistema treh osevogo pozicionirovanija dlja giperzvukovoj ajerodinamicheskoj truby T-326 [System of three axial positionings for a hypersonic wind tunnel of T-326]. Sbornik tezisov Vserossijskoj konferencii «Industrial'nye informacionnye sistemy 2013» = Collection of theses of the Russian conference "Industrial Information Systems 2013". Novosibirsk, Design Technological Institute of Digital Techniques SB RAS, P. 28 (in Russian).
7. Pevzner A.S. Programmnoe obespechenie sistemy sbora, hranenija i obrabotki jeksperimental'nyh dannyh [Software of system of collecting, storage and processing of experimental data]. Sbornik tezisov Vserossijskoj konferencii «Industrial'nye informacionnye sistemy 2013» = Collection of theses of the Russian conference "Industrial Information Systems 2013". Novosibirsk, Design Technological Institute of Digital Techniques SB RAS. P.49 (in Russian).
8. Pevzner A.S., Yakovleva N.V. Nauchno tehnicheskij otchet o NIR: Programmnoe obespechenie sistemy sbora, hranenija i obrabotki jeksperimental'noj informacii. [Scientifically technical report on NIR: Software of system of collecting, storage and processing of experimental information]. Novosibirsk. 2009. // Report ITAM SB RAS №410 (in Russian).
9. Kharitonov A.M., Zvegintsev V.I., Vasenev L.G., Kuraeva A.D., Nalivajchenko D.G., Novikov A.V., Pajkova M.A., Chirkashenko V.F., Shahmatova N.V., Shpak S.I. Issledovanija harakteristik giperzvukovoj ajerodinamicheskoj truby AT-303 [Researches of characteristics of a hypersonic wind tunnel of AT-303] // Teplofizika i aeromekhanika = Thermophysics and aeromechanics. 2006. № 1. Vol.. 1. Pp. 1-17 (in Russian).
10. Garkusha V.V., Zapryagaev V.I., Pevzner A.S., Yakovlev V.V., Yakovleva N.V. Automated system for experimental data acquisition, stored and processing // International Association of Science and Technology for Development, Research: Abstracts. Pt. II. Kazan. 2012. August 19 - 25. Pp. 102 - 104.
11. Zapryagaev V.I., Maksimov A.I., Pevzner A.S., Mazhul I.I., Garkusha V.V. Investigations of flow field at Mach 7 for supersonic WT-313 ITAM // Paper on 112th Semi-Annual Meeting of the STAI 11th - 14th October 2009. CSIR. Pretoria. South Africa
