申请/专利权人：西北工业大学;中国航空工业集团公司西安飞机设计研究所

申请日：2019-03-26

公开（公告）日：2021-04-06

公开（公告）号：CN109977542B

主分类号：G06F30/20(20200101)

分类号：G06F30/20(20200101)

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2021.04.06#授权;2019.07.30#实质审查的生效;2019.07.05#公开

摘要：本发明公开了一种柔软细绳在涡流中运动特性试验研究方法，包括：为保证模拟流动中柔软细绳模型+质量体模型的运动特性与在实际情况下相似，须满足所提出的相似准则相等；提出了计算试验参数的一套计算公式；为试验准备，将选取材质测量的弹性模量及密度与计算的柔软细绳模型的密度和弹性模量比较，找到两者相近的材料、用来制作柔软细绳模型，制作时满足几何相似，即可满足柔软细绳模型与实际柔软细绳的刚度和质量相似要求；可以得到柔软细绳+质量体的定性运动特征和一定的定量运动特征。用于所有柔软细绳+质量体在涡流中运动特性的缩比模型试验研究，降低试验难度、试验成本和飞行试验的风险。

主权项：1.一种柔软细绳在涡流中运动特性试验研究方法，其特征在于包括：为保证模拟流动中柔软细绳模型+质量体模型运动特性与在实际情况下相似，须满足所提出的相似准则相等；提出了计算试验参数的一套计算公式；为试验准备，将选取材质测量的弹性模量及密度与计算的柔软细绳模型的密度和弹性模量比较，找到两者相近的材料、用来制作柔软细绳模型，制作时满足几何相似，即可满足柔软细绳模型与实际柔软细绳的刚度和质量相似要求；除了可以得到柔软细绳+质量体的定性运动特征外，设计的柔软细绳涡流中运动特性的风洞试验模拟还可以得到其旋转周期和旋转半径、飘摆频率和飘摆幅度定量参数，其中：弗劳德数Fr 其中，g、重力加速度，l、柔软细绳+质量体的特征长度，v、流动速度无量纲软绳单位长度质量 其中，ρl柔软细绳单位长度质量，ρ流体的密度，l柔软细绳+质量体的特征长度，按照该公式，柔软细绳模型和实际柔软细绳的无量纲软绳单位长度质量相等，可得 其中，k表示物理量相似比例系数，其下标为相应的物理量；ρl、柔软细绳单位长度质量再由无量纲软绳密度 其中，ρs、柔软细绳的密度，ρ、流体的密度，用于计算柔软细绳模型、质量体模型的密度，可得，柔软细绳模型和实际柔软细绳的密度相等，即 其中，下标m、表示对应于模型试验的参数，下标f、表示对应于实际条件的参数，在柔软细绳模型和实际柔软细绳几何相似的条件下，ρs＝ρlA，A是柔软绳的横截面积，公式8和9是一致的；以及，无量纲软绳弹性模量πE 其中，E、柔软细绳的弹性模量，ν、流动速度，ρ、流体的密度，可通过选择合适的材质来满足对柔软细绳模型的弹性模量要求，由此，柔软细绳模型和实际柔软细绳无量纲软绳弹性模量相等，可得Em＝kρklEf11用于计算柔软细绳模型的弹性模量，其中，k、表示物理量相似比例系数，其下标为相应的物理量，G、质量体的重量，下标m、表示对应于模型试验的参数，下标f、表示对应于实际条件的参数。

全文数据：一种软绳在涡流中运动特性试验研究方法技术领域本发明涉及风洞试验技术，具体是一种软绳在涡流中运动特性试验研究方法。背景技术软绳质量体在涡流中运动的情况在很多情况都会出现，如运输飞机人员空降后留在舱门涡流区的开伞绳就是一个例子。但是，这种情况的研究在公开文献中未有涉及，在中国专利网中也未检索到与本发明相关的技术。该研究的难点在于，像上面例子提到的运输飞机人员空降后留在舱门涡流区的开伞绳的情况，使用实际尺度、在实际条件下研究非常困难。发明内容本发明的目的在于提供一种软绳在涡流中运动特性试验研究方法，以解决上述背景技术中提出的问题。为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种软绳在涡流中运动特性试验研究方法，包括一套相似准测：为保证模拟流动中柔软细绳模型+质量体模型运动特性与在实际情况下相似，须满足相等的相似准则包括：A、几何相似，复杂流动涡区几何形状、柔软细绳+质量体模型的几何形状与原型相似。B、弗劳德数Fr通过调整风速v确定。C、无量纲软绳单位长度质量D、无量纲软绳密度用于计算柔软细绳模型、质量体模型的密度。D、无量纲重量πG主要是柔软细绳模型上的质量体模型的重量需满足该准则。E、无量纲软绳弹性模量πE可通过选择合适的材质来满足对柔软细绳模型的弹性模量要求。F、斯特哈尔数Sr进一步的，包括一套计算公式：本发明中按照公式1中柔软细绳模型及质量体模型和实际柔软细绳及质量体的弗劳德数Fr相等，及gm＝gf，可得试验时风洞的速度为按照公式2柔软细绳模型和实际柔软细绳的无量纲软绳单位长度质量相等，可得按照公式3柔软细绳模型和实际柔软细绳的密度相等，可得在柔软细绳模型和实际柔软细绳几何相似的条件下，ρs＝ρlA，A是柔软绳的横截面积，公式8和9是一致的，即可以通过保证几何相似软绳的密度来保证其单位长度质量。按照无量纲重量公式4，柔软细绳模型和质量体模型所受重力Gm和实际柔软细绳和质量体所受重力Gf之比与相应空气动力之比相等，及气动力系数cRm＝cRf相等可得Gm＝kρkl3Gf10按照公式5柔软细绳模型和实际柔软细绳无量纲软绳弹性模量相等，可得Em＝kρklEf11用于计算柔软细绳模型的弹性模量。按照公式6可得到柔软细绳模型+质量体模型运动的角频率、频率和特征时间ωm＝kvklωf,fm＝kvklff,tm＝klkvff。12进一步的，包括一种实际柔软细绳参数测量和柔软细绳模型设计、制作：A、测量仪器游标卡尺精度0.02mm、高度尺精度0.01mm、电子天平精度0.05g。B、测量实际柔软细绳的单位长度质量与弹性模量Ef取1m长实际柔软细绳匀质部分，测量其几何尺寸与质量。得实际柔软细绳宽、厚、质量、重量，得到实际柔软细绳单位长度质量、密度。实际柔软细绳的弹性模量由确定，F,A,E,Δl,l分别为作用力、横截面积、弹性模量、绳伸长量和长度。实际柔软细绳一端加持，另一端加载卸载砝码，重复三次，测量实际柔软细绳长度变化量，计算得到实际柔软细绳的弹性模量Ef。当实际柔软细绳为编织物，会产生一定的塑形变形，因此测量时控制每次加载卸载间隔90秒。对三次加载和卸载过程得到的数据进行平均，得到平均的实际柔软细绳弹性模量E。C、所需柔软细绳模型单位长度质量与弹性模量Em计算在已知实际流动速度后，查表得到不同空间高度下空气密度，通过满足Fr数的公式7计算风洞的试验速度，按照柔软细绳模型和实际柔软细绳弹性模量及单位长度质量关系，公式8、9、11得到柔软细绳模型单位长度密度密度和弹性模量Em。D、备选柔软细绳模型的单位长度质量与弹性模量Em测定和选择选取各类材料进行试验，测量几何尺寸、弹性模量及密度柔软细绳模型的几何形状还未保证相似，故测其密度。其测量过程与实际柔软细绳测量方法相一致；将上述选取材质测量的弹性模量及密度与计算的柔软细绳模型的密度和弹性模量比较，找到两者相近的材料、用来制作柔软细绳模型，制作时满足几何相似，即可满足柔软细绳模型与实际柔软细绳的刚度和质量相似要求。实际柔软细绳上附带的锁扣、卡等质量体设计、加工时满足几何相似，同时按照公式10计算质量体模型重量并予以满足。进一步的，包括一种柔软细绳涡流中运动特性的风洞试验模拟：将前面制作的柔软细绳模型+质量体模型安装在与实际涡流区相似的模拟涡流区中，如打开的飞机舱门后、各种角区等，模拟涡流区与实际涡流区的几何尺寸满足几何相似，这包括飞机模型几何相似以及其各种姿态和附件角度相等，如迎角、偏航角、滚转角、增升装置角度、副翼角度等相等。将柔软细绳模型+质量体模型与本体模型，如飞机模型，通过支撑安装在风洞中，风洞运行风速按公式7计算，运行风洞，柔软细绳模型+质量体模型在涡流中产生旋转、飘摆等运动，通过具有每秒足够帧数的摄像机记录柔软细绳模型+质量体模型的运动情况，可以用于实际柔软细绳+质量体，如运输飞机舱门处所留的开伞绳的运动规律的分析。除能够得到柔软细绳+质量体的定性运动特征外，还可以得到其旋转周期和旋转半径、飘摆频率和飘摆幅度等定量参数。旋转半径和飘摆幅度按几何相似关系可以换算到实际涡流区中柔软细绳+质量体运动情况，旋转周期、飘摆频率和角频率等与时间尺度相关的量可以通过公式12换算到实际情况。与现有技术相比，本发明的有益效果是：1、本发明提出一种在有复杂漩涡的流动中柔软细绳+质量体运动研究的风洞试验方法，此方法可用于研究复杂漩涡流动中柔软细绳+质量体运动规律，例如研究运输飞机人员离机后所留开伞绳飘摆特性，为评估人员出舱安全性提供技术数据；2、本发明提出柔软细绳+质量体运动研究的风洞试验方法要满足的相似准则，包括几何相似、弗劳德数、无量纲软绳单位长度质量、无量纲软绳密度、无量纲重量、无量纲软绳弹性模量、斯特哈尔数。解决了缩小模型和试验与实际情况的相似问题；3、提出了缩小模型和试验的风洞的速度、柔软细绳的单位长度质量、密度、弹性模量及柔软细绳模型+质量体模型运动的角频率、频率和特征时间的计算公式；4、提出了实际柔软细绳参数测量和柔软细绳模型设计、制作方法。可以使柔软细绳+质量体运动的试验在实验室进行；5、提出了柔软细绳涡流中运动特性的风洞试验模拟方法，以及将模拟结果换算到实际柔软细绳涡流中运动的方法。这是保证试验结果运用的关键技术。具体实施方式下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。本发明提供一种技术方案：一种软绳在涡流中运动特性试验研究方法，包括一种相似准测：为保证模拟流动中柔软细绳模型+质量体运动特性与在实际情况下相似，须满足相等的相似准则包括：A、几何相似，复杂流动涡区几何形状、柔软细绳+质量体模型的几何形状与原型相似。B、弗劳德数Fr通过调整风速v确定。C、无量纲软绳单位长度质量D、无量纲软绳密度用于计算柔软细绳模型、质量体模型的密度。D、无量纲重量πG主要是柔软细绳模型上的质量体模型的重量需满足该准则。E、无量纲软绳弹性模量πE可通过选择合适的材质来满足对柔软细绳模型的弹性模量要求。F、斯特哈尔数Sr本发明包括一套计算公式：本发明中按照公式1中柔软细绳模型及质量体模型和实际柔软细绳及质量体的弗劳德数Fr相等，及gm＝gf，可得试验时风洞的速度为按照公式2柔软细绳模型和实际柔软细绳的无量纲软绳单位长度质量相等，可得按照公式3柔软细绳模型和实际柔软细绳的密度相等，可得在柔软细绳模型和实际柔软细绳几何相似的条件下，ρs＝ρlA，A是柔软绳的横截面积，公式8和9是一致的，即可以通过保证几何相似软绳的密度来保证其单位长度质量。按照无量纲重量公式4，柔软细绳模型和质量体模型所受重力Gm和实际柔软细绳和质量体所受重力Gf之比与相应空气动力之比相等，及气动力系数cRm＝cRf相等可得Gm＝kρkl3Gf10按照公式5柔软细绳模型和实际柔软细绳无量纲软绳弹性模量相等，可得Em＝kρklEf11用于计算柔软细绳模型的弹性模量。按照公式6可得到柔软细绳模型+质量体模型运动的角频率、频率和特征时间ωm＝kvklωf,fm＝kvklff,tm＝klkvff12本发明包括一种实际柔软细绳参数测量和柔软细绳模型设计、制作：A、测量仪器游标卡尺精度0.02mm、高度尺精度0.01mm、电子天平精度0.05g。B、测量实际柔软细绳的单位长度质量与弹性模量Ef取1m长实际柔软细绳匀质部分，测量其几何尺寸与质量。得实际柔软细绳宽、厚、质量、重量，得到实际柔软细绳单位长度质量、密度。实际柔软细绳的弹性模量由确定，F,A,E,Δl,l分别为作用力、横截面积、弹性模量、绳伸长量和长度。实际柔软细绳一端加持，另一端加载卸载砝码，重复三次，测量实际柔软细绳长度变化量，计算得到实际柔软细绳的弹性模量Ef。当实际柔软细绳为编织物，会产生一定的塑形变形，因此测量时控制每次加载卸载间隔90秒。对三次加载和卸载过程得到的数据进行平均，得到平均的实际柔软细绳弹性模量E。C、所需柔软细绳模型单位长度质量与弹性模量Em计算在已知实际流动速度后，查表得到不同空间高度下空气密度，通过满足Fr数的公式7计算风洞的试验速度，按照柔软细绳模型和实际柔软细绳弹性模量及单位长度质量关系，公式8、9、11得到柔软细绳模型单位长度密度密度和弹性模量Em。D、备选柔软细绳模型的单位长度质量与弹性模量Em测定和选择选取各类材料进行试验，测量几何尺寸、弹性模量及密度柔软细绳模型的几何形状还未保证相似，故测其密度。其测量过程与实际柔软细绳测量方法相一致；将上述选取材质测量的弹性模量及密度与计算的柔软细绳模型的密度和弹性模量比较，找到两者相近的材料、用来制作柔软细绳模型，制作时满足几何相似，即可满足柔软细绳模型与实际柔软细绳的刚度和质量相似要求。实际柔软细绳上附带的锁扣、卡等质量体设计、加工时满足几何相似，同时按照公式10计算质量体模型重量并予以满足。本发明包括一种柔软细绳涡流中运动特性的风洞试验模拟：将前面制作的柔软细绳模型+质量体模型安装在与实际涡流区相似的模拟涡流区中，如打开的飞机舱门后、各种角区等，模拟涡流区与实际涡流区的几何尺寸满足几何相似，这包括飞机模型几何相似以及其各种姿态和附件角度相等，如迎角、偏航角、滚转角、增升装置角度、副翼角度等相等。将柔软细绳模型+质量体模型与本体模型，如飞机模型，通过支撑安装在风洞中，风洞运行风速按公式7计算，运行风洞，柔软细绳模型+质量体模型在涡流中产生旋转、飘摆等运动，通过具有每秒足够帧数的摄像机记录柔软细绳模型+质量体模型的运动情况，可以用于实际柔软细绳+质量体，如运输飞机舱门处所留的开伞绳的运动规律的分析。除能够得到柔软细绳+质量体的定性运动特征外，还可以得到其旋转周期和旋转半径、飘摆频率和飘摆幅度等定量参数。旋转半径和飘摆幅度按几何相似关系可以换算到实际涡流区中柔软细绳+质量体运动情况，旋转周期、飘摆频率和角频率等与时间尺度相关的量可以通过公式12换算到实际情况。工作原理：本发明提出一种在有复杂漩涡的流动中柔软细绳+质量体运动研究的风洞试验方法，此方法可用于研究复杂漩涡流动中柔软细绳+质量体运动规律，例如研究运输飞机人员离机后所留开伞绳旋转、飘摆特性，为评估人员出舱安全性提供技术数据；提出试验需满足的相似准则，给出保证模型试验与实际情况相似的模型设计参数、流动控制参数等的计算公式；本方法可以用于所有柔软细绳+质量体在涡流中运动特性的缩比模型试验研究，降低试验难度、试验成本和飞行试验的风险；运输飞机人员跳伞后，留在飞机舱门附近的开伞绳在打开舱门附近涡流的作用下飘摆，对后续人员离机的安全性构成威胁；通过本方法，可以在风洞中用缩小的模型，再现飞行条件下开伞绳的运动特性，为改进舱门后涡流、选择开伞绳、绳的悬挂方式等提供技术手段，提高人员离机的安全性。注释：v、流动速度；g、重力加速度；l、柔软细绳+质量体的特征长度；ρl、柔软细绳单位长度质量；ρs、柔软细绳的密度；ρ、流体的密度；G、质量体的重量；S、空气动力相关的参考面积；cR、空气动力系数；E、柔软细绳的弹性模量；ω、角频率；k、表示物理量相似比例系数，其下标为相应的物理量；f、频率；t、时间；下标m、表示对应于模型试验的参数；下标f、表示对应于实际条件的参数。需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

权利要求：1.一种柔软细绳在涡流中运动特性试验研究方法，其特征在于包括：为保证模拟流动中柔软细绳模型+质量体模型运动特性与在实际情况下相似，须满足所提出的相似准则相等；提出了计算试验参数的一套计算公式；为试验准备，将选取材质测量的弹性模量及密度与计算的柔软细绳模型的密度和弹性模量比较，找到两者相近的材料、用来制作柔软细绳模型，制作时满足几何相似，即可满足柔软细绳模型与实际柔软细绳的刚度和质量相似要求；除了可以得到柔软细绳+质量体的定性运动特征外，设计的柔软细绳涡流中运动特性的风洞试验模拟还可以得到其旋转周期和旋转半径、飘摆频率和飘摆幅度等定量参数。2.根据权利要求1所述的一种软绳在涡流中运动特性试验研究方法，其特征在于：所述相似准则包括：A、几何相似，复杂流动涡区几何形状、柔软细绳+质量体模型的几何形状与原型相似。B、弗劳德数Fr通过调整风速v确定。C、无量纲软绳单位长度质量D、无量纲软绳密度用于计算柔软细绳模型、质量体模型的密度。D、无量纲重量πG主要是柔软细绳模型上的质量体模型的重量需满足该准则。E、无量纲软绳弹性模量πE可通过选择合适的材质来满足对柔软细绳模型的弹性模量要求。F、斯特哈尔数Sr3.根据权利要求1或2所述的一种软绳在涡流中运动特性试验研究方法，其特征在于：所述计算公式根据本发明中按照公式1中柔软细绳模型及质量体模型和实际柔软细绳及质量体的弗劳德数Fr相等，及gm＝gf，可得试验时风洞的速度为按照公式2柔软细绳模型和实际柔软细绳的无量纲软绳单位长度质量相等，可得按照公式3柔软细绳模型和实际柔软细绳的密度相等，可得在柔软细绳模型和实际柔软细绳几何相似的条件下，ρs＝ρlA，A是柔软绳的横截面积，公式8和9是一致的。4.根据权利要求2或3所述的一种软绳在涡流中运动特性试验研究方法，其特征在于：所述计算公式还包括按照无量纲重量公式4，柔软细绳模型和质量体模型所受重力和实际柔软细绳和质量体所受重力之比与相应空气动力之比相等，及气动力系数相等可得按照公式5柔软细绳模型和实际柔软细绳无量纲软绳弹性模量相等，可得用于计算柔软细绳模型的弹性模量。按照公式6可得到柔软细绳模型+质量体模型运动的角频率、频率和特征时间5.根据权利要求1或2所述的一种软绳在涡流中运动特性试验研究方法，其特征在于：所述实际柔软细绳参数测量和柔软细绳模型设计、制作包括测量仪器、测量实际柔软细绳的单位长度质量与弹性模量Ef、所需柔软细绳模型单位长度质量与弹性模量Em计算、备选柔软细绳模型的单位长度质量与弹性模量测定和选择，所述测量仪器包括游标卡尺、高度尺、电子天平，所述测量实际柔软细绳的单位长度质量与弹性模量通过取1m长实际柔软细绳匀质部分，测量其几何尺寸与质量，得实际柔软细绳宽、厚、质量、重量，得到实际柔软细绳单位长度质量、密度，所述所需柔软细绳模型单位长度质量与弹性模量Em计算在已知实际流动速度后，查表得到不同空间高度下空气密度，通过满足Fr数的公式7计算风洞的试验速度，按照柔软细绳模型和实际柔软细绳弹性模量及单位长度质量关系，公式8、9、11得到柔软细绳模型单位长度密度密度和弹性模量Em，所选柔软细绳模型的单位长度质量与弹性模量测定和选择，通过选取各类材料进行试验，测量几何尺寸、弹性模量及密度柔软细绳模型的几何形状还未保证相似，故测其密度。其测量过程与实际柔软细绳测量方法相一致。6.根据权利要求1或2所述的一种软绳在涡流中运动特性试验研究方法，其特征在于：所述柔软细绳涡流中运动特性的风洞试验模拟包括以下步骤：步骤一：将前面制作的柔软细绳模型+质量体模型安装在与实际涡流区相似的模拟涡流区中，如打开的飞机舱门后、各种角区等，模拟涡流区与实际涡流区的几何尺寸满足几何相似，这包括飞机模型几何相似以及其各种姿态和附件角度相等；步骤二：将柔软细绳模型+质量体模型与本体模型，如飞机模型，通过支撑安装在风洞中，风洞运行风速按公式7计算，运行风洞，柔软细绳模型+质量体模型在涡流中产生旋转、飘摆等运动；步骤三：通过具有每秒足够帧数的摄像机记录柔软细绳模型+质量体模型的运动情况，可以用于实际柔软细绳+质量体，如运输飞机舱门处所留的开伞绳的运动规律的分析；除能够得到柔软细绳+质量体的定性运动特征外，还可以得到其旋转周期和旋转半径、飘摆频率和飘摆幅度等定量参数；旋转半径和飘摆幅度按几何相似关系可以换算到实际涡流区中柔软细绳+质量体运动情况，旋转周期、飘摆频率和角频率等与时间尺度相关的量可以通过公式12换算到实际情况。

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