基于實(shí)用測壓管路頻響修正的風(fēng)洞動(dòng)態(tài)風(fēng)壓測試★

冀曉華 余世策 蔣建群

(浙江大學(xué)建筑工程學(xué)院，浙江 杭州 310058)

基于實(shí)用測壓管路頻響修正的風(fēng)洞動(dòng)態(tài)風(fēng)壓測試★

冀曉華 余世策 蔣建群

(浙江大學(xué)建筑工程學(xué)院，浙江 杭州 310058)

通過對(duì)某廠房模型針對(duì)不同的測壓管路系統(tǒng)在邊界層流場中進(jìn)行同步測壓試驗(yàn)，對(duì)修正后的風(fēng)壓系數(shù)時(shí)程與目標(biāo)時(shí)程進(jìn)行對(duì)比分析，驗(yàn)證修正方法的可靠性。研究結(jié)果表明，采用風(fēng)壓測試技術(shù)可以獲得較為準(zhǔn)確的風(fēng)壓系數(shù)時(shí)程，經(jīng)修正的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以用于工程實(shí)踐。

測壓管路，頻響函數(shù)，傅立葉變換，風(fēng)壓系數(shù)譜，相關(guān)系數(shù)

1 概述

國外學(xué)者Irwin[1],Gumley[2，3],Holmes[4，5]等和國內(nèi)謝壯寧等[6，7],周晅毅等[8,9]對(duì)于管路動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行深入的研究，在包括管路頻響特性的理論預(yù)測、管路的優(yōu)化設(shè)計(jì)和管路頻響特性的改良等方面作了大量工作，大體上能達(dá)到以下共識(shí)：其一，在測壓管路中增加壓扁管或毛細(xì)管能改善測壓管路的頻響特性，但僅限于不太長的管路；其二，利用理論預(yù)測方法可以找到比較合適的管路系統(tǒng)，但所提供的優(yōu)化管路配管方案條件苛刻，很難在工程中應(yīng)用；其三，采用頻響函數(shù)在頻域內(nèi)進(jìn)行修正是最為理想的方法，但管路頻響函數(shù)的計(jì)算非常復(fù)雜，且管路內(nèi)徑精確測量難度大造成很大誤差。由于工程中涉及大批量測壓管路的測壓，且這些測壓管路多數(shù)較長，因此在頻域內(nèi)進(jìn)行修正是最理想的方法，本文采用自行設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)裝置對(duì)工程中常用管路進(jìn)行頻響函數(shù)的測試，采用實(shí)測的管路頻響函數(shù)并在頻域內(nèi)進(jìn)行修正，對(duì)某廠房模型針對(duì)不同的管路系統(tǒng)在邊界層流場中進(jìn)行不同風(fēng)向角下同步測壓試驗(yàn)，對(duì)修正后的風(fēng)壓系數(shù)時(shí)程與目標(biāo)時(shí)程進(jìn)行風(fēng)壓系數(shù)均方根、系數(shù)譜和相關(guān)系數(shù)的對(duì)比分析，驗(yàn)證修正方法的可靠性，本文的工作可為工程應(yīng)用中動(dòng)態(tài)風(fēng)壓測試的頻域修正提供解決方案。

2 管路頻響函數(shù)測試和信號(hào)修正

2.1 典型管路參數(shù)

本文主要針對(duì)帶轉(zhuǎn)接的Scanivalve電子壓力掃描閥的測壓管路進(jìn)行頻響函數(shù)測試，圖1是應(yīng)用較廣的脈動(dòng)風(fēng)壓測試管路示意圖，它由安裝在被測物體表面的鋼管(G1)、導(dǎo)壓的PVC軟管(G2)、過渡鋼管(G3)、過渡PVC軟管(G4)、轉(zhuǎn)接件鋼管(G5)、壓力模塊輸入軟管(G6)等幾部分組成，G3～G6由實(shí)驗(yàn)室裝備一般固定不變，G1～G2根據(jù)模型制作要求確定，接管時(shí)只需將模型上的軟管與過渡管連接即可，這樣的配管能大大提高測壓管的連接效率并降低轉(zhuǎn)接件的損壞幾率。本次試驗(yàn)采用的各部分尺寸如表1所示，其中G2采用了四種長度，這樣配管總長分別為600 mm，900 mm，1 200 mm，1 500 mm，基本上可以涵蓋應(yīng)用中的大部分情形。

表1 典型測壓管路尺寸表 mm

2.2 實(shí)驗(yàn)裝置和測試方案

為了測試典型管路的頻響函數(shù)，本文研制了專用實(shí)驗(yàn)裝置，其設(shè)計(jì)圖如圖2所示，其原理是利用信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生正弦波信號(hào)，通過功率放大器對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大，輸送到揚(yáng)聲器發(fā)出確定的正弦波壓力信號(hào)，保持正弦波幅值不變并改變正弦波的頻率，在揚(yáng)聲器對(duì)面安裝一塊平板，將不同的管路安裝在平板上，同時(shí)將一根非常短的皮管直接將測壓孔與模塊相連，由于短管在低頻段的頻響平坦，可以將短管測到的信號(hào)作為標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，從而得到被測管路的頻響特性曲線。

壓力測試采用的Scanivalve電子壓力掃描閥系統(tǒng)量程為±2 500 Pa，精度能達(dá)到±0.1%F.S.，采樣頻率最高達(dá)625 Hz。由于測壓點(diǎn)安裝位置非?？拷?，全部落在揚(yáng)聲器的聲場范圍之內(nèi)，因此可以認(rèn)為各測壓點(diǎn)的壓力變化完全一致，在測點(diǎn)與模塊的連接方式設(shè)計(jì)上采取了多點(diǎn)聯(lián)合掃描技術(shù)[10]，所謂多點(diǎn)聯(lián)合掃描技術(shù)就是將壓力完全相同的多個(gè)測壓孔通過同樣的管路連接到掃描閥模塊中掃描時(shí)間間隔相同的一系列傳感器上，將多點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)序列按采集順序集合為一個(gè)序列，這樣可以大幅度提高采樣頻率。本文采取4點(diǎn)聯(lián)合掃描，將系統(tǒng)采樣頻率設(shè)為最高值625 Hz，相當(dāng)于將采樣頻率提高到2 500 Hz，這樣就能夠采集到200 Hz高頻的完整正弦波信號(hào)。

2.3 頻響函數(shù)測試結(jié)果

首先觀察掃描閥采集到的壓力時(shí)程，圖3為短管測到的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)和G2=500 mm的管系測到的信號(hào)在50 Hz激振頻率的正弦波壓力激勵(lì)下測得的部分脈動(dòng)壓力時(shí)程曲線和相應(yīng)的擬合曲線，從圖3中可以看出，通過多點(diǎn)聯(lián)合掃描技術(shù)得到的壓力采樣結(jié)果非常符合正弦波的特征，一方面驗(yàn)證了本文多點(diǎn)聯(lián)合掃描技術(shù)的成功，另一方面也表明本文研制的裝置能產(chǎn)生優(yōu)質(zhì)的高頻正弦波。

白麗筠矜持地微笑起來，緩緩地說，我就是要用這個(gè)段子讓季經(jīng)理、李老板兩人都光火，我就是要讓他們都怕我，從此不再理睬我?？墒?，我這么做的最大理由是什么呢？

2.4 基于頻響函數(shù)的修正方法

當(dāng)測得各管系的幅頻曲線和相頻曲線的實(shí)驗(yàn)離散點(diǎn)后(見圖4，圖5)，在進(jìn)行修正時(shí)首先要對(duì)這些離散點(diǎn)進(jìn)行多項(xiàng)式擬合，以得到各管系頻響函數(shù)離散點(diǎn)最為接近的函數(shù)，分別以|H(f)|和φ(f)進(jìn)行擬合，則頻響函數(shù)可表達(dá)為：

H(f)=|H(f)|[cosφ(f)+isinφ(f)]

(1)

則修正前測得壓力的傅立葉變換P0(f)和修正后壓力的傅立葉變換P1(f)之間的關(guān)系為：

P0(f)=P1(f)H(f)

(2)

因此修正后壓力時(shí)程p1(t)可以表示為：

(3)

其中，p0(t)為修正前測得的壓力時(shí)程；fft，ifft分別為傅立葉變換和傅立葉逆變換；real為復(fù)數(shù)的實(shí)部，當(dāng)然上式同樣也適用于壓力系數(shù)時(shí)程的修正。

3 風(fēng)洞試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)概況

本次試驗(yàn)在浙江大學(xué)ZD-1風(fēng)洞中進(jìn)行，試驗(yàn)對(duì)象為某工業(yè)廠房，該廠房長65.7 m，寬43.7 m，高19.2 m，試驗(yàn)中采用1∶120縮尺比，在試驗(yàn)前模擬出B類大氣邊界層流場，風(fēng)速剖面和湍流度剖面模擬結(jié)果如圖6所示，由于本次試驗(yàn)主要是為了對(duì)不同管系試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析并進(jìn)行修正驗(yàn)算，因此僅取了位于0°迎風(fēng)山墻邊緣外表面的一個(gè)測點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)，測點(diǎn)位置如圖7所示，隨著風(fēng)向角變化這一點(diǎn)將從迎風(fēng)面來流區(qū)到側(cè)向氣流分離區(qū)，最后到背風(fēng)尾流區(qū)，因此選擇這個(gè)位置有一定的代表性。為了便于對(duì)比，在同一個(gè)測點(diǎn)位置安裝了五個(gè)測壓孔，這五個(gè)測壓孔位置非常靠近，可以認(rèn)為測得的風(fēng)壓完全一致。將這五個(gè)測壓孔分別連接到掃描閥上，其中一個(gè)測壓孔通過非常短的皮管直接連接到掃描閥上，測到的結(jié)果作為標(biāo)準(zhǔn)結(jié)果，其他四個(gè)測壓孔采用表1中的四種管系連接到掃描閥上，試驗(yàn)中取屋蓋高度處為參考點(diǎn)，參考風(fēng)速為12.4 m/s，采樣頻率為625 Hz，采樣點(diǎn)數(shù)20 000個(gè)，試驗(yàn)中每15°風(fēng)向角記錄一次試驗(yàn)數(shù)據(jù)，得到24個(gè)風(fēng)向角的數(shù)據(jù)。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

圖8和圖9分別為五個(gè)測壓孔測得的平均風(fēng)壓系數(shù)和均方根風(fēng)壓系數(shù)隨風(fēng)向角的變化曲線，從圖中可以看出四種管系測得的平均風(fēng)壓系數(shù)基本上與標(biāo)準(zhǔn)值完全吻合，僅平均風(fēng)壓系數(shù)接近0時(shí)略有差異，這是傳感器的測量誤差引起的，而均方根風(fēng)壓系數(shù)則差異較明顯，特別是風(fēng)向角為75°測點(diǎn)處于氣流分離區(qū)時(shí)，由管路引起的脈動(dòng)風(fēng)壓與標(biāo)準(zhǔn)值的誤差最大，四種管系均方根風(fēng)壓系數(shù)分別偏小0.018，0.025，0.047和0.06，相對(duì)誤差分別達(dá)到4.5%，6.1%，11.6%和14.7%，75°風(fēng)向角下各管系測得的風(fēng)壓系數(shù)譜如圖10所示，可見高頻部分能量衰減較為明顯。由此可見，由管路引起的信號(hào)畸變對(duì)脈動(dòng)風(fēng)壓測試的影響是不能忽略的，必須進(jìn)行修正。

3.3 風(fēng)壓系數(shù)修正效果

為了驗(yàn)證基于頻響函數(shù)的修正方法，這里針對(duì)工程中應(yīng)用最為廣泛的管系(G2=800 mm)，管路總長為1 200 mm。采用2.4節(jié)中的方法對(duì)風(fēng)向角為75°時(shí)的測試結(jié)果進(jìn)行頻域修正，圖11為采用該管系實(shí)測及修正后的風(fēng)壓系數(shù)時(shí)程和采用短管直接測得的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的部分時(shí)程對(duì)比圖，從圖11可以看出，修正前的風(fēng)壓系數(shù)時(shí)程明顯滯后于標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，且幅值大部分也偏小，經(jīng)修正后的風(fēng)壓系數(shù)時(shí)程與標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)吻合的較為理想，圖12為相對(duì)應(yīng)的風(fēng)壓系數(shù)譜對(duì)比圖，很顯然修正后的風(fēng)壓系數(shù)譜與標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)壓系數(shù)譜幾乎完全重合，這表明本文的頻域修正方法在很大程度上修正了管路信號(hào)畸變引起的誤差。當(dāng)然由于風(fēng)壓脈動(dòng)強(qiáng)弱的差異，不同風(fēng)向角下的修正效果也會(huì)有所差異，為直觀了解這種差異，這里引入相關(guān)系數(shù)γ和均方根系數(shù)相對(duì)誤差ζ兩個(gè)變量來描述修正后的效果，其中定義相關(guān)系數(shù)γ為：

(4)

其中，xi為待分析風(fēng)壓系數(shù)時(shí)程第i個(gè)數(shù)據(jù)；yi為標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)壓系數(shù)時(shí)程第i個(gè)數(shù)據(jù)，當(dāng)x和y時(shí)程越同步，相關(guān)系數(shù)越接近1。另一方面，定義均方根系數(shù)相對(duì)誤差ζ為：

(5)

其中，σx為待分析風(fēng)壓系數(shù)時(shí)程的均方根；σy為標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)壓系數(shù)時(shí)程的均方根，相對(duì)誤差表征的是待分析時(shí)程和標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)脈動(dòng)程度的相符性。圖13 為修正前后壓力系數(shù)時(shí)程與標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的相關(guān)系數(shù)隨風(fēng)向角的變化情況，從圖中可以看出，修正前相關(guān)系數(shù)不高，最低僅0.55，而修正后的相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.8以上，最高達(dá)到0.98，需要指出的是測點(diǎn)位于迎風(fēng)區(qū)和氣流分離區(qū)時(shí)修正效果較為理想，而當(dāng)測點(diǎn)位于尾流區(qū)時(shí)，修正效果欠佳，主要原因在于此時(shí)風(fēng)壓脈動(dòng)較弱，測試誤差相對(duì)較大；圖14為均方根系數(shù)相對(duì)誤差隨風(fēng)向角的變化情況，修正后的均方根風(fēng)壓系數(shù)明顯更接近標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，相對(duì)誤差除兩個(gè)風(fēng)向角超過5%以外，其余均在±5%以內(nèi)，可見通過在頻域內(nèi)進(jìn)行修正，得到的壓力脈動(dòng)時(shí)程與標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)更為貼近。

3.4 不同管系修正效果的對(duì)比分析

為了解對(duì)不同管系測得到結(jié)果的修正效果，這里將具代表性的0°，75°和285°三個(gè)風(fēng)向角下的修正效果數(shù)據(jù)列于表2，可以看出，不同管系的修正效果均比較理想，修正后的相關(guān)系數(shù)均有大幅提高，且均方根系數(shù)的相對(duì)誤差更接近0，除了285°風(fēng)向角下的均方根風(fēng)壓系數(shù)修正結(jié)果的相對(duì)誤差略偏大外，其余均較為理想，由于尾流區(qū)均方根系數(shù)本身不大，略大的相對(duì)誤差對(duì)工程影響不大?？梢姡词箿y壓管路總長達(dá)到了1 500 mm，采用本文的修正方法仍能得到比較理想的結(jié)果，管路長度影響不大。

表2 不同管系修正效果對(duì)比表

G2/mm風(fēng)向角/(°)γζ/%修正前修正后修正前修正后200500800110000.930.95-1.460.79750.870.92-4.54-2.542850.690.77-11.4-1.6400.870.94-2.67-1.10750.880.93-6.12-4.492850.580.71-16.5-10.700.830.97-7.361.84750.840.91-11.6-2.102850.550.80-22.7-1.0900.810.92-10.9-1.01750.820.83-14.7-4.892850.540.61-26.311.4

4 結(jié)語

本文采用自行設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)裝置對(duì)工程中常用管路進(jìn)行頻響函數(shù)的測試，采用實(shí)測的管路頻響函數(shù)編寫了頻域修正程序，并驗(yàn)證了修正方法的可靠性，在整個(gè)過程中得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：

1)采用實(shí)測管路頻響函數(shù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)風(fēng)壓頻域修正方法是可行的，能大大提高動(dòng)態(tài)風(fēng)壓測試的精度；2)位于迎風(fēng)區(qū)、氣流分離區(qū)的動(dòng)態(tài)風(fēng)壓修正效果較為理想，背風(fēng)區(qū)動(dòng)態(tài)風(fēng)壓的修正效果略顯不足，但對(duì)工程應(yīng)用的影響不大；3)針對(duì)本文采用的四種管系均可采用頻域內(nèi)修正方法進(jìn)行修正，管路長度對(duì)修正效果影響不大。

[1] Irwin H P A H，Cooper K R，Girard R.Correction of distortion effects caused by tubing systems in measurements of fluctuating pressures[J].Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics,1979,5(1-2):93-107.

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[10] 余世策,韓新剛,冀曉華，等.測壓管路動(dòng)態(tài)特性的實(shí)測技術(shù)研究[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2012，29(2):40-43.

Wind tunnel dynamic pressure testing based on the practical tubing system frequency response correction★

JI Xiao-hua YU Shi-ce JIANG Jian-qun

(CollegeofCivilEngineeringandArchitecture,ZhejiangUniversity,Hangzhou310058,China)

A plant model with different tubing system was tested in the boundary layer flow field, the modified wind pressure coefficient time histories were compared with the target time histories to validate the reliability of the correction method. Research results show that accurate wind pressure coefficient time histories can be obtained by using the pressure testing technology offered in this paper, and the revised experimental results can be used for engineering practice.

tubing system, frequency response function, FFT, wind pressure coefficient spectrum, correlation coefficient

1009-6825(2014)11-0032-04

2014-01-21★：國家自然科學(xué)基金(項(xiàng)目編號(hào)：50908208)

冀曉華(1981- )，男，碩士，助理工程師； 余世策(1978- )，男，博士，高級(jí)工程師； 蔣建群(1962- )，男，博士，教授

TU317.1

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