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风洞风速控制与数据采集处理系统的研究与开发

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第28卷　第1期2007年03月内蒙古农业大学学报Journal of I nner Mongolia Agricultural UniversityVol.28　No.1Mar.2007风洞风速控制与数据采集处理系统的研究与开发3石　坤,　童淑敏,　麻硕士,　洪宝棣(内蒙古农业大学机电学院,呼和浩特　010018)摘要:　本文依据现代测试技术理论和虚拟仪器的思想,在配置风洞风速控制硬件系统的基础上,利用Lab W indows/ CV I平台开发出1套在通用计算机上实现风洞风速控制、数据采集分析及处理的软件系统。

关键词:　风洞;　风速;　数据采集;　测控系统中图分类号:　TP391.9 文献标识码:　A 文章编号:1009-3575(2007)01-0121-03ST UDY AND DES I GN O F W I N D VELOC I TY CONTROL AND DAT A ACQU I S I TI O N PROCESS I N G SYSTE M FOR W I N D-T UNNEL SH I Kun,　T ONG Shu-m in,　MA Shuo-shi,　HONG Bao-di(College of M echanical and E lectrical Engineering,InnerM ongolia A gricultural U niversity,Huhhot010018,China)Ab s tra c t:　A set of s oft w are syste m t o carry out data acquisiti on,analysis and p r ocess of wind tunnel on the general-pur pose comput2 er by means of theories of modern test technol ogies and ideas of virtual instru ments based on configuring the hard ware test syste m of aer2 odyna m ic characteristics of portable er osi on wind tunnel making use of Lab W indows/CV Iwas devel oped.Key wo rd s:　W ind tunnel;　wind vel ocity;　data acquisiti on;　test syste m 20世纪80年代以来,我国建立的低速风洞,包括各种风蚀风洞和民用空气动力学实验风洞都是把动力系统、控制系统和数据采集处理系统集为一体以实现其高自动化作为设计目标之一。

目前,对于风蚀风洞而言,设备相对落后,自动化程度不高,试验工作人员劳动强度大,实验时间长,风洞试验的质量和实验的成功率受到比较大的影响。

本文以Lab W indows/CV I为软件平台介绍了自动化程度较高的1种低速风洞测控系统的研究与开发。

研究所用的风洞为内蒙古农业大学研制的0F DY-1.2型可移动式风蚀风洞,其属于直流吹气式风洞,由1台风机提供实验气流,风机功率为30k W,电源采用自带柴油发电机组,又可利用当地城市电的双重供电方案,柴油机发电机组的功率为40k W。

风洞实验段风速为0m s-1～18m s-1。

1　系统硬件设计风洞测控系统包括电机风扇、变频器、皮托管、气压差变送器、数据采集卡等部分,如图1所示。

工作过程是由计算机给定1个风速,使用RS232/RS485接口,实现计算机和变频器之间的连接和通讯,通过变频器完成对风洞动力系统的控制,完成微机监控下风蚀风洞中风速的设定。

皮托管和气压差变送器用来测量风速的压力并将该压力信号转换成电信号,根据公式:P+12ρV2=P 式中:P———静压力ρ———流体的密度V———流体的流速P0———总压力通过计算可以得出风速值。

3收稿日期:　2006-10-30基金项目:　教育部博士学科基金(20050129007),内蒙古科技厅攻关项目(20030703)作者简介:　石坤(1981—),男,硕士研究生,主要从事现代测试技术方面的工作.图1　风洞测控系统框图Fig.1The figure of measure ment and contr ol syste m in wind tunnel 111　风速控制装置在参考国内外研究的基础上,设计了1种基于计算机和单片机的风洞风速控制系统。

通过该系统控制变频器,由变频器控制风机从而产生所需要的风速。

在系统设计方面,上位机为计算机与下位机(单片机)进行通信。

计算机按照设定的风速,给下位机(单片机)发送1个控制风速的电流值,单片机从计算机的通信口获取数据,并把此数据送给D/A 板,通过D/A板的电位器转化成控制电流,将此电流输入变频器,以此实现变频器控制风机的转速。

112　传感元件选择传感元件时,首先要考虑测试仪器置入流场后,其轮廓形状应尽量减少对原流场的影响。

其次考虑到野外实验条件的局限性,应尽量选择便于携带、安装、拆卸以及有较高性价比的测试仪器。

本系统选用AST-1型标准皮托管。

皮托管安装在风洞内,接受气流的总压和静压,通过管线将压力信号传送给气压差变送器。

113　气压差变送器0F DY-1.2型风蚀风洞属小型可移动式风洞,工作环境差,风速低(小于18m s-1),风速范围内对应的气压差值在0Pa到256Pa。

综合考虑其它因素,选用JCJ800B2型微差压变送器。

气压差变送器接受皮托管输入的两压力信号,并转换成动压的电信号,此电信号经过放大通过数据采集卡采集信号,最后用软件对数据进行处理、存储和显示。

114　数据采集卡为简化系统硬件的设计,并便于计算机控制,采用1块PC I-M I O-16E-4作为计算机与变频器、传感器等外围部件的接口,完成D/A、A/D转换以及控制等功能。

PC I-M I O-16E-4是美国国家仪器公司(Nati onal I nstru ment,简称N I)推出的1种通用型PC I总线数据采集卡。

2　系统软件设计本系统是以Lab W indows/CV I为软件开发平台,主要由软件来实现信号的控制、采集、存储、处理和显示。

主要功能包括:上位机与下位机通信完成对风速的控制、风速波形的实时显示以及存储、多通道的数据采集、数据存储和数据处理等等。

211　风速控制风速控制面板如图2所示。

在Lab W indows/CV I软件开发环境下,通过编程实现变频调速系统的控制算法及实验系统的监控功能,在该系统中,软件部分主要涉及监控面板的设计、对硬件的握手操作和控制算法的设计。

Lab W indows/CV I提供了GP I B和RS-232接口编程。

本系统使用的函数是ComW rt(),其函数定义如下:Status30=ComW rt(Comport30,Data30, Bytes);参数Comport30已定义为COM端口号。

参数Bytes为向端口发送数据的字节数,如果为0,则忽略该参数,当遇到停止字符或者发生错误时函数停止操作。

图2　风速控制面板Fig.2wind vel ocity contr ol panel212　数据采集数据采集面板如图3所示。

利用该界面可以实现多通道的数据自动采集,以及对采集数据的分组存储。

在数据采集前,可选择采集通道(本系统共设置了18个通道)、设置采样频率及采样时间和外界环境等参数。

由于内蒙古地区温差较大,海拔较高,为了得到比较准确的实验数据,所以对影响气体密度的两个参数———温度和气压进行预处理,即外界环境的设置。

221内蒙古农业大学学报 2007年图3　数据采集面板Fig.3data acquisiti on panelLab W indo ws/CV I提供了用于端口读写的Easy I/O for DAQ函数库,用户只须正确的设置有关的参数值,然后调用库中的函数就能方便的实现从外部采集数据。

本系统采用A I Start A cquisiti on()和A I ReadAcquisiti on()两函数搭配使用完成数据采集功能,其函数定义如下:A I Start A cquisiti on(device,channelString[],buff2 erSize,scansPerSecond,high L i m it,l owL i m it,3actual2 ScanRate,3task I D);参数device表示设备号,channelString表示采集通道,bufferSize为存储采集数据的内部缓存器大小, scansPerSecond为采样频率,highL i m it和l owL i m it分别为采样的上限和下限值。

参数actualScanRate为实际的采样频率,task I D为采样操作I D号。

A I ReadAcquisiti on(task I D,scanst oRead,read2 Mode,3scan Backl og,fill M ode,wavefor m);参数task I D为采样操作I D号,由A I Start A cqui2 siti on函数得到,scanst oRead为采样长度。

参数read2 Mode表示读取模式,可以为LATEST_MODE和CONSECUTI V E_MODE两种模式,LATEST_MODE表示读取最新采集到的数据,CONSECUTI V E_MODE 表示从上次读取的数据后面接着读取;本系统所选用的是LATEST_MODE模式。

参数fill M ode表示数据的存储模式,可以是GROUP_BY_CHANNEL和GROUP_BY_SCAN两种模式,为GROUP_BY_CHAN2 NEL时表示按照通道顺序存放,为GROUP_BY_ SCAN时表示按照采样次数顺序存放;本系统所选用的是GROUP_BY_CHANNEL模式。

参数scanBack2 l og表示缓存器中还剩数据的大小,wavefor m为得到的double型数据。

213　信号分析数据处理面板如图4所示。

通过该界面可以对已采集数据进行回归分析做拟合曲线图和拟合方程,可以完成风速廓线、风蚀量廓线、数据波形显示和处理结果的输出。

Lab W indo ws/CV I提供了用于信号分析的“anal2ysis.lib”函数库。

考虑到实际的理论依据在本系统中选用指数拟合库函数ExpFit(),该函数可直接确定各项拟合系数,其函数定义如下:ExpFit(A rray X,A rray Y,Number of Ele ments, Out put A rray,Amp litude,Decay,Mean Squared Er2 r or);参数A rray X为采集不同数值输入量数组X。

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风洞实验应用的是什么原理

风洞实验应用的是什么原理

风洞实验应用的是什么原理1. 引言风洞实验是一种非常重要的实验手段，广泛应用于航空、汽车工程、建筑等领域。

通过模拟真实环境，在实验室中进行气流的模拟，可以帮助工程师们研究空气动力学问题，并优化设计，提高产品性能。

在进行风洞实验时，我们需要了解风洞实验应用的基本原理。

2. 风洞的基本原理风洞实验的基本原理就是通过空气流动来模拟实际的气流场。

风洞是一个由细长的结构组成的容器，内部建造有与外部环境接触的入口和出口。

通过控制入口处的风速和流量，可以模拟各种不同的实际气流条件。

3. 风速控制原理风洞中的风速控制是风洞实验中最重要的一部分。

通过调整入口处的风速，可以模拟不同的空气风速条件，以满足不同的实验要求。

主要的风速控制原理包括下面几种：•风扇控制原理：通过调整风扇的转速，控制空气流动的速度。

可以通过调整电机的电流或电压来改变风扇的转速，从而控制风速。

•蜗轮蜗杆控制原理：通过调整蜗轮蜗杆传动的速度比例，来控制空气流动的速度。

•变频器控制原理：通过调节变频器的输出频率，控制驱动风机的电机转速，从而控制风速。

4. 流场模拟原理风洞实验不仅要求模拟空气的流速，还需要模拟真实的气流场。

通过合理的设计和布置风洞内部的结构，可以使空气在风洞内产生平稳的流动，并尽可能地接近实际气流场。

以下是常用的流场模拟原理：•入流条件仿真：通过设置合适的进口边界条件，使得入流的速度和流场分布与实际情况相符。

•出流条件仿真：通过设置合适的出口边界条件，使得出流的条件与实际情况相符。

•增加障碍物：在风洞内部设置相应的障碍物，以模拟实际场景中的建筑、车辆等物体对空气流动的影响。

5. 实验数据采集原理风洞实验的另一个重要方面是实验数据的采集与记录。

在风洞实验中，我们需要采集各种参数，如气流速度、压力分布、升力和阻力等相关数据。

以下是常用的实验数据采集原理：•压力传感器：用于测量风洞壁面的压力分布。

通过将压力传感器安装在风洞内部的壁面上，可以测量不同位置的压力值。

建筑结构的风洞试验与数值模拟研究

建筑结构的风洞试验与数值模拟研究

建筑结构的风洞试验与数值模拟研究建筑结构的安全性一直是建筑师们关注的焦点之一。

在设计出一个安全耐用的建筑结构之前，一定要进行充分的试验和测试。

在建筑物设计中，风荷载是一个非常重要的指标。

因此，建筑师们需要进行风洞试验和数值模拟来研究建筑结构的受风性能。

一、风洞试验风洞试验是建筑设计中最常用的试验方法之一。

风洞试验可以通过缩小建筑模型，模拟真实的风场环境，对建筑物的受风性能进行测试。

风洞试验可以研究建筑物的风压分布、风阻力系数、风振响应等。

在风洞试验中，建筑模型通常是由透明材料制成的，例如有机玻璃。

在试验中，科学家会在风洞的一端设置一个风源，另一端放置建筑模型。

通过控制风源的强度和方向，来模拟不同的风压和风速。

试验者会用高速摄像机记录下建筑结构在不同风压下的形变和振动响应。

通过分析试验数据，科学家们可以得到建筑结构的受风情况，从而优化设计方案。

风洞试验是建筑结构设计中必不可少的一步。

虽然风洞试验的成本较高，但是它可以提供非常详实的数据供设计师参考，确保设计的可靠性和安全性。

二、数值模拟数值模拟是利用计算机对建筑结构的受风性能进行模拟分析。

数值模拟可以对建筑物进行全尺寸模拟，更加精确地研究建筑物在不同气候条件下受风性能。

在数值模拟中，建筑模型通常是以三维建模软件建立的。

模型可以包括建筑物的任何细节和复杂形状。

科学家们可以通过数值模拟计算建筑物在不同风荷载下的变形和压力分布。

通过这些数据，设计师可以优化建筑结构，增加抗风能力和稳定性。

数值模拟的准确度取决于计算模型的准确度和建筑物的真实风荷载数据。

因此，在进行数值模拟之前，需要收集大量的实际测量数据，包括气象数据、风洞试验数据等。

数值模拟较便宜、操作简便、数据处理方便，是风洞试验的补充。

虽然数值模拟比风洞试验自由程度高，但是受模型限制，其范围领域是小的，需要设计师更加精细的处理模型。

在实际工程中，风洞试验和数值模拟通常是相辅相成的。

总结在建筑结构设计中，风洞试验和数值模拟都是非常重要的步骤。

客家土楼的风洞实验方案及测量系统

客家土楼的风洞实验方案及测量系统

客家土楼的风洞实验方案及测量系统一、风洞实验方案：1.实验设备a.客家土楼模型：选择典型的客家土楼作为实验模型，模型尺寸需要按比例缩小，以适应实验室风洞的尺寸。

b.风洞：选择一个具备可调节风速和风压的风洞，以模拟不同环境下的风力情况。

c.测量设备：选择空气动力学测量仪器，如压力传感器、风速仪等，用于测量土楼外墙表面压力和风速分布等。

2.实验参数设置a.风速：根据客家土楼所处环境的风速统计资料，设置不同的风速作为实验参数，如10m/s、20m/s等。

c.实验测点：在土楼模型的外墙表面上设置一系列测点，以测量不同位置处的风速和压力分布。

3.实验步骤a.确定实验参数，包括风速、风向等。

b.放置土楼模型于风洞中心位置，保证土楼模型和风洞之间的间隙尽可能小，以减少干扰。

c.打开风洞，设置实验所需的风速和风向。

d.开始数据采集，并记录实验过程中的关键参数，如风速、压力等。

e.根据实验需求，进行多次重复实验，并通过对数据的分析和对比，确定风洞实验结果的可靠性。

4.实验数据处理a.将采集到的压力和风速数据进行整理和分析，计算出土楼表面不同位置的平均压力和风速。

b.绘制土楼表面压力和风速的分布图，便于观察土楼不同部位的风载荷情况。

c.使用数值方法，如计算流体力学（CFD）模拟等，对风洞实验结果进行验证和分析，进一步提高实验结果的可信度。

二、测量系统1.压力测量系统a.压力传感器：选择高精度的压力传感器，能够准确测量不同点位的压力差。

b.数据采集器：选择合适的数据采集器，用于将压力传感器采集到的数据进行存储和传输。

2.风速测量系统a.风速仪：选择高精度的风速仪，能够实时监测不同点位处的风速。

b.数据采集器：选择合适的数据采集器，用于将风速仪采集到的数据进行存储和传输。

3.数据处理系统a.计算机软件：选择适用于空气动力学实验数据处理的计算机软件，用于对采集到的数据进行整理、分析和绘图。

b.数据分析算法：使用合适的数据分析算法，对实验数据进行处理，得出土楼外墙表面压力和风速的分布情况。

风洞试验方案

风洞试验方案

风洞试验方案一、引言风洞试验是航空航天、汽车工程、建筑等领域中必不可少的研究手段之一。

通过在风洞中对模型进行气动力测试，可以获取与实际情况相似的数据，从而评估设计方案的可行性和优化设计。

本文将介绍一种风洞试验方案，以期为相关研究提供参考。

二、目标本次风洞试验的主要目标是研究某型飞机机翼在不同飞行速度和攻角下的气动力性能。

通过测量机翼的升力、阻力、升力系数和阻力系数等参数，评估机翼的气动性能，并为后续的飞行器设计提供参考数据。

三、试验设备1. 风洞：采用水平流向风洞，具备可调节风速和风向的功能，以满足不同试验要求。

2. 模型：选择适用于飞机机翼的缩比模型，考虑到兼容性和可重复性，模型尺寸与实际情况保持一定比例。

模型制作材料要求具备良好的刚度和表面光滑度，以保证试验数据的准确性。

3. 数据采集系统：采用高精度的传感器和数据采集设备，能够实时记录模型在不同试验条件下的气动力数据。

同时，确保数据采集系统的准确性和稳定性，以避免数据误差对试验结果的影响。

四、试验步骤1. 模型准备：在试验开始前，对模型进行必要的准备工作，包括清洁模型表面、确认模型的尺寸和重量等，以确保试验的可靠性和重复性。

2. 试验条件设定：根据试验目标，设定不同的飞行速度和攻角组合。

在设定试验条件时，需要考虑模型受风洞流场影响的因素，如风洞尺寸、风洞流场均匀性等。

3. 实施试验：将模型放置在风洞中心位置，根据设定的试验条件进行试验。

在每组试验中，要确保模型的姿态稳定和位置准确，以保证试验数据的准确性。

4. 数据采集：在试验过程中，通过数据采集系统实时记录模型的气动力参数。

同时，应确保数据采集设备的稳定性和准确性，以保证试验数据的可靠性。

5. 数据分析：对采集到的试验数据进行处理和分析，计算升力系数、阻力系数等气动力参数，并绘制相关曲线和图表。

通过对数据的分析，评估模型在不同试验条件下的气动性能。

六、试验安全与注意事项1. 设备安全：确保风洞设备的稳定运行，避免发生故障或安全事故。