2024, Vol. 46
2. 中国舰船研究设计中心，湖北 武汉 430064;
3. 中国空气动力研究与发展中心，四川 绵阳 621000
2. China Ship Development and Design Center, Wuhan 430064, China;
3. China Air Dynamic Research and Development Center, Mianyang 621000, China
本文研究主要关注舰船或其他大型平台外场气流场测试。随着总体设计精细化的要求逐渐提高，气流场特性研究已经从航空航天向舰船等领域拓展。对舰船平台而言，林健锋等[1]利用仿真和试验的方法对舰船气流场进行对比研究，气流场特性关系到舰船与舰载机适配性、尾烟排放、舰面设备布局等方面，新型舰船由于舰面特征有较大的变化，Susan等[2]认为，在数值模拟和风洞模型试验的基础上，有必要进行实船外场气流场测试。并形成了一定的外场气流场测试方法，为明确每个测试工况的初始条件，需要对平台的前端流场进行测量，作为对应工况的参考性输入[3]。通常，前端流场的稳定性决定了测试的有效性，但是，自然条件扰动具有随机性，如何判断某一工况所测量的数据有效性是当前外场气流场测量关注的问题之一。本文对外场气流场前端测量的基本要求进行梳理，对比了测量误差典型方法，利用超声波风速仪作为测试工具，借鉴气象计量的相关标准，提出了外场气流场前端测量误差参数统计的方法，模拟了舰船外场气流场测试的3个典型工况并进行数据采集，对测量数据误差进行了处理分析。
1 外场气流场前端测量基本要求对于稳定向前运动的舰船平台，在进行气流场测试时需要对前端来流的相对风速和相对风向进行测量，因此被称为前端测量。
受到构型影响，气流在到达舰船后会受到结构阻挡，从而在舰面减速形成附面层并产生涡流[4]，前端测量设备如果处于气流变化区域内则无法获取准确的来流数据，如图1所示。
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图 1 来流在舰面的变化区域 Fig. 1 Inlet airflow profile over deck |
因此，一般的前端测量设备会尽量布置在甲板前缘，并保持一定高度，远离本舰对气流场来流的变化影响[5-6]。图2为国外航母在飞行甲板右舷前缘布置的前端气流场测量装置。
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图 2 国外航母在飞行甲板右舷前缘布置的前端气流场测量装置 Fig. 2 A forward airflow measuring mast standing on the flight deck |
前端测量的数据形式应与外场气流场测量的数据形式保持一致，主要包括相对坐标系、相对风速和相对风向，以及根据测试要求需要采集的其他类型数据。图3为舰船气流场测试采用的相对坐标系。
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图 3 舰船气流场测试采用的相对坐标系 Fig. 3 Relative coordinate system of ship’s airfield test |
此外，前端测量期间，测试平台的运动工况应在一定时间内保持稳定的运动速度和运动方向，以形成稳定的相对风速和相对风向。
2 测量误差统计方法比较为选择一种适用的测量误差统计方法，本文选择了工程应用较多的算术平均值法和气象测量衡准中应用较多的误差参数统计法进行对比分析。
2.1 算术平均值法算术平均值法是一种简单的误差计算方法，在工程现场的试验中应用较为广泛，其基本计算公式[7]为：
| $ Aa=\frac{1}{N}\cdot \sum _{i=1}^{n}{A}_{i} 。$ | (1) |
式中：Ai为第i个样本误差值；N 为样本总量：Aa为N个样本的误差平均值。
2.2 标准差参数统计法标准差参数统计法是气象数据误差统计中使用的一种统计方法，利用标准差和样本数据累计的数学规律来计算标准差值。
先计算系统误差：
| $ \bar{x}=\frac{\displaystyle\sum _{i=1}^{n}{x}_{i}}{n} 。$ | (2) |
式中：
计算标准偏差公式如下：
| $ s=\sqrt{\frac{\displaystyle\sum _{i=1}^{n}{{(x}_{i}-\bar{x})}^{2}}{n-1}} 。$ | (3) |
式中：
由式（2）和式（3），可形成误差区间：
| $ (\bar{x}-ks,\bar{x}+ks) ，$ | (4) |
其中，
测量结果应以整个测量范围误差区间表示，试验报告中说明置信概率。
此处是否应增加k值的取值依据，如表1所示。
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表 1 置信系数表 Tab.1 Confidence coefficients |
若技术指标没有规定，置信概率取68.3 %，置信系数k=1。
若技术指标规定了置信概率，通常假设样本为正态分布，置信概率又称置信度，计算公式如下：
| $ C=T/N 。$ | (5) |
式中：C为置信度；T为实际检测结果；N为样本总数，一般条件下，N取为60。
2.3 方法对比算术平均值法统计数据直观，步骤简单，适合在工程现场快速形成误差平均值，但是该方法无法表征外场随机变化情况和变化区间，无法对数据的有效性进行数学判断。
标准差参数统计法通过标准差统计计算形成误差区间，能够较为客观的置信区间范围，并通过置信度指标对测量的有效性进行判断，形成计算表后也可以较快完成误差计算和统计。
因此，本文选用标准差参数统计法作为误差统计的方法。
3 测量误差统计方法的初步方案明确了外场气流场前端测量基本要求，并选取了测量误差统计方法后，本文拟定了一个测量误差统计方法的初步方案。
3.1 测量坐标系定义本测量以舰船气流场测试为应用背景，因此采用与该测试一致的左手坐标系，风向角采用迎风顺时针方向。
3.2 测量试验条件本试验气象环境条件和设备条件应满足以下要求：
1）气象环境条件
试验当天应无降雨、冰雹、风暴等极端天气，周边空气洁净度较好，能见度满足一般视距要求，环境温度和湿度应处于设备能正常工作的温度、湿度范围内，试验时间段内自然风向风速相对稳定或低于测试相对风速。
试验区域应处于开阔室外平地环境中，测量点附近无高层建筑物、山体等遮蔽物体扰动，移动通讯条件良好。
2）设备条件
试验应准备风向风速仪及支架一套，本测量选用超声波风向风速仪，经过精度标定并处于正常工作状态；笔记本电脑一台，在外场条件下可长时间正常工作；防晒防风护具若干。
参试人员应着便利服装，具有防滑、便利的平底工作鞋，便携式通讯设备能正常工作。
3.3 测量试验准备1）选择测点，并定位；
2）架设风向风速仪，检查支架水平度和垂直度满足测量要求，记录测点距离地面高度，架设高度不小于0.8 m；
3）连接电路和笔记本电脑；
4）设备开机，检查设备是否正常运行。
3.4 测量试验步骤步骤1 设备调试完毕，开始记录（试验端可根据环境风速条件选择在固定测点进行测速或匀速移动风速仪形成相对风速）；
步骤2 每间隔不超过1 s读数，记录一次风速风向值；
步骤3 完成60组数据记录，初步整理数据；
步骤4 数据记录完毕，检查有无漏填、错填项目，检查有错误时需再次进行测量，检查无误后结束本次试验。
3.5 数据记录及后处理数据记录后，按照标准差算法和置信区间对数据进行后处理，并形成对应图表。
4 外场测量试验验证 4.1 试验验证准备为检验本方法的有效性，本文进行了一次外场试验验证。试验时间为上午至中午，当天天气晴好，无降雨、冰雹、风暴等极端天气，周边空气洁净度较好，能见度满足一般视距要求，上午平均气温21℃，环境温度和湿度应处于设备能正常工作的温度、湿度范围内，试验时间段内为持续西北风2级～3级，自然风向风速相对稳定或低于测试相对风速。
试验区域为某沿江大道直行段及路边绿地，车辆稀少，处于开阔室外平地环境中，测量点附近无高层建筑物、山体等遮蔽物体扰动，移动通讯条件良好。
风向风速仪选用windmaster 300系列超声波风向风速仪，速度精度0.1 m/s，角度精度0.1°，采集频率为20 Hz。采用数据记录系统和三脚架，通过数据线连接一台笔记本电脑。
为便于定速测试，本试验准备了1辆带天窗汽车，在定速测量时，将风速仪测量段伸出天窗，下端由三脚架固定，距地面高度2.5 m，距离车顶0.7 m，远离地面和车辆附面层影响，记录人员在后座操作和记录数据。
4.2 试验验证过程本验证试验步骤为：
步骤1 设备调试完毕，进入稳定状态（车辆逐渐加速稳定），开始记录（试验端可根据环境风速条件选择在固定测点进行测速或匀速移动风速仪形成相对风速）；
步骤2 系统自动读数频率为20 Hz，本次测试记录一次风速风向值时间不小于45 s；
步骤3 进行3组试验（8 m/s、9 m/s、21 m/s，风向角分别为355°、358°、353°），每组完成60项数据记录，初步整理数据；
步骤4 数据记录完毕，检查有无漏填、错填项目，检查有错误时需再次进行测量，检查无误后结束本次试验。
4.3 试验结果由于数据采集系统频率高于试验要求，因此在结果分析时，选择单次采集数据的中间段60组数据进行分析，避开首尾段因车辆加减速过程带来的误差。经数据采集和后处理，形成6组数据的置信度结果如图4和表2所示。
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图 4 各工况置信概率 Fig. 4 Confidence percentages of 3 conditions |
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表 2 各工况置信概率汇总 Tab.2 Confidence percentages of 3 conditions |
分析可知，在稳定运动条件下，随着相对风速的增大，测量数据置信概率呈现增大的趋势。
本方法可以较为有效地筛选出有效测量值，证明了本试验方法和数据后处理方法的可行性，但低速工况的置信概率偏低。由于本次试验各测试工况的时间周期较短，稳定数据样本数量约束在60组，如果能够进一步增加有效测量时间和样本数量，误差区间随着样本数量增加会趋于稳定，数据的置信概率也可以进一步提高。
5 结 语本文对外场气流场前端测量的基本要求进行梳理，对比了测量误差典型方法，利用超声波风速仪作为测试工具，借鉴气象计量的相关标准，提出了外场气流场前端测量误差参数统计的方法，模拟了舰船外场气流场测试的3个典型工况并进行数据采集，对测量数据误差进行处理分析。
经过外场试验验证，初步证明利用标准差参数统计法进行前端气流场测量有效。后续需要对样本总量和持续稳定相对风速的影响做进一步研究。
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