美国AIAA风洞试验不确定度评定标准研究

中国空气动力研究与发展中心计算空气动力研究所——战培国
 1 引 言
风洞试验是航空航天飞行器空气动力学研究的主要手段。在上世纪50年代到80年代,美、俄、欧等发达国家基本形成和完善了国家空气动力设施(大型风洞)体系建设。90年代,国外大型风洞试验逐步向工业企业化的管理生产模式发展。如:美国NASA兰利研究中心成立了风洞企业集团、大型风洞相继建立质量体系认证、制定试验标准、规范试验流程等等。大型工业风洞被视为“工厂”,风洞试验数据则是其“产品”。这些大型工业风洞的“产品”被应用于航空航天飞行器气动设计、评估和CFD验证。为了保证风洞试验数据的品质和不同风洞试验数据之间的技术交流,需要建立风洞试验行业内试验数据不确定度评定标准,规范行业内风洞试验数据不确定度评定方法。1999年,美国航空航天协会(AIAA)标准执行委员会批准和颁布了《应用于风洞试验的实验不确定度评定》标准。
  2 标准制定的背景和主要内容
  2.1 标准制定的背景
  上世纪50年代左右,为了满足航空航天飞行器发展需要,国外发达国家相继开展了国家大型风洞建设。为了探索航空航天发展问题,北大西洋公约组织(NATO)成立了航空航天研究与发展咨询组(AGARD)。AGARD的创始人和第一任主席是著名的空气动力学家冯·卡门博士。该咨询组成员涵盖美、英、法、德等11个国家。上世纪80年代,AGARD的流体动力学小组开始关注风洞试验数据的精准度和品质问题,组织有关风洞试验相关机构,如:美国NASA、法国ONERA、德国DLR、英国ARA等,探讨风洞试验数据品质的评定方法并出版了相关报告AGARD-AR-304。90年代,随着NATO下属机构的整合变迁,AGARD退出了历史舞台。与之相反,美国航空航天协会(AIAA)成为了当今世界最有影响力的航空航天组织。AIAA协会继承了AGARD有关风洞试验测量不确定度的评定方法和研究工作成果,并结合国际标准化组织(ISO)有关测量不确定度的定义和评定标准,根据风洞试验领域长期实践的具体情况,开展了风洞试验不确定度标准的整理编写工作。
  经过AIAA地面试验技术委员会、标准小组委员会、标准执行技术委员会等审阅、修订,1999年AIAA正式颁布了《应用于风洞试验的实验不确定度评定》标准。该标准是美国和欧洲主要国家风洞试验机构长期实践经验的总结和不确定度评定方法的进一步规范,代表了当今世界一流风洞试验机构的做法。
  2.2 标准的主要内容
  AIAA不确定度评定标准全文共分为:前言、绪论、不确定评定方法、风洞误差源、应用于测力和测压试验的不确定度方法、结论和建议、附录,共计七个部分。
  “ 前言” 部分介绍了不确定度标准是源于AGARD工作小组早期的工作,强调了其难度在于执行过程中的统一性,阐述了标准参与制定的单位和修改、批准过程。
  “绪论”介绍了影响飞行器性能评定的不确定度因素,重点阐述了空气动力试验的不确定度影响因素,给出了包含不确定度评定过程的风洞试验流程图。
  “不确定评定方法”章节介绍了误差定义和传递过程,给出了不确定度精度分量和偏差分量的评定方法,阐述了试验结果不确定度的评定方法和不确定度报告应包含的内容。
  “风洞误差源”章节首先给出了风洞试验数据的形成过程及其中的误差源,介绍了试验技术、模型外形和光洁度、风洞流场品质、测试仪器、数学模型对不确定度评定的影响,分析了区分误差源重要性程度的问题,给出了风洞试验常见误差源的重要性调查结果。
  “应用于测力和测压试验的不确定度方法” 章节以常规测力和测压试验为例,应用上述评定方法,对风洞试验数据的不确定度进行评定,给出了一项风洞试验报告试验不确定度应包含的内容。
  “结论和建议”章节说明了该标准给出的不确定度评定方法的实用性和先进性,对风洞试验的管理者和试验技术人员提出了推广、培训和使用建议。
  “附录”主要阐述了“不确定评定方法”和“应用于测力和测压试验的不确定度方法”两个章节中涉及的一些具体技术问题。
  3 风洞试验不确定度评定标准研究
  分析研究AIAA风洞试验不确定度评定标准,有以下几个方面值得国内风洞试验单位管理人员和技术人员关注。
  (1)该标准的不确定度评定方法很好地处理了风洞试验的传统习惯与国际标准化组织(ISO)测量不确定度评定方法标准的统一。长期以来,对测量结果的质量评定,各行各业都采用“测量误差”的概念,“测量不确定度”的概念被国际各有关组织接受并推广应用始于上世纪90年代。1993年,国际标准化组织起草制定了《测量不确定度表示指南》(GUM)。在风洞试验领域,风洞试验数据品质的评定没有国际标准,只有行业内通行的习惯做法。在该标准的制定中,针对风洞试验领域工程技术人员的习惯,采用 “偏差极限”和“精度极限”概念来评定不确定度,而不是简单地沿用国际标准化组织关于测量不确定度更为通用的“A类不确定度”和“B类不确定度”概念。这样处理,风洞试验技术人员更容易理解,它保持了系统误差源与随机误差源的区分,而不管这些误差是根据统计方法(A类)还是其他方法(B类)得到的。
  (2)正确理解风洞试验结果从“误差”评定转变为“不确定度”评定的科学性和先进性。“误差”与真值(一般难以得到)有关,它表示测量结果与真值的偏离。而系统误差和随机误差又与无限多次测量的平均值有关。因此,从严格意义上说,误差是一个理想化的概念,在实际应用中很难准确定量评定,只能是估计值,误差的评定方法和表达形式是多样的。
  不确定度意味着测量结果正确性的可疑程度,是由于误差的存在所造成测量结果不能肯定的程度,是对被测量真值所处范围的评定。“不确定度(U)”能够合理地表征某一置信水准下被测量X之值的分散性。如:该标准中采用了95%的置信水准,也就是100次测量中有95次,被测量X的真值应该在实验测量值x±U的区间范围内。不确定度的评定方法是相同的,表达形式也是一样的。用“不确定度”概念来定量评定试验测量数据的质量是误差理论发展的一个重要成果,有利于技术交流和测量品质的评定。
  (3)正确认识“误差”和“不确定度”的概念区分。“误差”和“不确定度”都是评定试验数据质量高低的重要指标,从定义上看,前者表示的是试验测量结果对真值的偏离,是一个无法准确判定的确定值,后者表示的是试验测量结果的不确定性(或分散性),以分布区间的半宽表示。不确定度按评定方法不同分为“A类”和“B类”,A类不确定度是采用统计方法获得的,B类则是通过其他方法获得的,二者只是获取的方法不同,并不代表由此获得的不确定度分量有本质的差异,A类不确定度和B类不确定度都基于概率分布并用标准差表示,它们与误差理论中的“随机误差”和“系统误差”分类不存在对应关系。
  (4)风洞试验不确定度评定标准中采用95%的置信水准(confidence level),用“精度极限(precision limit)”和“偏差极限(bias limit)”来评定试验数据总的不确定度。标准分别给出了采用“精度极限”、“偏差极限”概念的不确定度评定方法和其向试验结果的传递形式,介绍了综合不确定度的分析方法、试验数据“异值”的确定和剔除方法。
  (5)风洞试验数据不确定度评定是风洞试验的一个重要环节。图1给出了标准中考虑了不确定度评定的风洞试验流程。由图1可见,风洞试验数据不确定度的评定,要在风洞试验前就应考虑,而不只是在试验完成后进行,将不确定度评定融入试验过程中才能确保试验数据的质量,控制试验结果不合格造成的风险。
  (6)风洞试验数据的误差源和各种误差源的重要程度分析。由于风洞试验的误差源很多,而且同一误差源对不同种类的风洞试验结果影响程度不同,因此,确定风洞试验的误差源,并分析这些误差源对试验结果的重要性是正确评定试验数据不确定度的关键。该标准从试验技术、模型制作、风洞流场品质、测试仪器、数学模型5个方面,分析了风洞试验涉及的误差源,并将误差源的重要性分为:关键、主要、重要、次要、不重要,按照1~5分分别计分,统计计算出了风洞试验最常见的测力和测压试验中误差的重要性。如:测压孔尺寸、形状和位置,这一误差源的重要性为2.7。
  (7)简化分析,关注重要误差源和“端对端(end to end)”原则。风洞试验的种类很多,影响风洞试验结果不确定度的误差源也很多,如:模型保真度、模拟技术、试验环境、数据采集与处理等,因此,从抓主要矛盾的观点出发,标准建议将主要精力放在分析主要误差源上,简化分析,可以采用“端对端”的原则,即:在一个过程中,不需要确定出其中每个影响因素的不确定度,有时这也是难以做到的,而只需要根据初始端的不确定度主要影响因素确定出最终需要结果的不确定度。
  (8)该标准确定的方法可用于指导风洞试验领域其他测量方面的不确定度评定。标准指出风洞试验数据不确定度评定方法,借鉴和吸收了国际标准化组织的技术研究成果,可以应用于风洞试验领域其他方面不确定度的评定。例如:我们在天平校准不确定度的评定上可以采用该方法,计算空气动力学不确定度评定上也可以采用该方法,使空气动力学领域内涉及的不确定度评定采用统一的标准方法。
  4 结 语
  当今,随着科学技术的发展,风洞试验已不仅仅与航空航天飞行器研制密切相关,而且也广泛应用于大气相关的许多行业,如:车辆、建筑、风能、环境等等,风洞试验数据已为更多的行业所应用。大型风洞运营的工业化发展模式,需要对风洞试验数据品质评定有规范的标准,同时,为便于国际间合作、技术交流,也需要风洞试验领域有统一的试验数据质量评定方法。因此,在风洞试验领域商业化竞争日益激烈的今天,风洞试验不确定度评定标准有利于促进风洞试验品质的提高。对我国风洞试验领域而言,目前尚无风洞试验数据的不确定度评定标准,学习、借鉴和推广使用已有的AIAA标准,建立与世界一流风洞试验水平接轨的试验数据品质评定方法,对提高我国风洞试验水平具有重要意义。
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