基于Arduino的叶栅风洞测控系统设计与研究.pdfVIP

摘要

叶轮机械作为一种动力设备广泛应用于航空、电站、舰船等高端领域，以及冶金、

勘探、化工、土木等一般工业领域作为主要或辅助动力设备。《中华人民共和国国民

经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》中指出：制造业核心竞争

力“航空发动机及燃气轮机”以及“农业机械装备”等领域都会广泛使用叶轮机械。

叶片作为叶轮机械的核心组成部件，对叶轮机械的工作效率有较大的影响，而叶栅气

动试验是验证压气机、涡轮机等叶轮机械叶片气动性能的主要手段。依托于实验室原

有的小型直流式叶栅风洞实验平台，原有测控系统实现的功能较少，程序代码封装难

以扩展，已经无法满足试验对测量精度和控制精度的要求。

本文利用开源电子平台Arduino和科学计算语言MATLAB搭建叶栅风洞测控系统，

弥补了原有测控系统的不足，降低风洞建设成本，满足教学实验需求。在原有基础上

完成了风洞测控系统的硬件设计与软件设计，设计和制作了硬件控制盒，并利用

MATLAB编写了风速控制模块、步进控制模块、数据处理模块程序代码。基于本文所

实现的测控系统，在间距比不同、雷诺数和流入角也不同的条件下，展开了等厚圆弧

叶片的气动性能研究，得到较高精度的试验数据。试验结果表明，试验数据与数值模

拟数据具有很好的一致性，其中损失系数的平均误差为3.37%，步进误差不超过0.2%，

测控系统的测量精度和控制精度符合要求。叶栅风洞测控系统将控制台手动控制和计

算机自动控制相结合，最大化提高自动化程度，风速控制采用了传统位置式PID算法

实现稳速控制，控制风速与目标风速的平均误差不超过0.2%。

本文旨在设计和研究叶栅风洞测控系统。通过系统性的设计与构建，实现了风洞

试验台改进、数据采集与处理系统完善以及精确可靠的控制系统。在文献综述部分，

回顾了叶栅风洞的发展历史和应用领域，并概述了相关测控技术的研究现状。硬件设

计与实现部分详细描述了叶栅风洞实验台、移动测量装置、传感器选型和硬件集成的

控制盒设计。软件设计与实现部分介绍了测控系统前后端功能需求、核心类的属性和

方法、界面友好的GUI设计。在最后的结果分析中展示了试验数据图表，针对试验结

果，根据误差来源进行分类并做出误差分析，以提高风洞试验的精度和效率。最后，

总结与展望部分概述了本文的主要研究成果，指出了该叶栅风洞测控系统的性能优点，

并提出了进一步提高测控系统性能的改进方法和未来的研究方向。经过调试，该测控

系统已成功投入使用，该系统完全满足实验室教学的要求，为实验教学和科学研究提

供了可靠支持。

关键词：叶栅风洞；测控系统；五孔探针；Arduino/MATLAB

Abstract

Impellermachineryasapowerplantiswidelyusedinaviation,powerplants,shipsand

otherhigh-endfields,aswellasmetallurgy,exploration,chemicalindustry,civilengineering

andothergeneralindustrialfieldsasthemainorauxiliarypowerequipment.ThePeoples

RepublicofChinaNationalEconomicandSocialDevelopmentofthe14thFive-YearPlanand

2035VisionOutlinepointedoutthatthecorecompetitivenessofthemanufacturingindustry,

aero-engineandgasturbineandagriculturalmachineryandequipmentandotherfields

willbewidelyused.Impellermachinery.Bladeasthecorecomponentoftheimpeller

machinery,impellermachineryefficiencyhasagreaterimpact,andthebladegridaerodynamic