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专利名称：一种用于直升机工程模拟器的实时风场建模方法

专利类型：发明专利

专利申请号：CN202111399084.7

专利申请（专利权）人：中国直升机设计研究所
权利人地址：江西省景德镇市航空路6-8号

专利发明（设计）人：周攀,汪洋

专利摘要：本发明提供了一种用于直升机工程模拟器的实时风场建模方法，包括：对训练区域风场数据进行处理，包括：对训练区域风场数据的大批量风场数据进行划分，得到风场模型数据库；训练区域风场数据包括：基础训练区域风场数据和典型特征训练区域风场数据；对影响直升机工程模拟器试验效果的典型特殊风场进行建模，得到典型特殊风场模型；根据直升机所在位置，在风场模型数据库进行查找直升机周边的流场数据点，并通过加权插值得到直升机所在位置处的流场情况，从而得到用于直升机工程模拟器的实时风场模型。本发明的技术方案解决了现有主桨毂中央件的疲劳试验方式，难以保证主桨毂中央件的桨毂中心和支臂对接面的载荷同时满足试验要求的问题。

主权利要求：
1.一种用于直升机工程模拟器的实时风场建模方法，其特征在于，包括：步骤1，对训练区域风场数据进行处理，包括：对所述训练区域风场数据的大批量风场数据进行划分，得到风场模型数据库；所述训练区域风场数据包括：基础训练区域风场数据和典型特征训练区域风场数据；
步骤2，对影响直升机工程模拟器试验效果的典型特殊风场进行建模，得到典型特殊风场模型；
步骤3，根据直升机所在位置，在风场模型数据库进行查找直升机周边的流场数据点，并通过加权插值得到直升机所在位置处的流场情况，从而得到用于直升机工程模拟器的实时风场模型。
2.根据权利要求1所述的用于直升机工程模拟器的实时风场建模方法，其特征在于，所述步骤1包括：步骤11，建立训练区域三维模型，根据训练区域三维模型计算出所述训练区域风场数据作为基础数据库，所述训练区域风场数据由多个大文件的数据内容组成；
步骤12，将每个所述大文件划分成多个小文件，并在每个小文件中以二进制方式存储相同大小的风场数据，由所述多个小文件形成所述风场模型数据库；其中，划分小文件的标准为：将建立训练区域三维模型时的计算域划分为大小相同的多个小区域，所述计算域为长方体，划分出的多个小区域分别对应一个小立方体，并把位于小立方体中的风场数据单独的存储在一个小文件中。
3.根据权利要求2所述的用于直升机工程模拟器的实时风场建模方法，其特征在于，所述典型特殊风场模型包括：紊流模型、阵风模型、风切变模型；且每个典型特殊风场模型包括以下两种触发模式，即时触发模式和条件触发模式。
4.根据权利要求3所述的用于直升机工程模拟器的实时风场建模方法，其特征在于，所述步骤2中，所述紊流模型的建立方式为：选取德莱顿紊流模型作为紊流模型，所述紊流模型的传递函数中的流尺度和紊流强度是高度的函数，从而获得不同高度下的紊流尺度和紊流强度；
所述步骤2中，所述阵风模型的建立方式为：
对待建立的阵风模型的剖面几何形状进行分类，剖面几何形状的类型包括：矩形、梯形、三角形、正弦形和余弦形；
根据直升机工程模拟器的使用需求，选取至少一种类型的剖面几何形状的组合模型作为阵风模型；
所述步骤2中，所述风切变模型的建立方式为：
根据风切变事故的分析统计，建立的风切变模型为，包括逆风/顺风、侧风、垂直风及水平漩涡的全三维微下击暴流风切变模型。
5.根据权利要求4所述的用于直升机工程模拟器的实时风场建模方法，其特征在于，所述步骤3包括：步骤31，根据直升机所在位置，确定出空气流场计算域中该直升机所在的小区域；
步骤32，查找到存储有该小区域中流场数据对应的小文件；
步骤33，提取出直升机距离在预设阀值以内的流场数据对应的小文件中的数据点；
步骤34，根据所提取数据点分别与直升机的距离，每个数据点的风速，加权插值得到直升机所在位置处的流场情况。
6.根据权利要求5所述的用于直升机工程模拟器的实时风场建模方法，其特征在于，所述步骤3通过双线程并行执行，其中一个线程为定位查找线程，另一个线程为预先加载线程；
所述定位查找线程，用于根据步骤31～步骤34的方式查找得到直升机位置处的流场情况；
所述预先加载线程，用于将直升机附近区域的流场数据预先加载到缓存中，从而在直升机下次改变位置后，使得定位查找线程直接从缓存中进行定位查找，得到直升机当前位置处的流场情况。
7.根据权利要求6所述的用于直升机工程模拟器的实时风场建模方法，其特征在于，还包括：步骤4，对实时风场模型进行数据管理和调度，包括：数据传输和模型控制。
8.根据权利要求7所述的用于直升机工程模拟器的实时风场建模方法，其特征在于，所述数据传输是指：所述实时风场模型对外进行数据交互；
所述模型控制是指：所述实时风场模型内部模型控制及数据交互，并且可接收外部控制命令。 说明书 : 一种用于直升机工程模拟器的实时风场建模方法技术领域[0001] 本发明涉及但不限于飞行仿真技术领域，尤指一种用于直升机工程模拟器的实时风场建模方法。背景技术[0002] 直升机工程模拟器研制主要目的是，在直升机研制初期为飞行品质、控制律设计、航电设计等提供验证平台，并为驾驶员提供逼真的操作环境，使驾驶员在型号首飞前熟练飞行操作和故障处置程序，降低首飞风险。[0003] 实时风场模型是直升机工程模拟器研制的重要组成部分，主要为直升机工程模拟器提供起降、飞行过程中所需的实时风。凳狈绯∧Ｐ陀苫∏蚍绯、特殊风场、典型特征风场等组成。实时风场贯穿在直升机工程模拟器试验全过程中，尤其涉及到飞行品质试验、控制律设计试验等和直升机气动特性紧密相关的试验过程中，实时风场的仿真效果直接影响试验结果评定。[0004] 目前国内尚无针对直升机工程模拟器风场建模技术的相关规范研究，对于飞行训练模拟器来说，与风场相关的研究也主要集中在部分典型特殊风场建模、部分典型起降特征风场建模等方面，无法满足直升机工程模拟器实时风场建模的需求。目前的风场建模方式缺乏统一的标准、且以主观功能性评价为主，这种风场建模方式严重制约了国内直升机工程模拟器的风场建模效果。发明内容[0005] 本发明的目的是：本发明实施例提供一种用于直升机工程模拟器的实时风场建模方法，以解决现有风场建模方式，缺乏统一的标准、且以主观功能性评价为主，从而导致严重制约了国内直升机工程模拟器的风场建模效果的问题。[0006] 本发明的技术方案是：本发明提供了一种用于直升机工程模拟器的实时风场建模方法，包括：[0007] 步骤1，对训练区域风场数据进行处理，包括：对所述训练区域风场数据的大批量风场数据进行划分，得到风场模型数据库；所述训练区域风场数据包括：基础训练区域风场数据和典型特征训练区域风场数据；[0008] 步骤2，对影响直升机工程模拟器试验效果的典型特殊风场进行建模，得到典型特殊风场模型；[0009] 步骤3，根据直升机所在位置，在风场模型数据库进行查找直升机周边的流场数据点，并通过加权插值得到直升机所在位置处的流场情况，从而得到用于直升机工程模拟器的实时风场模型。[0010] 可选地，如上所述的用于直升机工程模拟器的实时风场建模方法中，所述步骤1包括：[0011] 步骤11，建立训练区域三维模型，根据训练区域三维模型计算出所述训练区域风场数据作为基础数据库，所述训练区域风场数据由多个大文件的数据内容组成；[0012] 步骤12，将每个所述大文件划分成多个小文件，并在每个小文件中以二进制方式存储相同大小的风场数据，由所述多个小文件形成所述风场模型数据库；其中，划分小文件的标准为：将建立训练区域三维模型时的计算域划分为大小相同的多个小区域，所述计算域为长方体，划分出的多个小区域分别对应一个小立方体，并把位于小立方体中的风场数据单独的存储在一个小文件中。[0013] 可选地，如上所述的用于直升机工程模拟器的实时风场建模方法中，所述典型特殊风场模型包括：紊流模型、阵风模型、风切变模型；且每个典型特殊风场模型包括以下两种触发模式，即时触发模式和条件触发模式。[0014] 可选地，如上所述的用于直升机工程模拟器的实时风场建模方法中，所述步骤2中，所述紊流模型的建立方式为：[0015] 选取德莱顿紊流模型作为紊流模型，所述紊流模型的传递函数中的流尺度和紊流强度是高度的函数，从而获得不同高度下的紊流尺度和紊流强度；[0016] 所述步骤2中，所述阵风模型的建立方式为：[0017] 对待建立的阵风模型的剖面几何形状进行分类，剖面几何形状的类型包括：矩形、梯形、三角形、正弦形和余弦形；[0018] 根据直升机工程模拟器的使用需求，选取至少一种类型的剖面几何形状的组合模型作为阵风模型；[0019] 所述步骤2中，所述风切变模型的建立方式为：[0020] 根据风切变事故的分析统计，建立的风切变模型为，包括逆风/顺风、侧风、垂直风及水平漩涡的全三维微下击暴流风切变模型。[0021] 可选地，如上所述的用于直升机工程模拟器的实时风场建模方法中，所述步骤3包括：[0022] 步骤31，根据直升机所在位置，确定出空气流场计算域中该直升机所在的小区域；[0023] 步骤32，查找到存储有该小区域中流场数据对应的小文件；[0024] 步骤33，提取出直升机距离在预设阀值以内的流场数据对应的小文件中的数据点；[0025] 步骤34，根据所提取数据点分别与直升机的距离，每个数据点的风速，加权插值得到直升机所在位置处的流场情况。[0026] 可选地，如上所述的用于直升机工程模拟器的实时风场建模方法中，所述步骤3通过双线程并行执行，其中一个线程为定位查找线程，另一个线程为预先加载线程；[0027] 所述定位查找线程，用于根据步骤31～步骤34的方式查找得到直升机位置处的流场情况；[0028] 所述预先加载线程，用于将直升机附近区域的流场数据预先加载到缓存中，从而在直升机下次改变位置后，使得定位查找线程直接从缓存中进行定位查找，得到直升机当前位置处的流场情况。[0029] 可选地，如上所述的用于直升机工程模拟器的实时风场建模方法中，还包括：[0030] 步骤4，对实时风场模型进行数据管理和调度，包括：数据传输和模型控制。[0031] 可选地，如上所述的用于直升机工程模拟器的实时风场建模方法中，[0032] 所述数据传输是指：所述实时风场模型对外进行数据交互；[0033] 所述模型控制是指：所述实时风场模型内部模型控制及数据交互，并且可接收外部控制命令。。[0034] 本发明的有益技术效果：[0035] 本发明提供的一种用于直升机工程模拟器的实时风场建模方法，主要包括：风场数据处理、特殊风场建模、数据快速查找和数据管理调度这四部分，采用本发明实施例提供的用于直升机工程模拟器的实时风场建模方法，可以指导完成直升机工程模拟器的实时风场建模，节省研发成本，提高模拟器仿真效果。基于上述四个部分内容本发明实施例具有以下几点有益效果：[0036] 一是风场建模的完整性，通过直升机工程模拟器的研制和使用经验，将直升机工程模拟器实时风场建模工作拆分为风场数据处理、特殊风场建模、数据快速查找和数据管理调度等四大步骤共四大步骤，可满足直升机工程模拟器需求，且能避免功能及性能缺失。[0037] 二是风场建模的有效性，针对直升机工程模拟器试验需求，有针对性的提出了典型特征风场建模概念，确保风场建模的有效性。如进行城区起降相关试验，应对典型建筑进行特征风场建模；进行舰船起降相关试验，应对舰面流场进行特征风场建模；进行高原相关试验，应对典型高原地貌进行特征风场仿真。[0038] 三是风场模型数据调用的实时性，风场数据体量巨大，通过流场数据处理模块和数据快速查找模块技术，可保证风场数据调用的实时性。其中流场数据处理基本思路是将计算域分为多个大小不一的立方体，每个小立方体中的流场数据单独以二进制方式存储；数据快速查找模块使用预加载的思路提高效率，具体是使用双线程并行定位查找方案，一个线程负责定位查找，另一个线程负责预先加载直升机附近区域的空气流场数据，负责定位查找的线程得出直升机位置处空气流场数据后，负责预加载的线程把直升机附近区域的数据加载到缓存中，因为短时间内直升机位移不大，因此下次直升机改变位置后，负责定位查找的线程即可直接从缓存中进行定位查找，得到直升机新的位置处流场情况，这可以极大的缩短定位查找的耗时，提高实时性。[0039] 四是风场建模的实时性，由于直升机工程模拟器对实时性要求较高，一般要求风场模型从数据输入到数据输出控制在一个仿真周期内，根据直升机工程模拟器研制经验，一般不超过5ms。为了确保实时风场系统可以满足直升机工程模拟器实时性需求，采用多线程控制技术。数据监控等界面显示模块占用计算机资源比较大且对实时性要求不高，为了避免影响模型解算，建立独立线程且降低该线程优先级；风场模型数据调用等实时性要求高且耗时较大的模块，建立独立线程且提高该线程优先级；其它实时性要求高且耗时较小的模块，直接在主线程中完成。附图说明[0040] 附图用来提供对本发明技术方案的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本申请的实施例一起用于解释本发明的技术方案，并不构成对本发明技术方案的限制。[0041] 图1为本发明实施例提供的一种用于直升机工程模拟器的实时风场建模方法的流程图；[0042] 图2所示，为本发明实施例提供的实时风场建模方法对350m高度的紊流模型的仿真示意图；[0043] 图3为本发明具体实施例中所选取的NASA的典型9m/s阵风模型的示意图；[0044] 图4为本发明具体实施例中235°方向(左后)来风和垂向下吹阵风的仿真示意图；[0045] 图5为本发明具体实施例中风切变模型的仿真示意图；[0046] 图6为本发明具体实施例中数据快速查找的流程图；[0047] 图7为本发明具体实施例中风场数据读取流程的示意图。具体实施方式[0048] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下文中将结合附图对本发明的实施例进行详细说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。[0049] 上述背景技术中已经说明，目前的风场建模方式缺乏统一的标准、且以主观功能性评价为主，这种风场建模方式严重制约了国内直升机工程模拟器的风场建模效果。主要体现在以下两个方面：[0050] 一是建模效果受主观因素影响较大。参研人员个人技术和表达能力参差不齐，往往会带来功能或性能的不完整，且由于模拟器和实装驾驶环境不同，导致驾驶员在模拟器上的风场认同感和实装不一致。[0051] 二是成本增加。由于缺乏相关研制规范，风场建模过程中研发人员需要投入大量的精力进行试验验证，且为了提高建模逼真度，往往需要多批次驾驶员参与，经济成本和时间成本会大大增加。[0052] 三是局限性较大。目前的风场建模主要包括：对部分典型特殊风场建模，以及部分典型起降特征风场建模，尚未提出满足直升机工程模拟器实时风场建模。[0053] 针对上述现有风场建模存在的问题，本发明实施例在某型直升机工程模拟器的研制基础上，提出了一种用于直升机工程模拟器的实时风场建模方法，通过该方法可指导完成用于直升机工程模拟器的实时风场建模，节省研发成本，提高模拟器仿真效果。[0054] 本发明提供以下几个具体的实施例可以相互结合，对于相同或相似的概念或过程可能在某些实施例不再赘述。[0055] 图1为本发明实施例提供的一种用于直升机工程模拟器的实时风场建模方法的流程图。本发明实施例提供的用于直升机工程模拟器的实时风场建模方法可以包括如下步骤：[0056] 步骤1，对训练区域风场数据进行处理，包括：对训练区域风场数据的大批量风场数据进行划分，得到风场模型数据库；训练区域风场数据包括：基础训练区域风场数据和典型特征训练区域风场数据；[0057] 步骤2，对影响直升机工程模拟器试验效果的典型特殊风场进行建模，得到典型特殊风场模型；[0058] 步骤3，根据直升机所在位置，在风场模型数据库进行查找直升机周边的流场数据点，并通过加权插值得到直升机所在位置处的流场情况，从而得到用于直升机工程模拟器的实时风场模型。[0059] 本发明实施例的上述步骤1的具体实施过程，可以包括：[0060] 步骤11，建立训练区域三维模型，根据训练区域三维模型计算出训练区域风场数据作为基础数据库，训练区域风场数据由多个大文件的数据内容组成；[0061] 步骤12，将每个大文件划分成多个小文件，并在每个小文件中以二进制方式存储相同大小的风场数据，由多个小文件形成风场模型数据库；其中，划分小文件的标准为：将建立训练区域三维模型时的计算域划分为大小相同的多个小区域，计算域为长方体，划分出的多个小区域分别对应一个小立方体，并把位于小立方体中的风场数据单独的存储在一个小文件中。[0062] 需要说明的是，本发明实施例中的典型特殊风场模型包括：紊流模型、阵风模型、风切变模型；且每个典型特殊风场模型包括以下两种触发模式，即时触发模式和条件触发模式。[0063] 本发明实施例的上述步骤2中的紊流模型的建立方式可以为：[0064] 选取德莱顿紊流模型作为紊流模型，紊流模型的传递函数中的流尺度和紊流强度是高度的函数，从而获得不同高度下的紊流尺度和紊流强度；[0065] 本发明实施例的上述步骤2中的阵风模型的建立方式可以为：[0066] 对待建立的阵风模型的剖面几何形状进行分类，剖面几何形状的类型包括：矩形、梯形、三角形、正弦形和余弦形；[0067] 根据直升机工程模拟器的使用需求，选取至少一种类型的剖面几何形状的组合模型作为阵风模型；[0068] 本发明实施例的上述步骤2中的风切变模型的建立方式可以为：[0069] 根据风切变事故的分析统计，建立的风切变模型为，包括逆风/顺风、侧风、垂直风及水平漩涡的全三维微下击暴流风切变模型。[0070] 本发明实施例的上述步骤3的具体实施过程，可以包括：[0071] 步骤31，根据直升机所在位置，确定出空气流场计算域中该直升机所在的小区域；[0072] 步骤32，查找到存储有该小区域中流场数据对应的小文件；[0073] 步骤33，提取出直升机距离在预设阀值以内的流场数据对应的小文件中的数据点；[0074] 步骤34，根据所提取数据点分别与直升机的距离，每个数据点的风速，加权插值得到直升机所在位置处的流场情况。[0075] 本发明实施例的步骤3中通过双线程并行执行，其中一个线程为定位查找线程，另一个线程为预先加载线程；[0076] 其中，定位查找线程，用于根据步骤31～步骤34的方式查找得到直升机位置处的流场情况；[0077] 预先加载线程，用于将直升机附近区域的流场数据预先加载到缓存中，从而在直升机下次改变位置后，使得定位查找线程直接从缓存中进行定位查找，得到直升机当前位置处的流场情况。[0078] 进一步地，本发明实施例提供的方法还可以包括：[0079] 步骤4，对实时风场模型进行数据管理和调度，包括：数据传输和模型控制。[0080] 需要说明的是，上述数据传输是指：实时风场模型对外进行数据交互；上述模型控制是指：实时风场模型内部模型控制及数据交互，并且可接收外部控制命令。[0081] 本发明实施例提供的用于直升机工程模拟器的实时风场建模方法，主要包括：风场数据处理、特殊风场建模、数据快速查找和数据管理调度这四部分，采用本发明实施例提供的用于直升机工程模拟器的实时风场建模方法，可以指导完成直升机工程模拟器的实时风场建模，节省研发成本，提高模拟器仿真效果。基于上述四个部分内容本发明实施例具有以下几点有益效果：[0082] 一是风场建模的完整性，通过直升机工程模拟器的研制和使用经验，将直升机工程模拟器实时风场建模工作拆分为风场数据处理、特殊风场建模、数据快速查找和数据管理调度等四大步骤共四大步骤，可满足直升机工程模拟器需求，且能避免功能及性能缺失。[0083] 二是风场建模的有效性，针对直升机工程模拟器试验需求，有针对性的提出了典型特征风场建模概念，确保风场建模的有效性。如进行城区起降相关试验，应对典型建筑进行特征风场建模；进行舰船起降相关试验，应对舰面流场进行特征风场建模；进行高原相关试验，应对典型高原地貌进行特征风场仿真。[0084] 三是风场模型数据调用的实时性，风场数据体量巨大，通过流场数据处理模块和数据快速查找模块技术，可保证风场数据调用的实时性。其中流场数据处理基本思路是将计算域分为多个大小不一的立方体，每个小立方体中的流场数据单独以二进制方式存储；数据快速查找模块使用预加载的思路提高效率，具体是使用双线程并行定位查找方案，一个线程负责定位查找，另一个线程负责预先加载直升机附近区域的空气流场数据，负责定位查找的线程得出直升机位置处空气流场数据后，负责预加载的线程把直升机附近区域的数据加载到缓存中，因为短时间内直升机位移不大，因此下次直升机改变位置后，负责定位查找的线程即可直接从缓存中进行定位查找，得到直升机新的位置处流场情况，这可以极大的缩短定位查找的耗时，提高实时性。[0085] 四是风场建模的实时性，由于直升机工程模拟器对实时性要求较高，一般要求风场模型从数据输入到数据输出控制在一个仿真周期内，根据直升机工程模拟器研制经验，一般不超过5ms。为了确保实时风场系统可以满足直升机工程模拟器实时性需求，采用多线程控制技术。数据监控等界面显示模块占用计算机资源比较大且对实时性要求不高，为了避免影响模型解算，建立独立线程且降低该线程优先级；风场模型数据调用等实时性要求高且耗时较大的模块，建立独立线程且提高该线程优先级；其它实时性要求高且耗时较小的模块，直接在主线程中完成。[0086] 以下通过一个具体实施例对本发明实施例提供的用于直升机工程模拟器的实时风场建模方法的具体实现方式进行详细说明。[0087] 该具体实施例提供的用于直升机工程模拟器的实时风场建模方法，风场数据处理、特殊风场建模、数据快速查找和数据管理调度等四大步骤。[0088] 步骤一：风场数据处理，包括：基础训练区域风场数据处理和典型特征训练区域风场数据处理两部分，主要完成：一方面，工程计算软件计算出训练区域的大批量风场数据，并对所述训练区域风场数据的大批量风场数据进行划分，便于实时查找。其中，相对于基础训练区域风。湫吞卣髑蚍绯∈嵌灾鄙こ棠Ｄ馄鞴こ淌匝樾Ч邢灾跋斓牡湫吞卣餮盗非，包括以下至少一项：山谷、高原、建筑、舰船、平台、火场等。[0089] 采用所有训练区域的高程地图等原始文件建立训练区域三维模型，使用基于FLUENTSIMPLE(工程计算软件)的风场仿真方法，将训练区域三维模型导入FLUENT软件，在FLUENT软件中计算出对应东西南北四个方向的单独风场数据(作为模型的输入)作为基础数据库，由于基础数据量(即四个方向的单独风场数据)很大从而给实时查找带来了很大麻烦，上述大批量风场数据由多个大文件的数据内容组成，为了实现实时仿真需求，需要将大文件分成许多小文件。小文件划分的标准为将CFD(计算流体力学)仿真建模时的计算域划分为大小相同的许多个小区域，由于仿真建模的计算域为长方体，因此把这个计算域分为多个大小一样的小立方体，并把位于这些小立方体中的风场数据单独的存储在一个小文件中，小文件中的风场数据以二进制方式存储，更利于实时仿真，通过该思路编写用于划分大批量风场数据的软件，用于自动生成用于存储风场数据的小文件。[0090] 举例：在本项目中，为了实现风场数据的实时搜索，将数据文件按照x方向取600m、y方向取1000m的间隔，将数据文件分割成小地形文件，并且以二进制形式存储，以加快数据搜索的速度，分割时，坐标系的原点位于地形平面图形的左下角。[0091] 步骤二，特殊风场建模；是对影响直升机工程模拟器试验效果的典型特殊风场进行建模，一般需要考虑紊流、阵风、风切变三类特殊风。矣悸羌词贝シ⒑吞跫触发两种模式。[0092] 紊流模型实现思路如下：[0093] 在本项目中选取Dryden德莱顿紊流模型作为紊流模型，该德莱顿紊流模型优点是频谱形式简单，可作因式分解，可直接实现。[0094] 德莱顿紊流模型的激励源为高斯噪声，其传递函数为：[0095][0096] 其中，σu、σv、σw紊流在u、v、w三个方向上的紊流强度；Lu、Lv、Lw为紊流在u、v、w三个方向上的尺度；V为飞机的飞行速度(地速)。[0097] 根据直升机飞行品质规范可知，紊流基础模型使用的紊流尺度和紊流强度是高度的函数，可以获得不同高度下的紊流尺度和紊流强度，如下表所示。[0098][0099] 以本项目为例，如图2所示，为本发明实施例提供的实时风场建模方法对350m高度的紊流模型的仿真示意图。[0100] 阵风模型实现思路如下：[0101] 阵风模型一般根据实测资料统计确定，按阵风模型的剖面几何形状，可以分为矩形、梯形、三角形、正弦形和“1?consine”(余弦形)形等几种类型。[0102] 例如，本项目采用NASA的一种阵风模型，它是梯形模型和(1?consine)模型的组合模型，模型采用分段函数表示：[0103][0104] 式中，vwx为飞行位移x上所对应阵风速度，Xref为参考纵向位置，Vmax为阵风的振幅，dm为阵风层的半厚度，它的大小有的取为25?150米，也有取(2～3)Vmax；h为梯形阵风前、后缘阵风速度由0增至Vmax所经历的气层厚度。[0105] 该具体实施例中，选取NASA的典型9m/s阵风模型，如图3所示，为本发明具体实施例中所选取的NASA的典型9m/s阵风模型的示意图，其中，即Vmax＝9m/s。阵风模型的突风半厚度dm取值在30?150之间，这里水平阵风取dm＝60m，垂直阵风取dm＝30m。其它的，水平阵风取h＝30m，垂直阵风取h＝15m，图中的参考纵向位置Xref＝0，但是实际中Xref应该设为阵风开始时刻直升机的初始位置，不为固定值。[0106] 阵风模型的使用方式：以上的阵风模型可作为水平阵风和垂直阵风使用，基本触发条件为z≤300m。设定阵风方向后，根据水平飞行位移和垂直飞行位移即可获得对应水平风速和垂直风速，另外将水平风速根据风向转换为地轴系下x和y向风速，如此可获得阵风模型输出的地轴系下的风速矢量。[0107] 该具体实施例中，如图4所示，为本发明具体实施例中235°方向(左后)来风和垂向下吹阵风的仿真示意图。[0108] 风切变模型实现思路如下：[0109] 风切变一般发生在高度几百米以下的低空，由于风切变影响直升机的空速，改变升力，从而使直升机飞行高度突然发生变化，对飞行安全十分不利。[0110] 根据风切变事故分析统计数据，FAA推荐了供飞行训练模拟器使用的四种风切变模型，4号风切变模型是其中的：ψ畲蟮，除含有逆风/顺风外，还含有侧风、垂直风及水平漩涡的全三维微下击暴流风切变模型，因此该具体实施例中选用4号风模型。[0111][0112] 该具体实施例中，4号风模型参数如上表所示，基础触发条件为离地高度z≤370m。根据直升机的累计飞行距离，通过插值即可得到风切变模型输出的体轴系下风速矢量，经方向余弦矩阵转化为地轴系下的三向风速。如图5所示，为本发明具体实施例中风切变模型的仿真示意图。[0113] 步骤三，数据快速查找。[0114] 如图6所示，为本发明具体实施例中数据快速查找的流程图。当直升机处于空气流场时，首先，根据直升机所在位置，确定直升机在已结构化划分好的空气流场计算域中哪个小区域处，然后把存有该小区域的流场数据对应的小文件找出，因为CFD仿真流场空间是离散的数据点，查找到的该小文件中的数据点中可能不包含直升机所在位置的数据，因此需要设置一个阀值，把直升机距离在这个预设阀值以内流场数据对应的小文件中的数据点提取出来。并设这些小文件中的数据点分别与直升机的距离分别为L1，L2，L3......LN，这些数据点的风速分别为U1，V1，W1，U2，V2，W2，U3，V3，W3，……，UN，VN，WN。设这些距离的总合为L，令S1＝L/L1，S2＝L/L2，S3＝L/L3……SN＝L/LN。S为权重；[0115] L＝L1+L2+L3+......LN；[0116] SUM＝S1+S2+S3+......+SN；[0117][0118] 根据上面的公式和已有的空气流场数据即可加权插值得出直升机所在位置处的流场。[0119] 为了实现空气流场中直升机位置处流场数据的实时仿真，本项目提出了双线程并行定位查找的方案。具体则是一个线程负责定位查找，另一个线程负责预先加载直升机附近区域的流场数据。[0120] 在已知直升机位置并找到包含该位置的空气流场数据的小文件后，负责定位查找的线程按照上节所述的方法得出直升机位置处空气流场情况，同时，负责预加载的线程把直升机附近区域的流场数据加载到缓存中。因为短时间内(即实时仿真的要求)直升机在位移不大，因此下次直升机改变位置后，负责定位查找的线程即可直接从缓存中进行定位查找，得到直升机新的位置处流场情况，这便极大的缩短了定位查找的耗时，从而能够达到实时仿真的标准。与此同时负责预加载的线程则同步更新直升机附近的区域，并用它们覆盖缓存中原来的直升机附近区域的空气流场数据。[0121] 步骤四，数据管理调度(为步骤一的步骤三的执行方式提供调度控制)，主要工作为数据传输(实时风场模型对外的数据传输)及模型控制(实时风场模型内部的控制)。数据传输指实时风场模型对外进行数据交互，当前主流交互协议为以太网udp协议，交互周期一般选取10ms。模型控制指：实时风场模型内部模型控制及数据交互，可接收外部控制命令；其中，合成风计算是内部模型控制一个重要模块。[0122] 合成风计算的举例：来流方向不是正东、正西、正南或正北方向的风，使用合成风表示，例如，东北风是东风和北风合成得到。[0123] 基于合成风的示例：给定任意一个方向的风，首先分析该方向的风是单一风还是合成风；[0124] 情况1，如果是单一方向的风，直接在已有的该方向的风场模型数据库中进行快速查找与预加载，并将得出的结果通过接口发送给其它程序。[0125] 情况2，如果是合成风，程序先将该风分解为两个单一方向的风，并且分别在这两个方向的风场模型数据库中进行快速查找与预加载，得出的两个风力大小结果通过加权得出实际情况下该处的风力大小。设由东风为数据库快速查找得出的风为Ue，Ve，We，由北风为数据库快速查找得出的风为Un，Vn，Wn。合成风为U，V，W。并假设合成风可分解成正东风与正北风，并且合成风与正东风之间的夹角为θ：[0126][0127] 如图7所示，为本发明具体实施例中风场数据读取流程的示意图。该具体实施例在某型直升机工程模拟器中诞生，在某型直升机工程模拟器和某型直升机飞行训练模拟器中得到应用，通过本发明所使用的方法已经完成多型号直升机模拟器的论证和应用工作，使用该方法所完成的实时风场模型皆一次性经过技术鉴定，节省了大量的研发成本，提升研发进度。[0128] 虽然本发明所揭露的实施方式如上，但的内容仅为便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式及细节上进行任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

专利地区：江西

专利申请日期：2021-11-23

专利公开日期：2024-11-08

专利公告号：CN114169228B