CN101556205A - 旋转开槽圆筒/可动翼段型阵风发生器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种阵风发生器，其包括：若干可动式翼段，彼此相隔一定距离；旋转开槽圆筒机构，其与所述的可动式翼段成组配置，二者之间相隔一定距离；驱动装置，用于驱动所述可动式翼段和所述旋转开槽圆筒机构。其能够对风洞的均匀来流产生可控可调并且可测量的扰动，来模拟真实大气中的阵风干扰。

Description

旋转开槽圆筒/可动翼段型阵风发生器

技术领域

本发明专利涉及一种新型的阵风发生器，其可以产生模式可控、参数可调的各种阵风。

背景技术

在一些场合需要人工阵风环境，例如：

-空调机的出风口；

-空气动力试验场所，尤其是风洞。

目前已知的阵风发生方案，主要是利用翼片摆动来产生阵风。这样的方案所产生的流场模式比较简单，主要是风向的变化，而风速的变化不大，因而难于满足对流场环境的多样需要。

例如，飞机等飞行器在大气中实际飞行时会遭遇各种阵风干扰，出现左右摇摆、上下抛投、前后冲击和机身抖振等不利现象，轻则干扰驾驶员的正常操纵和乘客的乘坐舒适性，重则影响飞行任务的完成，甚至有可能危及到飞行安全。目前研究阵风响应问题一般从两个方面考虑：一方面是通过理论计算，即在整个飞机的动力学方程中加入理论的阵风模型(离散阵风或者连续大气紊流的功率谱模型)，计算并分析飞机的阵风响应；另一方面则是风洞试验，即用整个飞机或者单独机翼的缩比模型在风洞中做吹风试验。在后者中，如果有适当的装置能够对风洞的均匀来流产生可控可调并且可测量的扰动，来模拟真实大气中的阵风干扰，将会对研究阵风响应问题提供很大的帮助。

发明内容

考虑到现有技术的上述问题，本发明人进行了深入研究，并提出了一种旋转开槽圆筒/可动翼段型阵风发生器，其能够对风洞的均匀来流产生可控可调并且可测量的扰动，来模拟真实大气中的阵风干扰。

根据本发明的一个方面，提供了一种阵风发生器，包括：至少两个可动式翼段，其彼此相隔一定距离；至少两个旋转开槽圆筒，其分别与各所述可动式翼段成组配置；驱动装置，用于驱动所述可动式翼段和所述旋转开槽圆筒机构，其中在成组配置的所述可动式翼段和所述旋转开槽圆筒机构中，所述可动式翼段位于所述旋转开槽圆筒机构的气流上游。

本发明的有益效果主要体现在：

1.本发明专利的旋转开槽圆筒机构产生阵风的理论原理新颖有效，实现方法简单易行；

2.本发明提供了多种工作模式可以选择，产生阵风的效果可以进行比较；

3.本发明中，翼段摆角幅值、频率、旋转开槽圆筒距翼段后缘距离、两组翼段之间距离、电机摇臂的长度、电机转速、旋转开槽圆筒的几何尺寸(外径、开槽角度等)均为可调或可设计参数，整个装置可调的组合参数较多，不仅可以研究各个参数的影响，更能为风洞试验的阵风需求在范围、类型、强度、频率等各方面提供较大的选择空间，因此能满足各种不同范围、类型、强度、频率的试验阵风需求；

4.本发明专利设计了一套平面四连杆机构用来传动，精确有效并且可靠性高；

5.本发明专利整体具有成本低、可靠性高、便于制造、使用和研究等优点。

附图说明

图1是根据本发明的一实施例的旋转开槽圆筒/可动翼段型阵风发生器的俯视结构示意图和流场示意图。

图2是旋转开槽圆筒的理论计算模型原理图。

图3是根据本发明的一实施例的旋转开槽圆筒/可动翼段型阵风发生器的整体结构图。

图4是根据本发明的一实施例的可动翼段结构图(蒙板隐藏)。

图5是根据本发明的一实施例的旋转开槽圆筒结构图。

图6是图4所示的可动翼段的结构图(蒙板显示)。

图7是根据本发明的一实施例的传动机构图。

图8是图7中四连杆传动机构的部分放大图。

图9是翼段安装示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式具体说明本发明的技术方案。

如图3所示，根据本发明的一个实施例，旋转开槽圆筒/可动翼段型阵风发生器包括成组的可摆动式翼段1和旋转开槽圆筒2以及与它们配合的驱动装置、安装框架和测量装置；其中，根据一实施例，所述驱动装置包括电机7、连杆机构3、同步传动带4；安装框架包括顶部固定板5和底部固定板6。

如图1所示，本发明的旋转开槽圆筒/可动翼段型阵风发生器的工作原理为：由电机7和连杆机构3驱动翼段1绕自身转轴做偏转运动，电机7和同步传动带4驱动旋转开槽圆筒机构2绕自身转轴做连续旋转运动，从而对上游的均匀自由来流进行模式(侧向阵风/纵向阵风)可控、指标参数(阵风场区域范围/阵风速度幅值/频率等)精确可调的各种扰动。上游的均匀自由来流可以由风机产生，如在空调器的场合；上游的均匀自由来流也可以由风洞产生，例如用于模拟例如飞机等真实飞行器在大气中实际飞行时遇到的各种连续或者离散阵风情况，以便进一步研究飞行器的阵风载荷响应问题。

根据本发明的一个具体实施例，可动翼段1的结构如图4和图6所示，其包括若干肋板9和贯穿所述肋板的一主梁8，以及包覆在所述若干肋板外的一层蒙板13。另请根据图3和图9所示的实施例，可动翼段1的主梁8在翼段主梁端盖19处通过轴承21和轴承座20安装在顶部固定板5和底部固定板6上。

根据本发明的一个具体实施例，旋转开槽圆筒机构2的结构如图5所示，其组成主要包括旋转开槽圆筒壁10和旋转开槽圆筒加强筋11。其外径、壁厚、开槽角度等都是根据需用阵风的指标优化经CFD计算确定的。翼段1的展长根据工作需要如风洞规格或模型尺寸来确定，翼段1的弦长一般取为150mm至300mm。以翼段1的弦长为参考长度，旋转开槽圆筒2的外径与翼段1厚度相同，即为翼段1弦长的15％至20％。旋转开槽圆筒2的壁厚为其外径的6％至10％。开槽角度一般取90°。旋转开槽圆筒2通过设置在其两端的安装轴承12安装在顶部固定板5和底部固定板6上。

旋转开槽圆筒机构2与可动翼段1之间的距离、可动翼段1彼此之间的距离等都是可以根据实际情况进行设计的，以便产生不同范围不同强度的阵风。旋转开槽圆筒机构2与可动翼段1之间的距离越小，装置在下游流场某点处所产生的侧向阵风扰动幅值就越大；两组可动翼段1之间的距离越大，侧向扰动越小，但阵风的分布越均匀，在一优选实施例中，翼段1之间的距离为翼段弦长的2倍。

图7和图8显示了根据本发明的一个具体实施例，其中，在翼段1中，还设有贯穿各肋板9的一翼段作动杆14，其与主梁8隔开一定距离。各翼段1的翼段作动杆14之间通过一翼段连杆17相互连接，以实现各翼段1的同步摆动。其中一翼段的翼段作动杆14通过一电机连杆15与电机摇臂18相连。通过上述的平面四连杆机构，可将电机7输出轴的转动转化为翼段1的周期性往复摆动。四连杆机构的摇臂18连在电机7的输出轴上，通过连杆15与贯穿翼段1肋板的作动杆14相连。由于各杆件长度设计的不同，在摇臂18随电机7旋转的一个周期内，通过连杆15带动翼段1，使翼段1刚好在设计的左右极限位置之间做一次往复摆动。其摆动频率和电机7的转动频率相同，摆动角的范围由摇臂18、连杆15、作动杆14的长度位置确定。通过调节电机摇臂18长度和电机7的转速可以产生不同强度不同频率的阵风。

根据本发明的一个具体实施例，如图7所示，通过同步带4及同步带轮16将电机输出轴的转动传递为旋转开槽圆筒2的转动，电机7转速可调，以便产生不同频率的阵风。

根据本发明的一个具体实施例，本发明的阵风发生器中还可设置一个整流板，其将连杆机构3、同步带4等驱动装置隔离在翼段1和旋转开槽圆筒2之下，避免复杂机构对气流产生不可控的附加干扰。

此外，根据本发明的一个具体实施例，如图7、图8中所示的平面四连杆机构中，电机连杆15、摇臂18、作动轴14之间的转动副部分可以用铜模来实现。利用铜与铝之间摩擦系数小的特点代替轴承传动，和常规的轴承传动相比具有安装拆卸简单方便、成本低等优点。

此外，本发明中的安装框架，其中的顶部固定板5和底部固定板6可以采用钢板，安装框架中的支柱等也可以采用金属支柱，由此，使安装框架具有较大的刚度，以保证本发明的阵风发生器工作时整个装置稳定。

根据本发明的一个具体实施例，还可在风洞中设置风速测量装置，以测量出扰动后的各项流场特性。其可以作为例如阵风载荷响应试验的输入数据，并且可以和初步设计时的CFD计算结果进行对比和验证。

根据本发明的一个具体实施例，还可以在可动翼段1上设置一个锁死机构，以将翼段相对来流的攻角固定为一个基准值。在锁死状态下，翼段1固定，旋转开槽圆筒2转动，所产生的正弦型阵风频率为电机转动频率的2倍。

根据本发明的一个具体实施例，还可以方便地将旋转开槽圆筒机构2拆下，而利用翼段1的往复偏转运动产生脉冲型或正弦型阵风。

以下结合图2，说明本发明的旋转开槽圆筒/可动翼段型阵风发生器的各个设计参数与需用阵风性能指标之间的关系。如图2所示坐标系，在旋转开槽圆筒/可动翼段的1/4弦线处布置涡线，强度为：Γ。

1.旋转开槽圆筒/可动翼段下游流场中任意坐标为(x，y，z)处某点的诱导速度可根据Biot-Savart定理由涡强表出，将两条涡线对某点的诱导速度v₁和v₂沿X轴(纵向)和Y轴(侧向)分解，即得到阵风分量关于涡强的表达式：

$\mathrm{\Δw}=v_{1y}+v_{2y}=\frac{x_p}{2\mathrm{\π}}(\frac{{\mathrm{\Γ}}_1}{R_1^2}+\frac{{\mathrm{\Γ}}_2}{R_2^2})$

$\mathrm{\Δu}=v_{1x}+v_{2x}=\frac{1}{2\mathrm{\π}}(\frac{{\mathrm{\Γ}}_1(y_0+y_p)}{R_1^2}-\frac{{\mathrm{\Γ}}_2(y_0-y_p)}{R_2^2})$

涡强可由等效升力系数来表出： $\mathrm{\Γ}=\frac{1}{2}{C}_{\mathrm{leq}}u(c+d)$

2.等效升力系数可以实验实测，在设计初可取参考值：

C_leq＝0.5sin(2ω_st)

3.等效升力系数还要用Theodorsen函数C(k)进行准定常修正：

C_leq＝0.5C(k)sin(2ω_st)

4.最后得到阵风攻角的表达式：

${\mathrm{\α}}_g=\frac{\mathrm{\Δw}}{u}=\frac{{\stackrel{-}{C}}_{\mathrm{leq}}C\left(k\right){\stackrel{\‾}{x}}_p}{4\mathrm{\π}}[\frac{1}{{\stackrel{\‾}{R}}_1^2}\sin 2{\mathrm{\ω}}_{s}t+\frac{1}{{\stackrel{\‾}{R}}_2^2}\sin 2(n{\mathrm{\ω}}_{s}t+{\mathrm{\ψ}}_d)]$

由以上推导过程，再结合CFD计算结果，可得出需用阵风攻角幅值和阵风频率等性能指标与旋转开槽圆筒/可动翼段系统的若干设计参数之间的关系，并以此作为设计的依据。

此处给出优化选择后，本发明的一个具体实施例的各种主要参数：

使用条件：

风洞截面尺寸为3m*3m，机翼模型尺寸为展长2m；

阵风需求：

1.正弦阵风，频率范围为1Hz-10Hz；

2.阵风发生器下游2米处的侧向阵风强度为1m/s左右；

主要设计参数：

翼段展长2100mm；弦长300mm；翼型NACA0015，相对厚度15％；

翼段主梁轴心在肋板距前缘75mm处；

两翼段侧向间距：600mm；

翼段与旋转开槽圆筒间距：260mm；

旋转开槽圆筒长2100mm；外径60mm；壁厚5m；开槽角度90°；

电机额定转速550rpm；额定功率600w；

电机摇臂长24mm；连杆长130mm；

利用本发明的旋转开槽圆筒/可动翼段型阵风发生器可产生的阵风类型如下：

1)单一频率的连续正弦型阵风

工作状态A——由电机和传动机构驱动翼段绕自身转轴做往复偏转运动，旋转开槽圆筒机构卸下。通过平面四连杆机构将电机输出轴的转动转化为翼段的周期性往复摆动，两组可动翼段通过连杆同步偏转，偏转角α＝Asin(ω·t)，幅值A通过改变摇臂18长度来调节，频率ω通过改变电机转速来调节。往复摆动的翼段组对其后流场的影响可以通过CFD软件的动网格技术进行精确的计算和直观的显示，这也是阵风发生器可动翼段摆动角度、频率两个参数初步设计的依据。此工作状态下可以在翼段的尾场一定宽度范围内产生较均匀的侧向扰动，侧向扰动速度随时间的变化曲线为近似正弦，以满足实验需求。

工作状态B——由电机和传动机构驱动旋转开槽圆筒机构绕自身转轴做连续旋转运动，可动翼段通过锁死机构固定于基准位置。通过同步皮带轮将电机输出轴的转动传递为旋转开槽圆筒的转动，旋转开槽圆筒对尾场气流的干扰可以通过CFD进行精确计算，也可以通过空气动力学中假设涡线对流场的诱导速度等相关知识进行快速合理的估算，为初步设计提供依据，此原理的推导过程见后。工作状态B能在两组旋转开槽圆筒的中间面上产生单一频率的正弦型扰动，当两组旋转开槽圆筒同向转动时产生侧向阵风，两组旋转开槽圆筒反向转动时产生纵向阵风。阵风频率为旋转开槽圆筒转动频率的2倍，满足试验需求。

2)扫频型阵风

在上述工作状态B中，控制电机在特定需要的频率范围内做扫频转动，通过旋转开槽圆筒机构的转动即可得到频谱为其2倍带宽的阵风扰动，以满足试验需求。

3)脉冲型阵风

在上述工作状态A中，利用电机的快速性使可动翼段在短时间内做快速偏转，即可对均匀来流产生脉冲型干扰，以满足试验需求。

以上仅是本发明的具体应用范例，对本发明的保护范围不构成任何限制。凡采用等同变换或者等效替换而形成的技术方案，均落在本发明权利保护范围之内。

Claims (9)

1、一种阵风发生器，其特征在于，包括：

至少两个可动式翼段(1)，其彼此相隔一定距离；

至少两个旋转开槽圆筒(2)，其分别与各所述可动式翼段(1)成组配置；

驱动装置，用于驱动所述可动式翼段(1)和所述旋转开槽圆筒机构(2)，

其中在成组配置的所述可动式翼段(1)和所述旋转开槽圆筒机构(2)中，所述可动式翼段(1)位于所述旋转开槽圆筒机构(2)的气流上游。

2、根据权利要求1所述的阵风发生器，其特征在于，其中还包括：

一个顶部固定板(5)和一个底部固定板(6)，所述的可动翼段(1)和旋转开槽圆筒机构(2)分别可枢转地安装在所述顶部固定板(5)和底部固定板(6)之间。

3、根据权利要求1所述的阵风发生器，其特征在于，在所述的可动式翼段(1)和旋转开槽圆筒机构(2)的下面设置有一个整流板，其将所述驱动装置与所述的可动式翼段(1)和旋转开槽圆筒机构(2)隔开。

4、根据权利要求1所述的阵风发生器，其特征在于，所述驱动装置包括：

翼段传动机构(15，17)，用于使所述的可动式翼段(1)绕其自身转轴(8)做偏转运动；

旋转开槽圆筒机构传动机构(16，4)，用于驱动所述的旋转开槽圆筒机构(2)绕自身转轴做旋转运动。

5、根据权利要求4所述的阵风发生器，其特征在于，所述翼段传动机构包括：

翼段连杆(17)，用于连接相邻的两个可动式翼段(1)，以实现所述所述至少两个可动式翼段(1)的同步运动，

电机连杆(15)，与所述翼段连杆(17)耦合并用于驱动与所述翼段连杆(17)。

6、根据权利要求5所述的阵风发生器，其特征在于，所述翼段传动机构中的转动副部分采用铜模来实现。

7、根据权利要求4所述的阵风发生器，其特征在于，所述旋转开槽圆筒机构传动机构包括：

同步传动带(4)，用于把一个同步带轮(16)与各所述旋转开槽圆筒机构(2)转动耦合。

8、根据权利要求1所述的阵风发生器，其特征在于，所述至少两个可动式翼段(1)中相邻的两者之间的距离为可动式翼段(1)弦长的2倍。

9、根据权利要求1所述的阵风发生器，其特征在于，在所述的可动式翼段(1)上设置有锁死机构，以将翼段相对来流的攻角固定为一个基准值。

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