CN102692311B - 一种用于翼型风洞试验的测压尾耙 - Google Patents

Abstract

一种用于翼型风洞试验的测压尾耙，横梁的两端固定在支架的顶端；多个测压锥分别通过转轴安装在横梁的上方。测压锥为流线型的旋成体，将测压锥的气动中心置于测压锥支撑点之后，则可用于捕捉来流方向，通过安装在横梁底部和转轴下端的角度传感器测出来流方向角。在测压锥头部开总压孔和头部后一定距离上表面处开静压孔，测压管的一端由转轴引入总压孔和静压孔，另一端与压力数据采集系统相连，可用于测量气流总压和静压孔的压力，由此可计算出沿横梁方向的二维速度分布，并计算尾耙前面的翼型模型的阻力。本发明能够准确测量出测压锥处的气流总压，以及测压锥处的气流速度、气流偏角和气流的两个速度分量，从而得到翼型模型所受的阻力和升力。

Description

一种用于翼型风洞试验的测压尾耙

技术领域

本发明涉及翼型气动性能风洞试验技术，具体是一种用于翼型风洞试验的测压尾耙。

背景技术

现有技术中，翼型风洞试验动量法阻力测量技术（见王铁城编《空气动力学试验技术》，国防工业出版社，1986，6-5节动量法实验）涉及的测量机构为总压、静压测量尾耙，一般由大量的总压管、数个静压管、支撑结构以及测压管组成，安装在翼型风洞试验模型后，能测量出翼型模型后一定距离（一般为0.5～1.2倍翼型模型弦长）、沿垂直于来流方向和翼型模型展向的直线上的气流总压和静压分布，并以此计算翼型模型的阻力和翼型的阻力系数。但是，该方法及测量机构仅适合于翼型模型所受升力较小、尾迹气流向下翼面方向偏斜较小和流动无大流动分离的情况。当翼型模型所受升力较大时，该测量机构测量的尾迹总、静压与实际值会有较大偏差，且没有测量出尾迹气流的方向，从而影响翼型模型的阻力和翼型的阻力系数结果。

国内专利检索尚无带捕捉气流方向的风洞压力测量相关技术的发明。

外国专利US20070256506（METHED AND DEVICE FOR MEASURING）公开了几种不同的用于测量来流压力和压差的测压管布置形式，主要是使用一个半球面碗和测压管连接，使半球面的凹面面向来流，进而得到不受偏角影响的来流总压。该机构可以较准确地得到来流压力，但是不能捕捉到来流角度，不适合描述整个流场的信息。

发明内容

为了克服现有技术中存在的因尾迹气流速度偏斜而造成的总压、静压和翼型阻力系数结果偏差，以及不能捕捉到气流角度的不足，本发明提出了一种用于翼型风洞试验的测压尾耙。

本发明包括横梁、支架和多个测压锥，以及与各测压锥配套的转轴、角度传感器、偏心球轴承、压盖、总压管和静压管；横梁的两端固定在支架的顶端；多个测压锥分别通过转轴安装在横梁的上方，并且所述测压锥下表面与横梁上表面之间的间距为100mm～200mm；各角度传感器通过附带的联轴器的用户端孔与转轴固连；横梁前缘有个转轴安装孔，转轴的一端通过一对偏心球轴承安装在该转轴孔内，并且在所述转轴该端的端头安装有角度传感器；转轴的另一端位于测压锥前缘处下表面处的转轴安装孔内，并且两者之间过盈配合；总压管的一端穿入位于测压锥前缘顶端的总压孔内，粘接并密封在总压孔的孔壁上；总压管的另一端与压力测量仪的输入端连接；静压管的一端穿入位于测压锥前缘处上表面的静压孔内，粘接并密封在静压孔的孔壁上；静压管的另一端与压力测量仪的输入端连接；所述测压锥前缘顶端的总压孔的轴线与测压锥的轴线重合，所述静压孔的轴线垂直于测压锥的上表面，并且总压孔和静压孔的孔径为0.5～1.0mm。转轴安装孔位于测压锥的气动力作用中心与该测压锥的前缘顶点之间。

所述测压锥的数量根据试验模型尾迹区域的范围和测量精度确定，使试验模型尾迹区域处于最两端的测压锥之间。

所述横梁的横剖面为上、下对称的流线形；在该横梁内有总压管的导通孔和静压管的导通孔；总压管与静压管穿入转轴的内孔中，并穿过横梁上的导通孔与压力测量仪连接。

所述的总压管与静压管的导通孔包括与各转轴安装孔连通的支孔和贯通横梁长度的总孔；所述的各支孔均与总孔之间贯通；所述总孔的内径与支架顶端空心销的外径相同。

所述的各测压锥均为流线型截面的旋成体；测压锥内部有空腔；各测压锥前缘处的转轴安装孔的中心线垂直于测压锥中心线；该转轴安装孔与测压锥内部的空腔之间导通；测压锥前缘顶端的总压孔与转轴安装孔导通；测压锥前缘处的上表面的静压孔与测压锥内的空腔导通。

所述的转轴为空心直管，转轴的外径与测压锥上的转轴孔直径相同，形成过盈配合；转轴与测压锥连接一端的圆周表面分布有总压管和静压管的过孔；在转轴与横梁连接一端的圆周表面亦有总压管和静压管的条形过孔。

所述轴套中部有条形孔，该条形孔的位置与转轴上的条形孔的位置对应。

本发明主要用于解决现有翼型风洞试验动量法阻力测量技术中总压测量偏差较大、以及求出的尾迹速度分布和计算的阻力值误差较大的问题。

本发明安装在风洞中需要测量气流总压和静压力沿线性分布的位置。风洞中试验模型前的气流方向顺风洞轴线方向，定义为X轴正向，横梁长度方向垂直于X轴并定义为Z轴，Y轴垂直于X轴和Z轴，X轴、Y轴和Z轴构成右手坐标系。横梁上面布置有多个测压锥。测压锥为流线型的旋成体，转轴安装孔位于测压锥的气动力作用中心与该测压锥的前缘顶点之间，用于捕捉气流方向，通过安装在横梁底部和转轴下端的角度传感器测出测压锥偏角，即气流方向角。在测压锥头部开总压孔和头部后一定距离上表面处开静压孔，测压管的一端由转轴引入总压孔和测压孔，另一端与压力数据采集系统相连，可用于测量气流总压和压力孔静压，由此可计算出沿横梁方向的二维速度分布，并计算尾耙前面的翼型模型的阻力。本发明与传统风洞测压尾耙不同，具有角度捕捉能力。

使用时，横梁与支架固连，支架固定于风洞试验模型后的风洞下洞壁上；各测压锥通过转轴沿横梁长度方向安装于横梁头部上表面，保证测压锥的转轴安装孔位于测压锥的气动力作用中心与该测压锥的前缘顶点之间，总压管和静压管分别与各测压锥的总压孔和静压孔连接、密封，然后经转轴上端的总压管和静压管过孔进入转轴内，再经过转轴下端的总压管和静压管过孔和轴套的条形孔、横梁上导通孔、支架上的空心销的孔穿出并与压力数据采集系统连通。气流流过测压锥时，由于气动力的作用，使测压锥和转轴转动，当测压锥与气流的夹角为零时，测压锥停止转动。此时角度传感器记录下测压锥偏角，压力数据采集系统通过测压管记录下测压锥总压孔和静压孔处的压力数据。

机构总装后，确保转轴可在支架上自由转动，测压管保持导通、不漏气，并不限制测压锥和转轴组合体的自由转动。通过各测压锥总压孔和静压孔处的压力测量值的差值就可计算出测压锥处的尾迹气流流动速度V，结合角度传感器记录的测压锥偏角就可以计算沿两个方向的速度分量u和v。计算公式为，

$V=\sqrt{\frac{2\mathrm{\ξ}(P_T-P_S)}{\mathrm{\ρ}}}$

u=Vcosθ

v=Vsinθ

式中，P_T，P_S，ρ，θ，V，u，v分别为总压孔和静压孔处的压力测量值、流体密度、测压锥处气流和风洞轴线的夹角、测压锥处气流速度模量、风洞轴线X向和Y向的速度分量。ξ为校准系数，需要用标准风速进行校准。求出各测压锥处的风速后，结合该点处总压P_T，利用伯努利方程既可求出测压锥处静压力P，从而可利用动量原理对尾迹速度和静压力积分求出风洞内翼型试验模型所受的阻力。

本发明用能够随气流速度方向转动的测压锥代替传统测压尾耙的固定总压测量头和静压测量头。当风洞试验时，翼型模型升力作用引起尾迹处气流方向偏离空风洞气流方向，传统测压尾耙的固定总压测量头和静压测量头不能准确地测量出尾迹处的气流总压和静压；而本发明的测压锥支撑点在气动力作用中心之前，在测压锥本身所受气动力作用下，测压锥转动直到其轴线顺气流方向，此时测压锥的总压孔完全正对气流，能够准确测量出测压锥处的气流总压，总压孔和压力孔的差值也能准确求出测压锥处的气流速度，而横梁下端的角度传感器能测出气流方向角，可精确计算气流的两个速度分量，这些物理量的精确测量可用来按照动量法精确计算翼型模型所受的阻力和升力。

附图说明

附图1是带角度捕捉的测压尾耙示意图，图1a为主视图，图1b为俯视图，图1c为侧视图，图1d为C-C剖视图；

附图2是测压锥结构示意图，为图2a主视图，图2b为A-A剖视图；

附图3是测压尾耙的横梁前段与转轴安装局部剖面图；

附图4是测压尾耙的测压锥和转轴安装局部剖面图；

附图5是支架的结构示意图，图5a为主视图，图5b为俯视图；

附图6是转轴的结构示意图，图6a为主视图，图6b为俯视图；

附图7是压盖示意图，图7a为主视图，图7b为侧视图；

附图8是轴套示意图，图8a为主视图，图8b为侧视图；

附图9是空心销示意图，图9a为主视图，图9b为侧视图。其中：

1.横梁    2.支架    3.测压锥    4.角度传感器

5.转轴    6.压盖    7.轴套      8.偏心球轴承  9.总压管

10.静压管  11.空心销

具体实施方式

本实施例是一种用于可确定来流方向的测压机构。

本实施例包括横梁1、支架2和20个测压锥3，以及与20个测压锥3配套的转轴5、角度传感器4、偏心球轴承8、压盖6、总压管9、静压管10和空心销11。

横梁1的两端固定在支架2的顶端。在横梁1的上表面安装有多个测压锥3，所述测压锥的数量根据试验模型尾迹区域的范围和测量精度确定，使试验模型尾迹区域处于最两端的测压锥之间。本实施例中，试验模型尾迹区域范围的宽度为300mm，测压锥为20个。所述的各测压锥3通过各转轴5安装在横梁1的上方，并且所述测压锥3下表面与横梁1上表面之间的间距为100mm～200mm，以避免横梁1对测压锥3绕流的干扰，本实施例中，测压锥3下表面与横梁1上表面之间的间距为150mm。角度传感器4的数量与测压锥的数量相同，各角度传感器4位于横梁1的下表面，并且各角度传感器4通过附带的联轴器的用户端孔与转轴5固连，用于测量转轴5的转动角度，并进而得到与转轴5固连的测压锥3的转动角度。横梁1前缘有20个转轴安装孔，一对偏心球轴承8位于该转轴安装孔内，转轴5的一端通过所述对偏心球轴承8安装在转轴孔内，并且在所述转轴5该端的端头安装有角度传感器4；压盖6套装在转轴5上并位于转轴孔内，用于固紧偏心球轴承8。轴套7套装在转轴5上并位于所述的一对偏心球轴承8之间。转轴5的另一端与测压锥3固连。

总压管9的一端穿入位于测压锥3前缘顶端的总压孔内，粘接并密封在总压孔的孔壁上；总压管9的另一端与压力测量仪的输入端连接。静压管10的一端穿入位于测压锥3前缘处上表面的静压孔内，粘接并密封在静压孔的孔壁上；静压管10的另一端与压力测量仪的输入端连接。本实施例中，总压管9与静压管10穿在转轴5的内孔中，并穿过横梁1上的导通孔，与压力测量仪连接。

所述横梁1的平面形状为矩形，其横剖面为上、下对称的流线形。横梁1前缘的转轴安装孔为贯通的阶梯孔。所述转轴安装孔位于横梁1下表面一端的孔径与转轴5的外径相同；所述转轴安装孔位于横梁1上表面一端的孔径与压盖6的外径相同；所述转轴安装孔中部的孔径与轴承8的外径相同。在所述横梁1内有总压管9与静压管10的导通孔。所述的总压管9与静压管10的导通孔分为两部分，一部分是与各转轴安装孔连通的支孔，另一部分是贯通横梁1长度的总孔；所述的各支孔均与总孔之间贯通；所述总孔的内径与支架2顶端空心销的外径相同。

所述的各测压锥3均为流线型截面的旋成体；测压锥3内部有空腔。在各测压锥3前缘处下表面有转轴安装孔，该转轴安装孔为盲孔，转轴5的一端安装在该孔内，并且两者之间过盈配合。该转轴安装孔的中心线垂直于测压锥3的中心线；该转轴安装孔与测压锥3内部的空腔之间导通。所述的转轴安装孔位于测压锥的气动力作用中心与该测压锥的前缘顶点之间。在测压锥3的前缘顶端有总压孔，该总压孔与转轴安装孔导通。在所述测压锥3前缘处的上表面有静压孔，该静压孔与测压锥3内的空腔导通。所述测压锥前缘顶端的总压孔的轴线与测压锥3的轴线重合；所述静压孔的轴线垂直于测压锥的上表面。所述总压孔和静压孔的孔径为0.5～1.0mm，本实施例中，总压孔和静压孔的孔径为1.0mm。

所述的转轴5为空心直管，转轴5的外径与测压锥3上的转轴孔直径相同，形成过盈配合。转轴5与测压锥3连接一端的圆周表面分布有总压管9和静压管10的过孔。在转轴5与横梁1连接一端的圆周表面有总压管9和静压管10的过孔。由于转轴5转动时会带动总压管9和静压管10发生位移，为避免总压管9和静压管10与横梁1之间的干涉，所述的转轴5表面的总压管9和静压管10过孔的孔径应尽量大。本实施例中，所述的总压管9和静压管10过孔为条形孔。

支架2有两个，均由底板和立柱组成。底板上有若干安装通孔，通过螺钉将支架2和风洞下洞壁固定、连接；立柱焊接在底板上表面。立柱顶端有通孔，该通孔的孔径与空心销11的外径相同。空心销11一端装入立柱顶端的通孔内，另一端装入位于横梁1上的导通孔的总孔内。所述的两个支架2上的空心销11分别装入导通孔总孔的两端。在支架2立柱上的通孔两侧有螺纹通孔，用于通过螺栓将该立柱与横梁1固连。

所述的轴套7用于确定两偏心球轴承8之间的相对位置，轴套7为一短空心管，轴套7的内径与转轴5外径相同，使轴套7与转轴5形成干涉配合。轴套7中部有条形孔，该条形孔的位置与转轴5上的条形孔的位置对应，用于通过总压管9和静压管10。

所述的压盖6的数量与转轴的数量相同。本实施例中为20个。压盖6均为套筒状。所述压盖6与轴承8配合一端为阶梯孔。所述压盖6的另一端的外圆周表面有径向凸出的法兰，该法兰的外径与位于横梁1上的转轴安装孔的内径相同。所述的压盖6位于横梁1上的转轴安装孔内，并通过该压盖6的法兰与横梁1固连。

角度传感器4为现有编码式角度测量仪器，角度传感器4用螺钉固定在横梁1底部。

所述的总压管9和静压管10均采用现有技术。所述的总压管9和静压管与总压孔和静压孔连接并密封的一段为金属管，其余部分采用软塑料管。

使用时，横梁1与支架2固连，支架2固定于风洞试验模型后的风洞下洞壁上；风洞中试验模型前的气流方向顺风洞轴线方向，定义为X轴正向，横梁长度方向垂直于X轴并定义为Z轴，Y轴垂直于X轴和Z轴，X轴、Y轴和Z轴构成右手坐标系。测压锥3通过转轴5沿横梁1长度方向安装于横梁1头部上表面，转轴5安装于横梁1长度方向分布的竖直转轴孔内，用轴套7将两偏心球轴承8隔开，用压盖6从横梁1上表面将上偏心球轴承8压紧，压盖6通过2或4个螺钉压紧、固定到横梁1竖直转轴孔上的大端孔的环形端面上。保证测压锥3的转轴安装孔位于测压锥3的气动力作用中心与该测压锥3的前缘顶点之间，总压管9和静压管10分别与各测压锥3的总压孔和静压孔连接、密封，然后经转轴5上端的过孔进入转轴5内，再经过转轴5下端的过孔和轴套7的条形孔、横梁1上的导通孔、支架2上空心销11的孔穿出并与压力数据采集系统连通。气流流过测压锥3时，由于气动力的作用，使测压锥3和转轴5一起转动，当测压锥3与气流的夹角为零时，测压锥3停止转动。此时角度传感器4记录下测压锥3与基准位置的偏角，压力数据采集系统通过总压管9和静压管10记录下测压锥3相应点（总压孔和静压孔处）压力的数据。机构总装后，确保转轴5可在支架2上自由转动，总压管9和静压管10保持导通、不漏气，并不限制测压锥3和转轴5的自由转动。通过各测压锥3总压孔和静压孔的压力测量值的差值就可计算出测压锥3处的尾迹气流流动速度V，结合角度传感器4记录的测压锥3偏角就可以计算沿两个方向的速度分量u和v。计算公式为，

$V=\sqrt{\frac{2\mathrm{\ξ}(P_T-P_S)}{\mathrm{\ρ}}}$

u=Vcosθ

v=Vsinθ

式中，P_T，P_S，ρ，θ，V，u，v分别为总压管9和静压管10处的压力测量值、流体密度、测压锥3处气流和风洞轴线X向的夹角、测压锥3处气流速度模量、风洞轴线X向和Y向的速度分量。ξ为校准系数，需要用标准风速进行校准。求出各测压锥3处的风速后，结合该点处总压P_T，利用伯努利方程既可求出测压锥3处静压力P，从而可利用动量原理沿横梁1的长度方向Z向对尾迹积分求出风洞内翼型试验模型所受的阻力。

Claims (7)

1.一种用于翼型风洞试验的测压尾耙，其特征在于，包括横梁、支架和多个测压锥，以及与各测压锥配套的转轴、角度传感器、偏心球轴承、压盖、总压管和静压管；横梁的两端固定在支架的顶端；多个测压锥分别通过转轴安装在横梁的上方，并且所述测压锥下表面与横梁上表面之间的间距为100mm～200mm；各角度传感器通过附带的联轴器的用户端孔与转轴固连；横梁前缘有多个转轴安装孔，转轴的一端通过一对偏心球轴承安装在该转轴孔内，并且在所述转轴该端的端头安装有角度传感器；转轴的另一端位于测压锥前缘处下表面处的转轴安装孔内，并且两者之间过盈配合；转轴套装有轴套，并且所述轴套位于所述的一对偏心球轴承之间，用于确定两偏心球轴承之间的相对位置；

总压管的一端穿入位于测压锥前缘顶端的总压孔内，粘接并密封在总压孔的孔壁上；总压管的另一端与压力测量仪的输入端连接；静压管的一端穿入位于测压锥前缘处上表面的静压孔内，粘接并密封在静压孔的孔壁上；静压管的另一端与压力测量仪的输入端连接；所述测压锥前缘顶端的总压孔的轴线与测压锥的轴线重合，所述静压孔的轴线垂直于测压锥的上表面，并且总压孔和静压孔的孔径为0.5～1.0mm；转轴安装孔位于测压锥的气动力作用中心与该测压锥的前缘顶点之间。

2.如权利要求1所述一种用于翼型风洞试验的测压尾耙，其特征在于，所述测压锥的数量根据试验模型尾迹区域的范围和测量精度确定，使试验模型尾迹区域处于最两端的测压锥之间。

3.如权利要求1所述一种用于翼型风洞试验的测压尾耙，其特征在于，所述横梁的横剖面为上、下对称的流线形；在该横梁内有总压管的导通孔和静压管的导通孔；总压管与静压管穿入转轴的内孔中，并穿过横梁上的导通孔与压力测量仪连接。

4.如权利要求3所述一种用于翼型风洞试验的测压尾耙，其特征在于，所述的总压管与静压管的导通孔包括与各转轴安装孔连通的支孔和贯通横梁长度的总孔；所述的各支孔均与总孔之间贯通；所述总孔的内径与支架顶端空心销的外径相同。

5.如权利要求1所述一种用于翼型风洞试验的测压尾耙，其特征在于，所述的各测压锥均为流线型截面的旋成体；测压锥内部有空腔；各测压锥前缘处的转轴安装孔的中心线垂直与测压锥中心线；该转轴安装孔与测压锥内部的空腔之间导通；测压锥前缘顶端的总压孔与转轴安装孔导通；测压锥前缘处的上表面的静压孔与测压锥内的空腔导通。

6.如权利要求1所述一种用于翼型风洞试验的测压尾耙，其特征在于，所述的转轴为空心直管，转轴的外径与测压锥上的转轴孔直径相同，形成过盈配合；转轴与测压锥连接一端的圆周表面分布有总压管和静压管的过孔；在转轴与横梁连接一端的圆周表面亦有总压管和静压管的条形过孔。

7.如权利要求1所述一种用于翼型风洞试验的测压尾耙，其特征在于，所述轴套中部有条形孔，该条形孔的位置与转轴上的条形孔的位置对应。

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