CN105841916A - 一种产生高频下游扰动的超声速风洞试验装置 - Google Patents

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程克明
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赵俊淇
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Abstract

本发明实施例公开了一种产生高频下游扰动的超声速风洞试验装置，涉及空气动力学领域，能够解决下游压力扰动的反压机构的扰动频率较低的问题，还可以实现模拟多种形式和频率的下游周期性扰动，满足了激波运动特性试验中对于常规反压扰动和高频扰动兼顾的需求。本发明的装置包括喷管段(1)、等直段(2)、凸轮转轴(3)、凸轮转轴驱动动力装置(4)、流道连接段(5)、密闭腔体连接段(6)、密闭轴承支撑部件(7)、上下侧喷管型面(8)，压力测点(9)、纹影观察窗口(10)、步进电机及控制系统(11)，联轴器(12)，内撑杆(13)、滚珠轴承(14)。本发明适用于下游产生高频周期性扰动的超声速风洞实验中。

Description

一种产生高频下游扰动的超声速风洞试验装置
技术领域
本发明涉及空气动力学技术领域，尤其涉及一种产生高频下游扰动的超声速风洞试验装置。
背景技术
在超声速、高超声速流动中，几何、气动上的气流阻碍大都会产生激波，与之相关的激波、激波/附面层相互作用流场是高速气体动力学领域的一种基本流场。在实际工程应用中，激波结构同下游反压造成的旋涡流的相互作用还是气动噪声的一个重要原因，另一方面还会引起结构上的疲劳破坏，将直接影响飞行器的设计性能和安全。激波、激波/附面层干扰结构下游的压力扰动被认为是导致大尺度振荡流态的主导因素。
目前针对下游压力扰动对上游激波结构的风洞试验大多是在稳态反压条件下进行的，少量研究考虑了下游的脉动反压条件，也仅仅集中于较低的几赫兹、最高十几赫兹量级的反压脉动频率。而在实际工程应用中，激波下游的压力扰动经常会达到100Hz甚至更高频率的工况；换言之，目前的超声速风洞试验装置无法满足更高频率反压扰动研究的需求，所存在的问题主要表现于：
其一，缺少产生动态变化的下游压力扰动形式的试验装置；其二，现有的少量的脉动反压条件下的试验研究中反压频率实现形式为步进电机驱动反压锥位沿流向运动或者斜板闭合形式，能实现的反压扰动频率低，仅为几赫兹、最高十几赫兹；其三，缺少可以实现较宽的反压脉动频率范围的装置。
发明内容
本发明的实施例提供一种产生高频下游扰动的超声速风洞试验装置，能够产生动态变化的下游压力扰动，提供高频反压扰动，且反压扰动频率范围宽。
为达到上述目的，本发明的实施例采用如下技术方案：
一种产生高频下游扰动的超声速风洞试验装置，包括喷管段(1)、等直段(2)、喷管段(1)和等直段(2)产生超声速流场，喷管段(1)出口与等直段(2)相连，等直段(2)下游连接流道连接段(5)，所述喷管段(1)和等直段(2)的连接处，等直段(2)和流道连接段(5)连接处均采用硅胶垫密封，确保流场壁面不漏气，连接处平整过渡；凸轮转轴(3)、凸轮转轴驱动动力装置(4)、密闭腔体连接段(6)、密闭轴承支撑部件(7)、上下侧喷管型面(8)，压力测点(9)、纹影观察窗口(10)、步进电机及控制系统(11)，联轴器(12)，内撑杆(13)、滚珠轴承(14)，其特征在于：
凸轮转轴(3)一端与凸轮转轴驱动动力装置(4)相连接，安装在流道连接段(5)一个侧面；密闭轴承支撑部件(7)，通过内置滚珠轴承(14)固定凸轮转轴(3)另一端，安装在连接段(5)的另一个侧面。保证凸轮转轴的高速稳定旋转，且密封凸轮转轴高速旋转时不与外界大气环境发生流动交换。
所述凸轮转轴驱动动力装置(4)包括：步进电机及控制系统(11)，联轴器(12)，内撑杆(13)；步进电机及控制系统(11)通过联轴器(12)、内撑杆(13)与凸轮转轴(3)装配。
所述凸轮转轴驱动动力装置(4)通过密闭腔体连接段(6)装配在流道连接段(5)靠外的一个侧面，可保持凸轮转轴和联轴器高速旋转时的密封性，不与外界大气环境发生流动交换。
所述凸轮转轴(3)的形状是椭圆形转轴、方形转轴或者菱形转轴。
所述凸轮转轴(3)轴向长度略小于流道连接段(5)宽度。
本发明采用在超声速流场下游侧壁面安装凸轮转轴驱动动力装置驱动不同大小、不同形状截面的凸轮转轴(3)，在流场垂直截面产生周期性压力扰动，可以实现较宽的反压频率范围(5～200Hz)的下游扰动试验，解决了下游压力扰动试验的扰动频率偏低的问题，还可以实现模拟多种形式和频率的下游周期性扰动，满足了激波运动特性试验中对于常规反压扰动和特殊高频扰动兼顾的需求。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为本发明整体结构示意图；
图2为本发明整体结构主视图；
图3为本发明中菱形凸轮转轴时下游产生周期性扰动装置示意图；
图4为本发明中流道阻塞面积计算示意图；
图5为本发明中椭圆形凸轮转轴时下游产生周期性扰动装置示意图；
图6为本发明中方形凸轮转轴时下游产生周期性扰动装置示意图。
具体实施方式
为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述。本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
本发明实施例第一方面，本发明的实施例提供一种产生高频下游扰动的超声速风洞试验装置，包括喷管段1、等直段2、喷管段1和等直段2产生超声速流场，喷管段1出口与等直段2相连，等直段2下游连接流道连接段5，所述喷管段1和等直段2，等直段2和流道连接段5连接处采用硅胶垫密封，确保流场壁面不漏气，连接处平整过渡；凸轮转轴3、凸轮转轴驱动动力装置4、密闭腔体连接段6、密闭轴承支撑部件7、上下侧喷管型面8，压力测点9、纹影观察窗口10、步进电机及控制系统11，联轴器12，内撑杆13、滚珠轴承14，其特征在于：
凸轮转轴3一端与凸轮转轴驱动动力装置4相连接，安装在流道连接段5的一个侧面；密闭轴承支撑部件7，通过内置滚珠轴承14固定凸轮转轴3另一端，安装在连接段5的另一个侧面。保证凸轮转轴的高速稳定旋转，且密封凸轮转轴高速旋转时不与外界大气环境发生流动交换。
具体而言，喷管段1上游接高压气源，流道连接段5尾部与大气环境或真空环境连通。当来流总压与下游环境压力之比达到喷管起动压比时，气流经过上下侧喷管型面8，在等直段2中形成超声速流场。在等直段壁面处选择压力测点9、纹影观察窗口10对该区域流场进行参数测量。
当试验无需下游压力扰动时，可以将凸轮转轴3和内撑杆13卸掉，这样即为一般形式的超声速风洞试验装置。
在稳态下游反压扰动运转时，关闭步进电机11，将凸轮转轴3固定在某个旋转角度的位置，在下游形成稳定的流动阻塞，实现下游稳态反压扰动。具体稳态反压扰动的大小，可以通过改变不同的凸轮转轴3固定角度来实现。下游流场的阻塞度跟反压大小成正比关系，当凸轮转轴3长轴在竖直截面时，阻塞度最大，即下游反压最大；当凸轮转轴3短轴在竖直截面时，阻塞度最小，即下游反压最小。
结合以上所述装置，本实施例的一种可能的应用场景实例，如图2所示，采用以菱形转轴为凸轮转轴，当进行下游不同频率的周期性反压扰动试验时，利用控制器在流场建立前设定步进电机11的转速。
如图3所示，根据本发明实施例第一方面的第一种可能的实现方式，所述凸轮转轴驱动动力装置4包括：步进电机及控制系统11，联轴器12，内撑杆13；步进电机及控制系统11通过联轴器12、内撑杆13与凸轮转轴3装配。
第一方面的第二种可能的实现方式中，所述凸轮转轴驱动动力装置4通过密闭腔体连接段6装配在流道连接段5靠外的一个侧面，可保持凸轮转轴和联轴器高速旋转时的密封性，不与外界大气环境发生流动交换。
第一方面的第一种可能或者第二种可能的实现方式中，所述凸轮转轴3的形状是椭圆形转轴、方形转轴或者菱形转轴。
第一方面的第一种可能或者第二种可能的实现方式中，所述凸轮转轴(3)轴向长度略小于流道连接段(5)宽度。
如图4所示，凸轮转轴3为菱形转轴的情况下，菱形凸轮转轴的半长轴为a，半短轴为b，所在截面内流道高度为H，当步进电机11驱动凸轮转轴的转速为恒定速度V转/分钟时，以长轴水平时为初始零时刻，在凸轮转轴旋转周期内，流道的阻塞面积S随时间的变化关系可表达为：S＝H-2bsin(tV/120π)奇数周期内、S＝H-2asin(tV/120π)偶数周期内。
如图3、图5所示，当凸轮转轴3采用椭圆形转轴和菱形转轴时，转轴每旋转一个周期内，改变流场最大阻塞比两次，相当于产生了两个周期的下游压力扰动；如图6所示，当凸轮转轴采用方形转轴时，转轴每旋转一个周期内，改变流场最大阻塞比四次，相当于产生四个周期的下游压力扰动。
由于所选用的步进电机11额定转速范围为150～3000转/分钟(在高转速时满足带动凸轮转轴的扭矩需求，在低转速时也满足能维持凸轮转轴在超声速流场时旋转时不受气流的冲击影响而改变转速)，理论上可以实现下游转周期扰动的频率最高为100Hz(采用椭圆杆和菱形杆时)、200Hz(采用方形杆时)，最低下游转周期扰动的频率最高为5Hz(采用椭圆杆和菱形杆时)。即该套试验装置可以实现下游压力扰动的频率范围为5～200Hz，维持了一个较宽的频率变化范围。
当需要下游不同形式的周期性反压扰动时，可以模块化更换凸轮转轴3。改变凸轮转轴3的大小和形式。其中，椭圆凸轮产生的是类正弦形式的压力扰动，方形凸轮产生的是标准正弦形式的压力扰动，菱形凸轮产生的是中心位置向下偏移后的正弦形式压力扰动。
本发明采用在超声速流场下游侧壁面安装凸轮转轴驱动动力装置驱动不同大小、不同形状截面的凸轮转轴3，在流场垂直截面产生周期性压力扰动，可以实现较宽的反压脉动频率范围(5～200Hz)的下游扰动试验，解决了下游压力扰动试验的扰动频率偏低的问题，还可以实现模拟多种形式和频率的下游周期性扰动，满足了激波运动特性试验中对于常规反压扰动和特殊高频扰动兼顾的需求。以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种产生高频下游扰动的超声速风洞试验装置，包括喷管段(1)、等直段(2)，喷管段(1)出口与等直段(2)相连，喷管段(1)和等直段(2)产生超声速流场；等直段(2)下游连接流道连接段(5)，所述喷管段(1)和等直段(2)的连接处，等直段(2)和流道连接段(5)连接处均采用硅胶垫密封；凸轮转轴(3)、凸轮转轴驱动动力装置(4)、密闭腔体连接段(6)、密闭轴承支撑部件(7)、上下侧喷管型面(8)，压力测点(9)、纹影观察窗口(10)、步进电机及控制系统(11)，联轴器(12)，内撑杆(13)、滚珠轴承(14)，其特征在于：
凸轮转轴(3)一端与凸轮转轴驱动动力装置(4)相连接，安装在流道连接段(5)一个侧面；密闭轴承支撑部件(7)，通过内置滚珠轴承(14)固定凸轮转轴(3)另一端，安装在连接段(5)的另一个侧面。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述凸轮转轴驱动动力装置(4)包括：步进电机及控制系统(11)，联轴器(12)，内撑杆(13)；步进电机及控制系统(11)通过联轴器(12)、内撑杆(13)与凸轮转轴(3)装配。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述凸轮转轴驱动动力装置(4)通过密闭腔体连接段(6)装配在流道连接段(5)靠外的一个侧面。
4.根据权利要求2或3所述的装置，其特征在于，所述凸轮转轴(3)的形状是椭圆形转轴、方形转轴或者菱形转轴。
5.根据权利要求2或3所述的装置，其特征在于，所述凸轮转轴(3)轴向长度小于流道连接段(5)宽度。
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