CN106840585B - 一种具备角度调节功能的超声速风洞试验段调节装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具备角度调节功能的超声速风洞试验段调节装置，属于风洞试验装置设计领域。该装置包括框架、弹性梁、铰链轴、固定调节片、过渡调节片、转动调节片、顶杆、弧形导轨、滚珠丝杠模组、伺服电机、减速机、拉线传感器等。弧形导轨的轨道安装在与框架固联的过渡调节片上，弧形导轨的滑块与转动调节片连接，通过由伺服电机、减速机、滚珠丝杠模组组成的直线运动机构带动顶杆行走，实现调节片转动，产生可连续变化激波角的斜激波。本发明具有精确调节风洞流场的功能，可应用于激波反射、连续变马赫数研究项目，也可用于测压、进气道等超声速风洞特种试验，有效地拓展风洞试验的能力。

Description

一种具备角度调节功能的超声速风洞试验段调节装置

技术领域

本发明涉及一种具备角度调节功能的超声速风洞试验段调节装置，可用于激波反射、连续变马赫数、测压、进气道等超声速风洞特种试验项目，属于风洞试验装置设计领域。

背景技术

激波作为空气动力学的基本物理现象，具有重要的物理意义和学术研究价值，激波反射现象作为空气动力学重要的研究领域，在物理研究中一直受到了广泛的关注。

图1(a)～图1(f)是尖劈在二维流场中，来流Ma1与头部激波的变化情况,其中，图1(a)为当来流Ma1刚刚超过音速一点时，尖劈的前方出现一个离体激波；图1(b)为Ma1速度继续上升，离体激波向尖劈靠拢，发生弯曲；图1(c)为Ma1速度继续上升，激波从离体位置突然贴到尖劈前缘，形成斜激波AN；图1(d)为Ma1速度继续上升，激波AN的β角随之减小。与此相对应的关系还有：图1(e)为对应一定的Ma1，存在一个最大的尖劈角δmax，若尖劈角δ＜δmax，就形成一道贴在尖劈前缘的斜激波AN；图1(f)为若尖劈角δ＞δmax，就形成一道立在尖劈前缘的弓形离体激波；

对于图1(c)、图1(d)、图1(f)的情况，激波后气体的速度方向变化量为δ，即气流方向与尖劈斜面平行，激波后马赫数和激波角可依据完全气体的斜激波公式计算：

式中：

Ma1＝来流马赫数

Ma2＝激波后马赫数

δ＝尖劈角

β＝激波角

γ＝比热比，对于空气取为1.40

对于图1(a)、图1(b)、图1(e)的情况，整个流场的计算很复杂，无法采用确切的计算公式计算激波后马赫数和激波角，需要用计算流体力学计算或通过风洞试验来验证。

尖劈放在超声速风洞中的示意如图2(a)和图2(b)所示。(a)当来流Ma1的马赫数足够大，产生原生激波AN，气流折转δ角后速度变为Ma2，但仍然是超声速的。原生激波AN达到风洞壁后，N点的洞壁也相当于一个δ角的尖劈，只要Ma2不太低，气流又会产生一道斜激波NQ，经过NQ以后的气流Ma3就和洞壁平行了。激波NQ称为激波AN的反射波，这种反射称为在直壁上的规则反射。(b)如果Ma2不够大，第一道激波不可能伸到洞壁，可以没有第二道斜激波，这时的反射波系如图示意，N点是几个激波的会合点，这相当于产生离体激波的情况。此外，还有各种类型激波的相交、反射等问题，称之为激波的不规则反射。

激波反射问题广泛存在于超声速飞行器布局、发动机进气道等工程应用方面。在研究此类问题时，一般采用测力、测压方法，配合以纹影、油流等观测手段，来研究特定模型比较宏观的激波反射问题。关于激波反射形成流场的边界条件、内部结构分布等机理性的研究，虽然取得了不少认识，但仍然有有一些物理问题等待解决。如图3示意的一种激波反射的典型内部流场，可以看到流动产生了明显分离，激波与边界层之间的相互作用形成了复杂流场。如图4示意的激波反射现象分类，可以看出激波反射的外在表现形式也多种多样。研究者在研究激波反射的道路上，不断地深化和拓展认识，图4的分类内容也在不断地充实和丰富。研究激波反射的流场的边界条件、内部结构分布等机理性问题，通过计算流体力学的方法全面计算很复杂也十分困难，需要设计各种类型的试验方案研究。

研究激波反射应用的一个例子是飞行器的结构设计。如果图4示意的流场作用在飞行器表面，会造成飞行器表面结构的持续抖振，如果设计不当，飞行器表面结构有可能产生疲劳震动破坏，或大振幅振荡破坏。

针对研究激波反射的机理性问题，常用的风洞测量技术是在风洞支架上安装不同尖劈角δ的模型，通过纹影等手段观察激波结构。这种方法存在着不足，第一是超声速气流的马赫数间隔最小为0.25，还没有达到研究激波反射问题所需要的马赫数步长精度；第二是模型的尖劈角δ的变化是有步长跨度的，连续变化尖劈角δ的机构受限于模型体积无法实现。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种具备角度调节功能的超声速风洞试验段调节装置，该装置可通过改变调节片的角度，制造出在一定角度和速度范围内连续可控的超声速气流，为研究激波反射的原理创造试验条件。

本发明的技术解决方案是：一种具备角度调节功能的超声速风洞试验段调节装置，该调节装置包括转动调节片、过渡调节片、弧形导轨、弹性梁、顶杆、拉线传感器、横梁、铰链轴、框架、固定调节片和直线运动机构；其中，弹性梁固定安装在风洞试验段的底部位置，框架一端固定在弹性梁上，另一端通过铰链轴与风洞扩开角机构相连；过渡调节片和固定调节片与框架固定连接；横梁固定在风洞试验段的底部位置；转动调节片一端通过弧形导轨与过渡调节片连接，另一端通过顶杆与安装在横梁上的直线运动机构相连，直线运动机构通过顶杆带动转动调节片相对于过渡调节片一端旋转；拉线传感器主体固定在过渡调节片的侧壁上，拉线端固定在转动调节片端部，通过测量转动调节片端部的位移换算成为转动调节片相对于过渡调节片的角度，直线运动装置调节转动调节片相对于过渡调节片的角度至所需要的角度。

所述过渡调节片及固定调节片通过压紧的方式与框架固定连接。

所述直线运动机构包括滚珠丝杠模组、减速机、伺服电机，伺服电机与减速机连接形成驱动源，减速机与滚珠丝杠模组配合连接，将电机的转动转为滚珠丝杠模组滑块的直线运动。

所述顶杆、拉线传感器、横梁、直线运动机构均位于风洞试验支架的一侧，与风动测试支架不在同一个垂直平面内。

所述转动调节片与过渡调节片的夹角最大时，顶杆与滚珠丝杠模组远离弧形导轨方向的夹角接近于90度，但不超过90度。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

(1)、本发明现有超声速试验段的壁板是固定的，本发明在超声速试验段的壁板上安装转动调节片，通过转动调节片转动形成的角度，可以得到超声速风洞试验所需的特殊流场：首先是实现超声速马赫数1.5～4.5范围内的气流速度连续变化，其次是实现研究激波反射所需要的连续变化尖劈角δ；

(2)、本发明最大程度地保留了原有风洞壁板的结构，在转动调节片为0°的时候，与原有风洞的内壁完全一致，不妨碍风洞开展其他试验；

(3)、本发明的过渡调节片及固定调节片在框架上的固定方式为压紧，可提高调节片安装固定的效率；

(4)、本发明顶杆的瞬时角速度方向始终与转动调节片转动方向一致，并且顶杆的瞬心位置始终不超过顶杆上端在直线运动机构运动方向的垂直投影，保证了转动调节片与滚珠丝杠模组(8)的滑块位置具有唯一的对应关系；

(5)、本发明转动调节片位于最大转角的位置时，气动力最大，而此时顶杆与的滚珠丝杠模组(8)角度μ接近90°，直线运动机构的直线驱动力最大程度地转化为转动调节片围绕转心转动所需的转矩，对于整套机构而言，虽然此时的气动力很大但伺服电机所需提供的驱动力很小，从而有效减小了伺服电机的功率和体积。

(6)、本发明顶杆、拉线传感器、横梁、滚珠丝杠模组、减速机、伺服电机均位于风洞试验支架的一侧，与风动测试支架不在同一个垂直平面内，确保了转动调节片与支架可同时运动而不会发生干涉。

附图说明

图1(a)为来流马赫数刚过音速，尖劈前方产生离体激波的示意图；

图1(b)为来流马赫数刚过音速且稍大于图1(a)的来流马赫数，尖劈前方离体激波发生弯曲的示意图；

图1(c)为来流马赫数继续上升，尖劈前方激波从离体位置突然贴到尖劈前缘，形成斜激波AN的示意图；

图1(d)为来流马赫数继续上升，激波AN的β角相对于图1(c)的β角减小的示意图；

图1(e)为尖劈角δ＜δmax产生斜激波AN的示意图；

图1(f)为尖劈角δ＞δmax产生离体激波的示意图；

图2(a)为斜激波的规则反射示意图；

图2(b)为一种斜激波的不规则反射示意图；

图3为斜激波内部流场示意图；

图4为激波反射问题的分类图；

图5为一种具备角度调节功能的超声速风洞试验段调节装置剖视图。

图6为直线运动机构的驱动力转化为转动调节片转矩的受力示意图；

图7(a)为研究尖劈激波反射的风洞试验示意图；

图7(b)为研究激波不规则反射的风洞测力测压示意图；

图8为进气道启动特性示意图；

图9为研究进气道启动特性的风洞试验示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

超声速风洞试验段的调节片在试验期间作为风洞内壁一般是固定不动的，本发明在现有调节片基础上的改进，使原来其中的一片固定调节调节片分为两层成为过渡调节片和转动调节片。过渡调节片位于下层，与剩余的固定调节片在框架上的连接方式为压紧；转动调节片位于上层，与过渡调节片之间安装弧形导轨，其中导轨座固定在过渡调节片上，导轨固定在转动调节片上，弧形导轨限制了过渡调节片只具有唯一的转动自由度。弧形导轨的转心位于转动调节片前端与风洞内壁接缝的直线处，从而保证转动调节片在转动期间，其前端始终与风洞内壁终保持平齐，后端始终围绕接缝旋转。转动的驱动力来源于直线运动机构带动顶杆行走，从而带动转动调节片的一端旋转，采用拉线传感器敏感转动调节片一端的位移。

如图5所示，本发明提供了一种具备角度调节功能的超声速风洞试验段调节装置，该装置包括转动调节片1、过渡调节片2、弧形导轨3、弹性梁4、顶杆5、拉线传感器6、横梁7、铰链轴11、框架12、固定调节片13和直线运动机构。本发明直线运动机构是由伺服电机、减速机、滚珠丝杠模组组成。针对亚跨超风洞的特点，其超声速试验段由可更换上下壁板和固定侧壁板组成。

弹性梁4固定安装在风洞试验段的底部位置，框架12一端固定在弹性梁4上，另一端通过铰链轴11与风洞扩开角机构相连，扩开角机构拉伸框架12后端，与框架12前端相连的弹性梁4产生弹性变形，形成风洞试验所需的扩开角，弹性梁4的弹性变形不会影响风洞流场的品质；过渡调节片2和固定调节片13与框架12固定连接，构成固定壁板；转动调节片1一端通过弧形导轨3与过渡调节片2连接，所述弧形导轨3转心位于转动调节片1与弹性梁4的接缝处，另一端通过顶杆5与直线运动机构相连；滚珠丝杠模组8、减速机9和伺服电机10通过螺钉与横梁7连接固定，伺服电机10与减速机9通过螺钉连接形成驱动源，减速机9与滚珠丝杠模组8通过定位键配合连接，将电机的转动转为滚珠丝杠模组8滑块的直线运动；转动调节片1通过螺钉与弧形导轨3固定，同时与弹性梁4连接形成运动调节片系统。运动调节片系统与直线运动机构之间通过顶杆5连接并利用销钉固定，滚珠丝杠模组8滑块的直线运动通过顶杆5带动转动调节片1相对于过渡调节片2一端旋转；拉线传感器6主体固定在滚珠丝杠模组8的滑块上，拉线端固定在转动调节片1上用于实时测量转动调节片1形成的角度。

一方面，转动调节片一端的位移变化量就是拉升传感器绳子长度的变化量，通过测控系统读取拉线传感器输出电压的增量(ΔUo)，并通过高精度水平仪检测此时转动调节片的角度(δ)，就可以得到ΔUo--δ的公式；

另一方面，只要顶杆与滚珠丝杠模组滑块的角度不超过90°，滚珠丝杠模组滑块的位置与转动调节片的角度(δ)也具有唯一的对应关系，反映在控制方面就是伺服电机的输出脉冲数(P)与转动调节片的角度(δ)唯一对应，在前边标校ΔUo--δ公式的时候，伺服电机每一次都输出了一定的脉冲数(P)，因此就可以得到P-ΔUo--δ的公式。伺服电机的输出脉冲数(P)是发出的控制信号，拉线传感器电压的增量ΔUo是反馈的控制信号，转动调节片的转动角度是通过拉线传感器电压的增量ΔUo计算得到的，从而实现了伺服电机的闭环控制。

所述过渡调节片2及固定调节片13通过压紧的方式与框架12固定连接，可提高调节片安装固定的效率。

所述顶杆5、拉线传感器6、横梁7、滚珠丝杠模组8、减速机9、伺服电机10均位于风洞试验支架的一侧，与支架不在同一个垂直平面内，确保了转动调节片1与支架可同时运动而不会发生干涉。

所述转动调节片1在承受最大气流载荷的最大转角位置，顶杆5与滚珠丝杠模组8的角度接近90度，只需很小的驱动力就可实现调节片的转动，从而使伺服电机10、减速机9转矩、功率、体积大大减小，

所述转动调节片1位于最大转角的位置时，气动力最大，而此时顶杆5与滚珠丝杠模组8远离弧形导轨3方向的夹角μ接近90。顶杆的瞬时角速度方向始终与转动调节片转动方向一致，并且顶杆的瞬心位置始终不超过顶杆上端在直线运动机构运动方向的垂直投影。

如图6所示，滚珠丝杠模组8的直线驱动力F_l与围绕转心o的转矩Mo之间的关系为：

式中，L为过弧形导轨转心到铰链轴11与框架12的连接处距离。

此时，cosμ接近于0，Mo理论上接近于无穷大，也就是说直线运动机构的直线驱动力Fl最大程度地转化为转动调节片围绕转心转动所需的转矩Mo，对于整套机构而言，虽然此时的气动力很大但伺服电机所需提供的驱动力很小，从而有效减小了伺服电机的功率和体积。

本发明具有精确调节风洞流场的功能，可应用于激波反射、连续变马赫数等研究项目，也可用于测压、进气道等超声速风洞特种试验，有效地拓展风洞试验的能力。风洞试验过程中，上述装置的主要作用是控制转动调节片1转动试验所需的角度。

在开展激波反射机理性研究的风洞试验中，可以开展的试验类型如图7(a)和7(b)所示。

第一种是在风洞中研究尖劈模型的激波反射，根据斜激波公式的计算结果，改变不大于10°的转动调节片角度就可以控制激波后的气流速度与下一个喷管的速度搭接上，在两个喷管马赫数的区间内，激波后的马赫数Ma2是连续变化的，从而在超声速马赫数1.5～4.5范围内的实现气流速度连续变化，达到研究此类问题所需的马赫数步长精度问题；

第二种是尖劈角δ变化对激波反射流场的研究，此时将转动调节片视作模型或者在转动调节片上安装类似模型，实现连续变化尖劈角。这种方法等效于将模型与风洞垂直方向的距离放大了一倍，有利于提高试验的效果。

超声速冲压进气道是利用激波反射特性的一个例子，这种进气道利用自身压缩结构，将远方超声速气流多次反射后转化为势能，达到提高气流压强的目的，使冲压发动机具有相对宽广的马赫数工作范围。启动特性是冲压进气道的设计中的关键问题，当进气道未启动时，进口前形成离体激波，多余的气体溢出口外。而当来流马赫数达到启动马赫数时，气体全部撞入喉道通过，进口前的离体激波被吸入进气道扩张段，建立起正常的工作状态，进气道启动。从流量系数看来，此时的流量系数突然跃升，如图8所示。进气道的关闭过程可看做是启动过程的逆过程，而关闭马赫数与启动马赫数有一定的差别，这种差别叫做进气道的迟滞效应。要使进气道处于稳定的范围运行，非常有必要准确测量进气道的启动关闭相关参数。

在开展冲压进气道启动特性研究的风洞试验中，如图9所示，转动调节片之后的流场Ma2可以实现连续变马赫数，从而在超声速马赫数1.5～4.5范围内的实现气流速度连续变化，达到研究此类问题所需的马赫数步长精度问题。在调节片形成的倾斜流场内，在风洞支架上安装进气道模型，就可以完成进气道启动性能试验。

本发明未进行详细说明的内容属于本领域公知常识。

Claims (4)

1.一种具备角度调节功能的超声速风洞试验段调节装置，其特征在于：包括转动调节片(1)、过渡调节片(2)、弧形导轨(3)、弹性梁(4)、顶杆(5)、拉线传感器(6)、横梁(7)、铰链轴(11)、框架(12)、固定调节片(13)和直线运动机构；其中，弹性梁(4)固定安装在风洞试验段的底部位置，框架(12)一端固定在弹性梁(4)上，另一端通过铰链轴(11)与风洞扩开角机构相连；过渡调节片(2)和固定调节片(13)与框架(12)固定连接；横梁(7)固定在风洞试验段的底部位置；转动调节片(1)一端通过弧形导轨(3)与过渡调节片(2)连接，另一端通过顶杆(5)与安装在横梁(7)上的直线运动机构相连，直线运动机构通过顶杆(5)带动转动调节片(1)相对于过渡调节片(2)一端旋转；拉线传感器(6)主体固定在过渡调节片(2)的侧壁上，拉线端固定在转动调节片(1)端部，通过测量转动调节片(1)端部的位移换算成为转动调节片(1)相对于过渡调节片(2)的角度，直线运动机构调节转动调节片(1)相对于过渡调节片(2)的角度至所需要的角度；

所述直线运动机构包括滚珠丝杠模组(8)、减速机(9)、伺服电机(10)，伺服电机(10)与减速机(9)连接形成驱动源，减速机(9)与滚珠丝杠模组(8)配合连接，将电机的转动转为滚珠丝杠模组(8)滑块的直线运动；

所述滚珠丝杠模组(8)的直线驱动力Fl与围绕转心o的转矩Mo之间的关系为：

式中，L为过弧形导轨转心到铰链轴(11)与框架(12)的连接处距离；

δ为转动调节片的角度；

μ为顶杆(5)与滚珠丝杠模组(8)远离弧形导轨(3)方向的夹角。

2.根据权利要求1所述的一种具备角度调节功能的超声速风洞试验段调节装置，其特征在于：所述过渡调节片(2)及固定调节片(13)通过压紧的方式与框架(12)固定连接。

3.根据权利要求1所述的一种具备角度调节功能的超声速风洞试验段调节装置，其特征在于：所述顶杆(5)、拉线传感器(6)、横梁(7)、直线运动机构均位于风洞试验支架的一侧，与风动试验支架不在同一个垂直平面内。

4.根据权利要求1所述的一种具备角度调节功能的超声速风洞试验段调节装置，其特征在于：所述转动调节片(1)与过渡调节片(2)的夹角最大时，顶杆(5)与滚珠丝杠模组(8)远离弧形导轨(3)方向的夹角接近于90度，但不超过90度。