CN107748054A - 评估合成射流平板湍流减阻的实验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种评估合成射流平板湍流减阻的实验装置及方法，该装置包括低湍流度静声风洞、测试平台、测力天平、发烟机、LDV激光测速设备、合成射流平板湍流减阻装置；所述的测试平台固定设置于低湍流度静声风洞实验段内，测试平台包括固定支架、零压力梯度平板、导轨等，其方法原理是首先在风洞中搭建一个零压力梯度的平板，测出在平板上无激励装置时的流场分布，然后在平板中间增加激励装置，测出有激励装置但是不开启状态下的流场分布，最后打开激励装置，测出增加激励装置且开启状态下的流场分布。用Spalding公式拟合计算出不同状态下的摩擦阻力，分析得到合成射流平板湍流减阻装置实际减阻效果。该方法操作简单，适合各种减阻装置减阻效果的测量。

Description

评估合成射流平板湍流减阻的实验装置及方法

技术领域

本发明属于航空航天领域，涉及一种评估合成射流平板湍流减阻的实验装置及方法，以得到合成射流激励器在平板湍流边界层减阻的效果。

背景技术

环境对现代工程技术发展的影响越来越大。气候变化已经成为推动技术发展的主要动力，航空工业也不例外。基于此情形，更严厉的监管措施极有可能在未来几年里出现，设计环境友好型飞机已经成为飞机制造商的一大挑战。减少排放，尤其是二氧化碳和氮氧化物等温室气体的排放，是当前飞机设计的新范例。然而，减少最终的排放只能通过减少飞行过程中的阻力从而进一步减少燃料来实现。

减阻研究是大型飞机发展的基础科学技术问题之一，是提高飞行器续航能力和节约能耗的有效手段，是提高飞行器续航能力和节约能耗的有效手段。减低飞行器的阻力可以增大飞行器的续航、降低燃油消耗、增加有效载荷、减少飞行器的直接运行成本。在飞行器受到的总阻力中，表面摩擦力(粘性阻力)占有很大的比例，尤其对于大多数运输机所处的亚声速巡航飞行状态，表面摩擦阻力甚至超过了飞行器总阻力的一半。关于表面摩擦阻力的减阻研究，学术界通常分为两个方向：层流边界层控制和湍流边界层减阻，其中湍流边界层减阻技术研究的意义重大，已被NASA列为21世纪的航空关键技术之一。

本发明涉及的内容为湍流边界层主动流动控制减阻测量技术，主要研究合成射流技术、等离子体脉冲的减阻效果。希望通过研究，帮助实现飞机机翼在粘性阻力方面的减阻。本发明希望发展湍流表面摩阻的主动控制减阻技术,实现飞机的节能减排，以此实现保护环境和提升经济效益的目标。

发明内容

本发明的目的在于提供一种评估合成射流平板湍流减阻的实验装置及方法。

本发明评估合成射流平板湍流减阻的实验装置，包括低湍流度静声风洞、测试平台、测力天平、发烟机、LDV激光测速设备、合成射流平板湍流减阻装置；

所述的测试平台固定设置于低湍流度静声风洞实验段内，测试平台包括固定支架、零压力梯度平板、导轨，导轨沿空气流动方向设置于零压力梯度平板下方，LDV激光测速设备的探头固定于导轨滑块上，在零压力梯度平板上沿着空气流动方向开有若干测压孔，每个测压孔通过橡皮管连接置于风洞外的测力天平，在零压力梯度平板前沿放置有一根长棒，用以扰乱气流形成湍流；

所述的发烟机设置于风洞入口处；

所述的合成射流平板湍流减阻装置用于发生射流以改变零压力梯度平板上的流场分布。

上述技术方案中，所述的合成射流平板湍流减阻装置包括振动器、壳体罩和出气盖，所述的壳体罩包括开有圆孔的底部、长条形且中空的出气口以及将底部圆孔与长条形出气口相连通的过渡区；振动器出口形状与壳体罩底部相同，二者紧密连接，出气盖呈长条形，紧密盖合于壳体罩出气口上，在出气盖表面开有若干出气孔，当振动器通电，振动器带动壳体罩内空气振动，在出气孔处形成射流。

所述的零压力梯度平板包括固定于固定支架上的水平平板和设于水平平板尾端的可调尾板，所述的可调尾板一端与水平平板铰接，另一端通过伸缩杆与固定支架连接，可调尾板与水平面夹角可通过伸缩杆的伸缩进行调节。

应用上述的装置进行评估合成射流平板湍流减阻的实验方法，包括以下步骤：

1)开启风洞，调节零压力梯度平板，通过监测与测压孔相连的各测力天平的数据，直到各压力数值相等，即得到零压力梯度；

3)开启发烟机，打开LDV激光测速设备，从长棒后方沿空气流动方向取若干x点位置进行测量，对每个选取的x轴位置，在该位置的y轴方向上依次测量来流速度，最后得到无激励器时平板表面不同x位置处沿y轴的流场速度分布；

4)安装合成射流平板湍流减阻装置(即激励器)，将其设置于零压力梯度平板下方，使合成射流平板湍流减阻装置的射流出口嵌于零压力梯度平板内，且射流出口上表面与零压力梯度平板的表面平齐，重复步骤3)，测得有激励器但不开启时平板表面不同x位置处沿y轴的流场速度分布；之后再开启激励器，再次重复步骤3)，测得有激励器且开启时平板表面不同x位置处沿y轴的流场速度分布；

5)依据每次获得的实验数据分析每次实验时平板流场分布，绘制不同x位置沿y轴的速度分布图与不同x位置沿y轴的湍流度分布图，不同x位置沿y轴的速度分布图各条曲线走势接近且不同x位置沿y轴的湍流度分布图曲线走势接近则证明测试位置处湍流已充分发展，则该次实验数据有效；

6)采用最小二乘法，按照Spalding公式

进行拟合，其中K＝0.40，B＝5.5，u为来流速度，y为y轴方向的高度(平板表面为0)；拟合得到u_τ，从而壁面剪切力τ＝ρ*u_τ ²，其中ρ为实验时空气密度；V是空气粘度系数，u_τ是摩擦速度，对比不同位置处不装激励器、安装激励器但不开启、开启激励器时的壁面剪切力，获得激励器的减阻效果。

本发明的有益效果是：

本发明通过在风洞中搭建一个零压力梯度的平板，测出在平板上无激励装置时的流场分布，然后在平板中间增加激励装置，测出有激励装置但是不开启状态下的流场分布，最后打开激励装置，测出增加激励装置且开启状态下的流场分布。用Spalding公式拟合计算出不同状态下的摩擦阻力，分析得到合成射流平板湍流减阻装置实际减阻效果。该方法操作简单，适合各种减阻装置减阻效果的测量。

附图说明

图1是低湍流度静声风洞结构示意图；

图2是测试平台的结构示意图；

图3是测试平台另一角度的结构示意图；

图4是一种合成射流平板湍流减阻装置示意图。

图中，零梯度压力平板1、三块亚克力水平平板2、3、10及可调尾板4，测压孔5，长棒6，LDV激光册数设备的探头7，导轨8，固定支架9，振动器101，壳体罩102，出气盖103，壳体罩底部104，壳体罩过渡区105，壳体罩出气口106，出气孔107，振动器正极108，振动器负极109。

具体实施方式

如图1所示，实验在一座低湍流度静声风洞中进行，实验段为1.2mX1.2m(WXH)，长3.5m(L)，两侧和顶部均开有窗口供光学仪器使用，风速设置为15m/s，沿x负方向。

如图2、3所示，搭建零压力梯度平板1，由三块1mX0.8mX1cm的亚克力水平平板10、2、3依靠固定支架9拼接而成，尾板4为一块1mX0.2m的亚克力板依靠固定支架和伸缩调节杆固定，调节杆可按要求伸缩，从而调节尾板的角度。平板上开有侧压孔5，连接测压阀的橡皮管，测压阀放置在风洞外，通过实验段底部的开口由橡皮管与平板连接。平板前沿放置有一根直径1mm的长棒6，用以扰乱气流，使得平板后端发展处湍流。

实验采用一种合成射流平板湍流减阻装置，包括振动器101、壳体罩102和出气盖103。外形上，振动器101出口与壳体罩底部104形状相对应，壳体罩底部104为方形圆孔，内部为空腔，出气口106为长条形，出气盖103布有合理排列的出气孔107；振动器101与壳体罩底部104紧密相连，壳体罩102的出气口106与出气盖103紧密相连。本实例中振动器101是喇叭，4Ω内阻，40W额定功率。出口为圆形，在不同电压和频率下，可以提供不同振动强度和振动频率。实验所得方波效果最佳。上述壳体罩102为壳体，轴对称形状，分为底部104、出气口106、过渡区105三个部分，其中底部104形状与振动器101出口相对应，底部104为方形圆孔，厚度为3mm，方形边长为85mm，圆形孔半径为37mm，过渡区105从圆底光滑过渡到长条形出气口106，出气口106形状与出气盖103内腔对应，为长条状。出气口106外形为长方形，长85mm，宽6mm，内孔为长方形，长81mm，宽2mm。壳体罩整个的高度为23mm。上述出气盖103为轴对称形状，出气盖103长91mm，宽10mm，高5mm。出气盖103上的出气孔107为单排均匀排列在出气盖103的正面，出气孔107的形状为方形，孔的尺寸为2mm*1mm，单排7个小孔，小孔之间间距12mm。连接电源，振动器101提供一定频率的振动动力，使空气在振动器101的激励下通过壳体产生吹吸的效果，从而在出气口106产生射流。出气口106处的射流过经出气盖出气孔107，形成整流后规律的射流。在20V电压，100Hz的方波电源作用下，该激励器距离出口2mm处最大流速达32.9m/s，平均流速也有15.0m/s；该激励器距离出口30mm处最大流速将近19m/s，平均流速有5.3m/s。利用出气盖103的出气孔107，可以很好的整流出入气流。原本经过出气口106长条形的气流，可以通过规律排列的出气孔107形成规律的射流。经过出气孔107的射流更加的稳定、均匀，速度更快，影响范围更大。

流场速度的测量仪器采用采用美国MSE公司出产的microPro和miniLDV，microPro专门用于边界层测量，测量精度可达60μm。测量时，激光探头7打出两束激光，测量在两束激光交点处来流粒子来流方向的速度。

由于LDV测量需要有实物粒子通过两束激光的交点，所以需要在风洞中加入烟雾。实验采用四台舞台发烟机，其中两台全程工作，另外两台待机备用，若主工作机器发烟不及时则立刻开启备用机器，以保证实验全过程都有浓度适宜的烟雾。

风洞中的LDV激光探头固定在一条一维导轨8上，实验时可通过导轨调整探头7位置以测量X轴方向不同位置处的流场速度分布。

具体的实验步骤为：

(1)开始阶段首先如图2、3搭建安装固定支架9、平板1、2、3、尾板4、测力天平、导轨8和LDV测量设备。

(2)开启风洞，设风速为15m/s，打开电脑开启测力天平软件，待流场稳定后观察各个通道的压力数值，通过调节杆调节尾板4角度，直到各个通道的压力数值近似相等，即得到零压力梯度平板。

(3)之后设置发烟机自动工作，打开LDV测量软件，控制激光交点从平板内逐渐往上抬升，每移动一个步长进行一次测量。一个x轴位置测量结束后，调整导轨8，将激光探头7移动到x轴分别为140cm、150cm、160cm、170cm、180cm、190cm、200cm处位置(以放置长棒的一段为起点)再次进行测量最后得到无激励器时平板表面不同x位置处沿y轴的流场速度分布。

(4)安装合成射流平板湍流减阻装置(即激励器)，为使出气口固定在平板上，激励器下方采用台虎钳夹紧，台虎钳下方垫一些物体调整高度保证平板表面平整。实验时先不开启激励器，开启发烟机，打开LDV测量软件，重复之前的步骤，测得有激励器但不开启时平板表面不同x位置处沿y轴的流场速度分布。之后再开启激励器，重复之前的步骤，测得有激励器且开启时平板表面不同x位置处沿y轴的流场速度分布。

(5)实验测量阶段完成后进行数据处理。首先分析未安装激励器时平板的流场分布，绘制不同x位置沿y轴的速度分布图与不同x位置沿y轴的湍流度分布图，不同x位置沿y轴的速度分布图各条曲线走势接近且不同x位置沿y轴的湍流度分布图曲线走势接近则证明测试位置处湍流已充分发展，实验数据有效。

(6)采用最小二乘法，按照Spalding公式

进行拟合，其中K＝0.40，B＝5.5，u为来流速度，y为y轴方向的高度(平板表面为0)；拟合得到u_τ，从而壁面剪切力τ＝ρ*u_τ ²，其中ρ为实验时空气密度；V是空气粘度系数，u_τ是摩擦速度，对比不同位置处不装激励器、安装激励器但不开启、开启激励器时的壁面剪切力，即可分析获得激励器的实际减阻效果。

Claims (4)

1.评估合成射流平板湍流减阻的实验装置，其特征在于，包括低湍流度静声风洞、测试平台、测力天平、发烟机、LDV激光测速设备、合成射流平板湍流减阻装置；

所述的测试平台固定设置于低湍流度静声风洞实验段内，测试平台包括固定支架(9)、零压力梯度平板(1)、导轨(8)，导轨(8)沿空气流动方向设置于零压力梯度平板(1)下方，LDV激光测速设备的探头(7)固定于导轨滑块上，在零压力梯度平板(1)上沿着空气流动方向开有若干测压孔(5)，每个测压孔通过橡皮管连接置于风洞外的测力天平，在零压力梯度平板(1)前沿放置有一根长棒(6)，用以扰乱气流形成湍流；

所述的发烟机设置于风洞入口处；

所述的合成射流平板湍流减阻装置用于发生射流以改变零压力梯度平板上的流场分布。

2.根据权利要求1所述的评估合成射流平板湍流减阻的实验装置，其特征在于，所述的合成射流平板湍流减阻装置包括振动器(101)、壳体罩(102)和出气盖(103)，所述的壳体罩包括开有圆孔的底部(104)、长条形且中空的出气口(106)以及将底部圆孔与长条形出气口相连通的过渡区(105)；振动器出口形状与壳体罩底部相同，二者紧密连接，出气盖呈长条形，紧密盖合于壳体罩出气口上，在出气盖表面开有若干出气孔(107)，当振动器通电，振动器带动壳体罩内空气振动，在出气孔处形成射流。

3.根据权利要求1所述的评估合成射流平板湍流减阻的实验装置，其特征在于，所述的零压力梯度平板(1)包括固定于固定支架(9)上的水平平板(2)和设于水平平板尾端的可调尾板(4)，所述的可调尾板一端与水平平板铰接，另一端通过伸缩杆与固定支架连接，可调尾板与水平面夹角可通过伸缩杆的伸缩进行调节。

4.应用如权利要求1-3任一项所述的装置进行评估合成射流平板湍流减阻的实验方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

1)开启风洞，调节零压力梯度平板(1)，通过监测与测压孔(5)相连的各测力天平的数据，直到各压力数值相等，即得到零压力梯度；

3)开启发烟机，打开LDV激光测速设备，从长棒(6)后方沿空气流动方向取若干x点位置进行测量，对每个选取的x轴位置，在该位置的y轴方向上依次测量来流速度，最后得到无激励器时平板表面不同x位置处沿y轴的流场速度分布；

4)安装合成射流平板湍流减阻装置(即激励器)，将其设置于零压力梯度平板(1)下方，使合成射流平板湍流减阻装置的射流出口嵌于零压力梯度平板内，且射流出口上表面与零压力梯度平板的表面平齐，重复步骤3)，测得有激励器但不开启时平板表面不同x位置处沿y轴的流场速度分布；之后再开启激励器，再次重复步骤3)，测得有激励器且开启时平板表面不同x位置处沿y轴的流场速度分布；

5)依据每次获得的实验数据分析每次实验时平板流场分布，绘制不同x位置沿y轴的速度分布图与不同x位置沿y轴的湍流度分布图，不同x位置沿y轴的速度分布图各条曲线走势接近且不同x位置沿y轴的湍流度分布图曲线走势接近则证明测试位置处湍流已充分发展，则该次实验数据有效；

6)采用最小二乘法，按照Spalding公式

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进行拟合，其中K＝0.40，B＝5.5，u为来流速度，y为y轴方向的高度(平板表面为0)；拟合得到u_τ，从而壁面剪切力τ＝ρ*u_τ ²，其中ρ为实验时空气密度；V是空气粘度系数，u_τ是摩擦速度，对比不同位置处不装激励器、安装激励器但不开启、开启激励器时的壁面剪切力，获得激励器的减阻效果。