CN108562257B - 一种倒v字型飞行器近壁面气流附面层厚度测量实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种倒V字型飞行器近壁面气流附面层厚度测量实验装置，包括实验测量管路支撑平台、设置在支撑平台上的测量管路主耙体，所述耙体上设置有若干进气管路和出气管路，该实验装置安装在待测飞行器实验模型表面，通过合理设置测压耙的倒V字型几何外形，可降低测压耙体对流场的直接干扰，且利用倒V字型测量耙体两路分支交错布置测压管路从而可提高附面层内速度型测试数据准确性和可靠性，还可合理调整两路分支测压管路与被测飞行器实验模型表面的距离分布函数，解决传统测压耙测试数据空间分辨率难以提高和安装操作复杂等问题。

Description

一种倒V字型飞行器近壁面气流附面层厚度测量实验装置

技术领域

本发明属于航空航天中的实验力学技术领域，具体涉及一种倒V字型的飞行器近壁面气流附面层厚度测量实验装置，主要用于飞行器实验模型近壁面附近的附面层厚度的准确测量与流动特性数据的获得。

背景技术

空气从航空航天飞行器物体表面流过时，贴近物体表面始终存在一层速度分布不均匀的薄层区域，在航空航天领域和流体力学研究范畴，将区域称之为飞行器物体流动的附面层。依据普朗特提出的定理和国内外学者的普遍认同，工程上通常把物体表面流体速度小于等于0.99倍外流速度的区域的厚度定义为附面层厚度(庄礼贤等，流体力学，第二版，P306)。在附面层内部区域，流体的粘性起主导作用，且作用非常显著，导致气流沿垂直飞行器物体表面的法向速度梯度较大，速度变化较为明显；而在附面层以外区域内的气流受物体壁面和流体粘性的影响较弱，法向和流向速度受壁面影响较小。因附面层紧贴飞行器物体表面，特别是附面层厚度和流动形态直接影响飞行器近壁面区域的流动特性，对飞行器的升力、阻力等气动力特性影响也很大，故而飞行器近壁面附面层区域的速度分布测量具有十分重要的意义。长期以来，如何更加准确测量附面层厚度和流动形态，一直是航空航天技术领域和流体力学研究领域的一个研究热点和重点。

目前，用于飞行器近壁面气流附面层厚度测量估算的方式主要有数值计算和实验测量两种方式，数值计算方法主要通过模拟飞行器近壁面的流动特征获取流场参数(主要是获得物体近壁面附近区域的法向速度分布)，并依据附面层厚度的定义来估算附面层厚度；实验测量手段主要依靠测压耙测量飞行器近壁面区域内法向上不同高度的压力，并通过公式计算气流速度在法向上的分布，并依据附面层厚度的定义来确定附面层厚度。

然而数值计算方法的主要缺点在于：在进行附面层估算之前，必须提供飞行器计算区域入口精确的来流参数和边界条件(往往入口的湍流特性数据和流动参数很难给予准确)，再加上由于附面层较薄，速度梯度较大，需要大规模网格进行精细模拟，导致计算效率较低且难以给出准确可靠的模拟数据；为此，采用测压耙进行飞行器近壁面区域的速度分布测量，进而解算获得附面层厚度和流动形态成为了一种较为实用普遍的技术手段，其主要的技术路径和方法如下：测压耙实验装置由垂直于物体表面并且正对来流方向的一排通气管路组成，通气管路所测来流总压与物体表面静压之比对应附面层区域的速度分布，通气管路之间的间隔决定了附面层区域速度分布测试的空间分辨率。传统测压耙为单排或多排通气管路，为了保证测量数据的准确性，通气管路内径要远大于圆管内部粘性影响区域，以保证圆管的通气性良好，避免管内气流不通造成的数据失真。

传统的单排测压耙实验装置主要存在两点不足，一是由于通气管路的管壁存在一定厚度，通气管路外径大于其内径，因此每相邻通气管路的间隔最小为圆管外径，导致传统测压耙测量的附面层区域速度分布的空间分辨率受到圆管外径限制；二是传统测压耙通气管路之间距离无法取消，否则通气管路之间会对彼此测试数据产生干扰，进一步限制了测试数据空间分辨率的提高；采用多排测压耙能够较精确获得飞行器近壁面区域的速度型分布，但多排测压耙测量实验装置存在多个部件，部件间在安装布置时要相互协调，进而影响了测压耙的实用性和操作方便性，对测试数据的准确性也有一定影响。因此，传统测压耙实验装置限制了附面层速度分布空间分辨率的提高，也限制了测压耙实验装置在飞行器进气管道、飞机狭缝及腔体类结构附面层测量与流动特性数据获取中的实用效果。

参考文献：

1.刘俊，杨党国，王显圣，等，湍流附面层厚度对三维空腔流动的影响，航空学报，2016，37(2)：475-483.

2.高颖，赵海刚，吕伟，等，飞机进气道出口附面层测量试验与数值计算，工程与试验，2015，55(1)：30-33

3.庄礼贤，尹协远，马晖扬，流体力学(第2版)，中国科学技术大学出版社，2009，299-336

4.Anderson J D,Fundamentals of Aerodynamics,McGraw-Hill Book company,2010(中译本：安德森，空气动力学基础，航空工业出版社，2010)

发明内容

本发明的目的在于提供一种倒V字型飞行器近壁面气流附面层厚度测量实验装置，该装置安装在待测飞行器实验模型表面，通过合理设置测压耙的倒V字型几何外形，降低测压耙对流场的直接干扰，且利用倒V字型测量耙两路分支交错布置测压管路从而提高附面层内速度型测试数据准确性和可靠性，还可根据合理调整两路分支测压管路与被测飞行器实验模型表面的距离分布函数，解决传统测压耙测试数据空间分辨率难以提高和安装操作复杂等问题。

为解决上述技术问题，本发明提出一种倒V字型飞行器近壁面气流附面层厚度测量实验装置，该装置由两路具有整流效应的分支测压管路组成，其中每个分支测压管路包括连接底座、前缘整流基座、后缘整流基座、主体整流基座、总压排管、间距调节块、静压测孔、静压测管等部分，并且根据实验流体力学基本原理进行飞行器近壁气流附面层厚度测量。

一种倒V字型飞行器近壁面气流附面层厚度测量实验装置，包括支撑平台、设置在支撑平台上的耙体，所述耙体上设置有若干进气管和出气管，所述耙体有两块，两块耙体的本体倾斜固定在支撑平台上，两个耙体一端固定连接为一体，从而构成一个倒V形结构。

在上述技术方案中，每一个耙体上包含若干进气管和出气管，在若干进气管和出气管中，每一根进气管独立对应一根出气管。

在上述技术方案中，所述进气管与出气管的管路中心线与耙体的水平轴线平行，进气管从耙体的一个侧面穿入，从对侧面穿出为出气管。

在上述技术方案中，所述进气管与出气管从沿着耙体的侧面上至下单排排列。

在上述技术方案中，一块耙体上的进气管数量与另一块耙体上的进气管的数量一致。

在上述技术方案中，一块耙体上的进气管与另一块耙体上的进气管均沿着耙体的水平轴线平行，且两块耙体上的进气管在中心高度上相互错位排列。

在上述技术方案中，两块耙体上进气管的中心轴线沿垂直于平板模型表面方向分布高度互相错开。

在上述技术方案中，耙体上相邻进气管之间在支撑平台的法向投影距离为：D_n＝(d+l)·sinθ，其中：d为进气管路的直径，l为两个管路的间距，θ为耙体与支撑平台的夹角。

在上述技术方案中，附面层流场参数主要包括总压p_y，静压p_s，速度u_y，密度ρ_y，温度T_y，马赫数M_y，其中下标y表示沿待测模型表面法向的距离为y的流场参数，下标s表示附面层区域的静压，总压p_y，静压p_s为测压装置测得数据，速度u_y，密度ρ_y，温度T_y，马赫数M_y为待计算数据。

其中，T₀表示来流总温，由总温采集装置采集，可以通过温度传感器测得，为现有技术，不属于专利改进之处，f^-1表示函数f的逆函数，函数f的表达式为：

计算附面层尺度参数，定义h函数为：

其中，下标d表示沿模型表面法向的远离附面层的流场参数。

附面层厚度δ的计算公式为：

δ＝h^-1(0.99) (7)

附面层的位移厚度δ*的计算公式为：

附面层的动量厚度θ的计算公式为：

当倒V字型飞行器近壁面气流附面层厚度测量实验装置置于飞行器近壁面的附面层区域时，由于两路分支交错布置测压管路的测量数据之间能够互相补充，边界层内测点的空间间隔降低，而传统测压耙中，边界层内测点的空间间隔为固定值，通过所述多排测压耙实验装置获得的飞行器表面气流附面层的有效测点数可以比传统气流附面层厚度实验装置的有效测点数更多，从而保证飞行器近壁面气流附面层内的单位长度内的测试数据更多，因此所述倒V字型飞行器近壁面气流附面层厚度测量实验装置能够有效提高飞行器近壁面气流附面层测量的空间分辨率，并且所述倒V字型飞行器近壁面气流附面层厚度测量实验装置采用一体化设计思路，可以保证所述实验装置的几何外形对流场干扰更小，因此使测试数据更加准确。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

通过设置成一个V形结构，可以改变进气管与支撑体的角度，从而可以得到多种高度的测量数据，使得测量更精细；

通过V形两边的进行管进行交叉设置，可以进一步减小在法向上的两个进气管之间的距离，提高测量精度；

本发明结构简单，占用空间小，具有非常高的可靠性。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1是V字形测量装置的结构示意图；

图2是进气管与模型表面的分布图；

其中：1是进气管、2是耙体、3是出气管、4是平板模型、6是固定螺钉、5是来流方向。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

如图1所示，本发明的近壁面气流附面层厚度测量装置包括耙体和设置在耙体上的进气管和出气管，其中耙体设置在一个平板模型上，平板模型起到支撑作用。本发明中的耙体一改传统的单面直板形状，采用V字形状的结构，通过V字形状的设计来改变进气管之间的相对间距，从减小对于流场的状态影响。

本发明中的V字形耙体露出平板模型表面部分为V形薄板，厚度2mm，前缘倒10°尖劈，V字形夹角约60°，可根据需要作调整以改变各进气管中心线与物体表面的距离，使附面层厚度测量精细化。靠近物体表面一定高度的进气管排列紧密，远离物体表面的进气管排列间距适当增加。V字形耙体左右两侧分别安装进气管，设计成两边进气管中心高度错位排列，使测点距离物体表面高度更加致密。

如图2所示，由于测量附面层厚度时所需的是模型表面法向压力分布，通过将耙体倾斜可以有效减小管路间距在模型表面法向上的投影距离。若进气管路直径为d，管路间隙为l,两相邻进气管的中心线的距离则为d+l，以上三者单位均为mm，耙体与模型表面的夹角为θ，如图2所示。相邻气管中心线的间距在模型表面法向上的投影距离为：

D_n＝(d+l)·sinθ (10)

通过上式可知，当进气管路中心线实际间距不变的情况下，通过将耙体倾斜，可以减小相邻进气管间距在模型表面法向上的投影距离，从而提升法向压力分布的测量精度。

进气管采用圆形钢管，外径0.4mm至0.6mm，内径0.2mm至0.4mm。V字形测压耙左右两列测压管分布交错布置，使得左右两列测压管中心轴线沿垂直于物体表面方向分布更加致密，获得的结果更精细。进气管入口距离耙体前缘15-20mm，进气管紧密安装固定在耙体上，通过粘合剂固定。出气管与进气管一一对应相通，可为塑料管或金属管，并最终接入测压模块。

耙体通过螺钉安装固定在平板模型表面上，安装固定好以后，最靠近平板模型表面的一根进气管紧贴在物体表面上，来流方向与进气管的轴线相互平行。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (5)

1.一种倒V字型飞行器近壁面气流附面层厚度测量实验装置，包括实验测量管路支撑平台、设置在支撑平台上的测量管路主耙体，所述耙体上设置有若干进气管路和出气管路，其特征在于所述耙体有两块分支测量装置，耙体两块分支测量装置的本体相互倾斜并构成一个倒V字型结构，该结构的尾端固定在支撑平台上，两个耙体的顶端固定连接为一体；所述进气管路与出气管路分别从沿着耙体的两个分支测量装置的侧面依次从上至下单排排列；耙体上一路分支的进气管路与另一路分支的进气管路均沿着耙体的水平轴线相互平行，且耙体上两路分支的进气管路在水平垂直方向上的中心高度相互错位排列。

2.根据权利要求1所述的一种倒V字型飞行器近壁面气流附面层厚度测量实验装置，其特征在于每一块耙体上若干进气管路和出气管路中，一根进气管路独立对应一根出气管路。

3.根据权利要求2所述的一种倒V字型飞行器近壁面气流附面层厚度测量实验装置，其特征在于所述一根进气管路与一根出气管路的管路中心线与耙体的水平轴线相互平行，进气管路从耙体的正前面穿入，从正后面穿出为出气管路。

4.根据权利要求1所述的一种倒V字型飞行器近壁面气流附面层厚度测量实验装置，其特征在于耙体上一路分支的进气管路数量与另一路分支的进气管路的数量保持一致。

5.根据权利要求1所述的一种倒V字型飞行器近壁面气流附面层厚度测量实验装置，其特征在于耙体上相邻进气管路之间在支撑平台的法向投影距离为：D_n＝(d+l)·sinθ，其中：d为进气管路的直径，l为两个管路的间距，θ为耙体两路分支与支撑平台之间的夹角。

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