CN110530600A - 一种风洞边界层厚度调整装置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于风洞试验技术领域，尤其涉及一种风洞边界层厚度调整装置，包括扰动部件、移动部件、控制器和速度测量系统，所述扰动部件包括扰动杆，所述扰动杆上沿其轴向设置有若干翅片，所述扰动杆水平设置在风洞的试验段内，且所述扰动杆垂直于风洞的试验段，所述移动部件用于驱动扰动杆沿竖方向上下移动，所述速度测量系统用于获取风洞的试验段流场的速度分布，所述移动部件和速度测量系统均与控制器电连接。有益效果：本发明的风洞边界层厚度调整装置，实时的根据速度测量系统测得的速度场分布以及当前试验所需的边界层厚度自动调整扰动杆的高度，能更加高效和精确地满足风洞试验所需的边界层厚度，丰富风洞试验的测试内容，提高试验效率。

Description

一种风洞边界层厚度调整装置及其控制方法

技术领域

本发明属于风洞试验技术领域，尤其涉及一种风洞边界层厚度调整装置及其控制方法。

背景技术

风洞是发现和确认流动现象、探索和揭示流动激励、寻求和了解流动规律的重要手段，在流体力学试验研究中起着十分重要的作用。到目前为止，大部分风洞试验要么是在没有边界层的均匀来流中进行研究，要么是边界层厚度远小于被测物体的高度从而忽略了边界层的影响。但是在自然界或者工程实际中，物体的边界条件往往是湍流边界层，其厚度相对于物体的高度通常不能忽略。当边界层条件变化时，流经物体的平均流场、流场各组成部分、以及流场各部分间相互作用都会发生变化。为了更好的模拟真实环境下的大气边界层，已公开专利CN201710228082.9提出了一种便于安装拆卸的风洞粗糙元装置，利用安装于风洞底部的粗糙元来模拟不同的边界条件，这种装置更适合于被测物体高度大于边界层厚度的情况下，当试验需求的边界层厚度大于被测物体高度时，过高的底部粗糙元会影响被测流场的均匀性，影响试验结果。专利CN201010298629.0提出了一种风洞边界层模拟的尖劈隔栅组合装置，以适应多种地貌要求，该装置通过调整尖劈的迎风形态来实现不同壁面边界条件，当迎风角度较大时，会影响风洞气流的方向，同时该装置中的挡板提高了风洞气流的湍流度，影响测量精度。此外，这两种装置均属于被动的边界层模拟装置，调整效率低，当试验要求在特定边界层厚度下进行时，不易满足所需的边界条件。

在自然界或者工程实际当中，物体的边界层厚度会因为环境或其他因素的改变而发生变化，在不同边界条件下展开被测物体的试验研究具有重要的意义。为了满足不同边界层厚度下风洞试验的需求，本发明提出了一种风洞边界层厚度调整装置，结合测得的速度场参数，通过自动调整扰动杆的位置以得到试验需求的边界层厚度，有效的提高风洞试验的效率与准确性，满足不同边界条件下风洞试验的要求。

发明内容

为解决现有技术存在的风洞试验边界层模拟装置不易满足所需边界层厚度的问题，本发明提供一种风洞边界层厚度调整装置及其控制方法。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案如下，一种风洞边界层厚度调整装置，包括扰动部件、移动部件、控制器和速度测量系统，所述扰动部件包括扰动杆，所述扰动杆上沿其轴向设置有若干翅片，所述扰动杆水平设置在风洞的试验段内，且所述扰动杆垂直于风洞的试验段，所述移动部件用于驱动扰动杆沿竖方向上下移动，所述速度测量系统用于获取风洞的试验段流场的速度分布，所述移动部件和速度测量系统均与控制器电连接。

作为优选，所述移动部件包括滚珠丝杠和电机，所述扰动杆的两端均通过丝杠螺母与滚珠丝杠连接，所述滚珠丝杠与试验段转动连接，所述电机与滚珠丝杠传动连接。结构简单可靠，便于装配，便于控制扰动杆沿竖方向上下移动。

作为优选，所述滚珠丝杠的下端通过支撑座与试验段转动连接，所述支撑座固定设置在试验段的底部；所述电机的输出端通过联轴器与滚珠丝杠的上端传动连接，所述联轴器和滚珠丝杠之间设置有轴承，所述轴承通过轴承端盖固定设置在试验段的顶部。支撑座的设置提高滚珠丝杠的安装强度和可靠性；轴承和轴承端盖的设置增加联轴器与滚珠丝杠之间的密封性以及防尘性能。

作为优选，所述扰动杆的两端均延伸有扁平状的第一连接部，所述丝杠螺母上延伸有扁平状的第二连接部，所述第一连接部和第二连接部通过第一螺栓固定连接。扰动杆与丝杠螺母的连接结构简单可靠，便于拆卸装配。

进一步地，所述扰动杆的截面呈圆形或者椭圆形；所述扰动杆设置有一根或者多根，多根所述扰动杆沿竖直方向分布。

进一步地，若干所述翅片沿扰动杆的轴向均匀分布。扰动杆上的翅片和扰动杆共同作用，对风洞的边界层厚度进行实时扰动，若干翅片沿扰动杆的轴向均匀分布，有利于改变风洞的边界层厚度和流场的均匀性。

进一步地，所述速度测量系统采用高速粒子成像测速装置，或者激光多普勒测速仪，或者是多个热线风速仪组成的测量系统。

任一种上述的风洞边界层厚度调整装置的控制方法，包括如下步骤：

s1：向控制器输入试验所需的边界层厚度；

s2：速度测量系统实时获取风洞的试验段的速度场信号并传给控制器，控制器根据该速度场信号计算出当前试验条件下的实际边界层厚度，并同试验所需的边界层厚度进行对比；

s3：当所需边界层厚度小于实际边界层厚度时，通过电机带动扰动杆下移，减小边界层的扰动；当所需边界层厚度大于实际边界层厚度时，通过电机带动扰动杆上移，增大边界层的扰动；

s4：电机不断调整扰动杆的位置，直到满足试验所需的边界层厚度与实际边界层厚度差值|Δ|在设定值A以内。

有益效果：本发明的风洞边界层厚度调整装置，实时的根据速度测量系统测得的速度场分布以及当前试验所需的边界层厚度自动调整扰动杆的高度，能更加高效和精确地满足风洞试验所需的边界层厚度，丰富风洞试验的测试内容，提高试验效率；本发明的风洞边界层厚度调整装置，结构简单可靠，设计巧妙，便于风洞试验操作。

附图说明

图1是本发明风洞边界层厚度调整装置的立体结构示意图；

图2是本发明风洞边界层厚度调整装置的主视示意图；

图3是本发明风洞边界层厚度调整装置的俯视示意图；

图4是图3中A-A方向的剖视示意图；

图5是图4中C的局部放大示意图；

图6是图3中B-B方向的剖视示意图；

图7是图6中D的局部放大示意图；

图8是本发明风洞边界层厚度调整装置的扰动部件和移动部件的装配示意图；

图9是图8中E的局部放大示意图；

图10是本发明风洞边界层厚度调整装置的扰动部件的立体结构示意图；

图11是本发明风洞边界层厚度调整装置的工作流程示意图；

图中：1、扰动部件，11、扰动杆，12、翅片，13、第一连接部，2、移动部件，21、滚珠丝杠，22、丝杠螺母，23、第二连接部，24、电机，25、支撑座，26、联轴器，27、轴承，28、轴承端盖，291、第一螺栓，292、第二螺栓，293、第三螺栓，3、风洞，31、收缩段，32、试验段，4、待测物体。

具体实施方式

实施例

如图1～10所示，一种风洞边界层厚度调整装置，包括扰动部件1、移动部件2、控制器和速度测量系统，风洞3包括依次连接收缩段31和试验段32，所述扰动部件1包括扰动杆11，所述扰动杆11水平设置在风洞3的试验段32内，且所述扰动杆11垂直于风洞3的试验段32，所述扰动杆11的截面可以是圆形、椭圆形或者其他流动阻力较小的形状，本实施例中扰动杆11的截面是圆形，本实施例中设置一根扰动杆11，所述扰动杆11也可设置多根，多根所述扰动杆11沿竖直方向分布，所述移动部件2用于驱动扰动杆11沿竖方向上下移动，所述速度测量系统用于获取风洞3的试验段32流场的速度分布，所述移动部件2和速度测量系统均与控制器电连接；所述扰动杆11上沿其轴向设置有若干翅片12，若干所述翅片12沿扰动杆11的轴向均匀分布，扰动杆11上的翅片12和扰动杆11共同作用，对风洞3的边界层厚度进行实时扰动，若干翅片12沿扰动杆11的轴向均匀分布，有利于改变风洞3的边界层厚度和流场的均匀性；扰动杆11可对下游流场产生扰动，促进下游流场由层流向湍流转换，改变下游流场速度分布，从而改变下游边界层的厚度；待测物体4放置在风洞3的试验段32的下游流场内。

所述移动部件2包括滚珠丝杠21和电机24，所述扰动杆11的两端均通过丝杠螺母22与滚珠丝杠21连接，所述滚珠丝杠21与试验段32转动连接，所述电机24与滚珠丝杠21传动连接；所述滚珠丝杠21的下端通过支撑座25与试验段32转动连接，所述支撑座25通过第二螺栓292固定设置在试验段32的底部；所述电机24的输出端通过联轴器26与滚珠丝杠21的上端传动连接，电机24位于风洞3的试验段32的外部，所述联轴器26和滚珠丝杠21之间设置有轴承27，所述轴承27通过轴承端盖28固定设置在试验段32的顶部，轴承端盖28通过第三螺栓293与试验段32连接；所述扰动杆11的两端均延伸有扁平状的第一连接部13，所述丝杠螺母22上延伸有扁平状的第二连接部23，所述第一连接部13和第二连接部23通过第一螺栓291固定连接；

所述速度测量系统采用高速粒子成像测速(PIV)装置，或者激光多普勒测速仪(LDA)，或者是多个热线风速仪组成的测量系统。

如图11所示，上述的风洞边界层厚度调整装置的控制方法，包括如下步骤：

s1：向控制器输入试验所需的边界层厚度；

s2：速度测量系统实时获取风洞3的试验段32的速度场信号并传给控制器，控制器根据该速度场信号计算出当前试验条件下的实际边界层厚度，并同试验所需的边界层厚度进行对比；

s3：当所需边界层厚度小于实际边界层厚度时，通过电机24带动扰动杆11下移，减小边界层的扰动；当所需边界层厚度大于实际边界层厚度时，通过电机24带动扰动杆11上移，增大边界层的扰动；

s4：电机24不断调整扰动杆11的位置，直到满足试验所需的边界层厚度与实际边界层厚度差值|Δ|在设定值A以内，设定值A为大于0的常数，可根据不同试验需求来确定。

Claims (8)

1.一种风洞边界层厚度调整装置，其特征在于：包括扰动部件(1)、移动部件(2)、控制器和速度测量系统，所述扰动部件(1)包括扰动杆(11)，所述扰动杆(11)上沿其轴向设置有若干翅片(12)，所述扰动杆(11)水平设置在风洞(3)的试验段(32)内，且所述扰动杆(11)垂直于风洞(3)的试验段(32)，所述移动部件(2)用于驱动扰动杆(11)沿竖方向上下移动，所述速度测量系统用于获取风洞(3)的试验段(32)流场的速度分布，所述移动部件(2)和速度测量系统均与控制器电连接。

2.根据权利要求1所述的风洞边界层厚度调整装置，其特征在于：所述移动部件(2)包括滚珠丝杠(21)和电机(24)，所述扰动杆(11)的两端均通过丝杠螺母(22)与滚珠丝杠(21)连接，所述滚珠丝杠(21)与试验段(32)转动连接，所述电机(24)与滚珠丝杠(21)传动连接。

3.根据权利要求2所述的风洞边界层厚度调整装置，其特征在于：所述滚珠丝杠(21)的下端通过支撑座(25)与试验段(32)转动连接，所述支撑座(25)固定设置在试验段(32)的底部；所述电机(24)的输出端通过联轴器(26)与滚珠丝杠(21)的上端传动连接，所述联轴器(26)和滚珠丝杠(21)之间设置有轴承(27)，所述轴承(27)通过轴承端盖(28)固定设置在试验段(32)的顶部。

4.根据权利要求2或3所述的风洞边界层厚度调整装置，其特征在于：所述扰动杆(11)的两端均延伸有扁平状的第一连接部(13)，所述丝杠螺母(22)上延伸有扁平状的第二连接部(23)，所述第一连接部(13)和第二连接部(23)通过第一螺栓(291)固定连接。

5.根据权利要求1所述的风洞边界层厚度调整装置，其特征在于：所述扰动杆(11)的截面呈圆形或者椭圆形；所述扰动杆(11)设置有一根或者多根，多根所述扰动杆(11)沿竖直方向分布。

6.根据权利要求1或5所述的风洞边界层厚度调整装置，其特征在于：若干所述翅片(12)沿扰动杆(11)的轴向均匀分布。

7.根据权利要求1所述的风洞边界层厚度调整装置，其特征在于：所述速度测量系统采用高速粒子成像测速装置，或者激光多普勒测速仪，或者是多个热线风速仪组成的测量系统。

8.根据权利要求1～7任一项所述的风洞边界层厚度调整装置的控制方法，其特征在于：包括如下步骤：

s1：向控制器输入试验所需的边界层厚度；

s2：速度测量系统实时获取风洞(3)的试验段(32)的速度场信号并传给控制器，控制器根据该速度场信号计算出当前试验条件下的实际边界层厚度，并同试验所需的边界层厚度进行对比；

s3：当所需边界层厚度小于实际边界层厚度时，通过电机(24)带动扰动杆(11)下移，减小边界层的扰动；当所需边界层厚度大于实际边界层厚度时，通过电机(24)带动扰动杆(11)上移，增大边界层的扰动；

s4：电机(24)不断调整扰动杆(11)的位置，直到满足试验所需的边界层厚度与实际边界层厚度差值|Δ|在设定值A以内。