CN111189606A - 一种逆向式经济型主动风洞实验条件产生方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种逆向式经济型主动风洞实验条件产生方法及系统，其中方法在于在相对常规风洞实验室非常小的密闭有效空间内，模拟复杂环境和物理场，并将试品圆周式加速至要求的试验所需的速度，并在试品周围安装多导流孔均流箱调制流场特性与流场品质形成有效试验空间；其中系统是基于该方法，包括密闭隔热的试验空间，内部设置复杂环境和多物理场产生机构、圆周加速机构和均流箱机构。本发明在模拟产生的各类复杂环境中，巧妙的通过相对运动原理实现风洞试验效果，同时解决现有风洞试验不能兼顾高速流场、复杂环境的工程难题，可低成本的进行飞行器、高铁、风机等装备材料、部器件和缩比模型的空气动力学特性以及环境适应性的检测与试验。

Description

一种逆向式经济型主动风洞实验条件产生方法及系统

技术领域

本发明涉及风洞试验、环境适应性检测试验技术领域，具体的，涉及一种逆向式经济型主动风洞实验条件产生方法。

背景技术

实际生产生活中，各类装置与设备在低温、低气压、覆冰、大雾、沙尘等复杂环境中的高速运动是极为常见工况，如高铁车顶的各类高压设备，飞机机翼及进气口部件，风力发电机叶片等等。与此同时，高速运动装置与设备的空气动力学性能与环境适应性检测直接关乎到相关装置与设备的定型设计以及投产后的安全稳定运行状况。

目前设计、运行和维护中，检测装置与设备在高速气流中运行性能的唯一方法是风洞试验。现有技术公开的不同形式风洞，主要目的是对飞行器整体、机翼等设备的气动特性进行试验研究。但是对于实际运行中装备的复杂环境工况，如高铁牵引机车车顶高压设备支柱绝缘子在大雾、沙尘环境下的高速运行，风力发电机叶片在冰雪环境下的高速运行，飞行器在高空低温、低气压下的高速运行，风洞试验却无能为力。由此可见，现有技术的风洞不能满足复杂环境、高速运动的综合试验条件。同时传统风洞建立的成本高，占地面积大，运行消耗的功率以兆瓦级计算，运行维护困难，并且耗费大量的物力、财力和人力。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种逆向式经济型主动风洞实验条件产生方法，解决了现有风洞试验不能兼顾高速流场、复杂环境的工程难题；目的之二是基于产生方法提出了一种逆向式经济型主动风洞实验条件产生系统，具有成本低廉，试验效果好的优点。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种逆向式经济型主动风洞实验条件产生方法，产生方法具体为：

在密闭隔热的试验空间中模拟复杂环境和多物理场；

使试品作圆周运动，并逐渐加速至试验要求的旋转速度；

按试验需求调整试品周围的试验流场。

通过模拟复杂环境和多物理场，克服了现有的风洞实验不能兼顾高速流场、复杂环境的工程难题。

进一步，所述复杂环境包括冰冻雨雪、沙尘雾霾、高湿降雨和紫外高温中的一种或者多种；所述多物理场包括强电磁场、极低温度场和真空气流的一种或多种。结合多物理场及环境模拟系统模拟出试验需求的试验环境及其组合，从而在有效试验空间内获得复杂环境下的风洞试验效果，可满足飞机、高铁、高压、雷电风暴的综合风洞实验条件。

进一步，所述调整试品周围的试验流场具体为在所述试品的周围设置多导流孔均流箱。保证试品周围的试验流场品质，形成有效试验空间。

基于上述方法的一种逆向式经济型主动风洞实验条件产生系统，包括密闭隔热的试验空间，所述密闭隔热的试验空间内部设置：

复杂环境和多物理场产生机构，用于模拟产生强电磁场、冰冻雨雪、沙尘雾霾、高湿降雨和紫外高温中的一种或者多种的环境，以及模拟产生强电磁场、极低温度场和真空气流的一种或多种的物理场；

圆周加速机构，用于给试品施加试验所需的转速；

均流箱机构，用于保证试品周围的试验流场品质，形成有效试验空间。

进一步，所述圆周加速机构包括依次连接的动力部、传动部和旋转支撑部。

进一步，所述传动部包括传动箱和由传动箱控制的旋转主轴。

进一步，所述旋转支撑部包括相对于所述旋转主轴间隔布置的上对称圆形导轨和下对称圆形导轨。

进一步，还包括与所述旋转主轴连接的旋转支撑臂和安装在所述旋转支撑臂上的用于安装所述试品的旋转支撑杆，所述旋转支撑杆的一端与所述上对称圆形导轨滑动连接，另一端与所述下对称圆形导轨滑动连接。

进一步，所述均流箱机构为设置在所述试品周围的且与所述旋转支撑杆连接的多导流孔均流箱。用于保证试品周围的试验流场品质，在其内部形成有效试验空间。

进一步，所述密闭试验空间的材料为绝热结构体，所述绝热结构体包括内层和外层，所述内层和外层之间设置石棉与聚氨酯。石棉与聚氨酯用于绝热。

本发明的有益效果是：

在模拟产生的各类复杂环境中，采用旋转驱动方式将试品圆周加速至试验所需高速，同时在试件周围安装均流箱机构，调制试验流场并保证试品周围的试验流场品质，形成有效试验空间，巧妙的通过相对运动原理实现风洞试验效果，同时解决现有风洞试验不能兼顾高速流场、复杂环境的工程难题。本发明可低成本的进行飞行器、高铁、风机等装备材料、部器件和缩比模型的空气动力学特性以及环境适应性的检测与试验。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：

附图1为本方法示意图；

附图2为本系统结构示意图；

附图3为本发明圆周机构结构示意图；

附图4为均流箱机构结构示意图。

具体实施方式

以下将参照附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。应当理解，优选实施例仅为了说明本发明，而不是为了限制本发明的保护范围。

本实施例提出了一种逆向式经济型主动风洞实验条件产生方法，如图1所示，

步骤1：在密闭隔热的试验空间中模拟复杂环境和多物理场，复杂环境包括冰冻雨雪、沙尘雾霾、高湿降雨和紫外高温中的一种或者多种；多物理场包括强电磁场、极低温度场和真空气流的一种或多种。

步骤2：使试品作圆周运动，并逐渐加速至试验要求的旋转速度；

步骤3：按试验需求调整试品周围的试验流场，具体为在试品的周围设置多导流孔均流箱，即将试品设置在多导流孔均流箱内部，使得多导流孔均流箱随着试品一同做圆周运动。

运用本方法，将复杂环境和多物理场叠加在一个小的密闭隔热的空间中，使试品作圆周运动，并逐渐增加至试验所需的速度，从而达到了在有限空间内获得复杂环境下的风洞试验效果。

因此，基于该方法，提出了一种逆向式经济型主动风洞实验条件产生系统，如图2所示。

密闭隔热的试验空间1，密闭隔热的试验空间1构造为中空的圆柱体，材料为绝热结构体，具有密封绝热的性质，以便模拟极低温度场、高真空等试验条件，绝热结构体包括内层和外层，外层采用22#B工字钢承力结构，覆盖16mm厚度的全密封钢板，内层采用5mm厚度不锈钢板，内层与外层之间设置石棉与聚氨酯绝热夹层。

复杂环境和多物理场产生机构，用于模拟产生强电磁场、冰冻雨雪、沙尘雾霾、高湿降雨和紫外高温中的一种或者多种的环境；以及模拟产生强电磁场、极低温度场和真空气流的一种或多种的物理场，即上述物理场的叠加。

产生的种类根据实际所要模拟的环境进行施加，比如需要模拟高铁在青藏高原行驶的风洞实验，则需要施加冰冻雨雪和紫外高温的环境以及极低温度场的物理场；又比如需要模拟飞机在塔克拉玛干大沙漠上空飞行的状态，则需叠加紫外高温和沙尘雾霾以及极低温度场(沙漠夜晚温度极低)的类型。

在本实施例中，强电磁场产生设备由试验变压器、试验调压器和穿墙套管等组成；极低温产生设备由液氮制冷系统组成；高真空气流产生设备由真空泵组成；高湿降雨产生设备由制水机、水泵、喷淋器、鼓风机组成；冰冻雨雪产生设备由高湿降雨产生设备及制冷系统组成；雾霾沙尘产生设备由依次连接的颗粒发生器、鼓风机、过滤设备和沙尘粒径监测装置组成；紫外高温产生设备由高功率紫外管和制热系统组成。但不限于上述产生复杂环境和物理场的结构组合。

圆周加速机构2，设置在密闭隔热的试验空间1内部，用于给试品施加试验所需的转速，如图3所示，圆周加速机构2由动力部提供旋转的动力，包括旋转电机26，为了实现自动化和远程操作，将旋转电机26与智能监测与控制系统连接，旋转电机26的旋转动力传递至传动箱27和旋转主轴25(相当于传动部)，传动箱27用于带动旋转主轴25转动。

沿着旋转主轴25的轴向方向安装有两个旋转支撑臂24，安装方式采用旋转主轴25穿过旋转支撑臂24的方式，两个旋转支撑臂24为沿着旋转主轴25的轴向方向上下布置，且旋转支撑臂24垂直于旋转主轴25，且相对于旋转主轴25轴对称。

两个旋转支撑臂24之间安装有旋转支撑杆23，数量为2个，相对于旋转主轴21对称，为了平衡离心力，旋转支撑杆23用于安装试品4，旋转支撑杆23的一端与上对称圆形导轨21连接，另一端与下对称圆形导轨22，两个旋转支撑杆23均与旋转主轴25平行。旋转支撑杆23用于固定试品，其上下端头分别通过滑轮结构与上对称圆形导轨21和下对称圆形导轨22滑动衔接，也可采用其他方式进行连接，如滑动连接或者插入式连接。

上对称圆形导轨21和下对称圆形导轨22，两者的圆心皆为旋转主轴25在上对称圆形导轨21和下对称圆形导轨22平面内的投影，且两者相隔一定的距离，该距离可根据试品的尺寸进行调整。且两者在水平面上的投影完全重合。

同时，如图4所示，旋转支撑杆23的中部固定有试品4，旋转支撑杆23的数量与试品4数量相同，均为沿着上对称圆形导轨21或者下对称圆形导轨22周向布置，本实施例中存在两个试品，布置方式为对称布置。

在每个试品4的周围均安装有多导流孔均流箱3(相当于均流箱机构)，多导流孔均流箱3由透明绝缘绝缘材料制成，以便观察箱内试品4的试验情况。多导流孔均流箱3可以根据不同试件进行特殊的形状和尺寸设计，同时通过定制多导流孔均流箱3前导流面板导流孔口形状、分布，可模拟出局部不均匀流场等各种流场分布形式，以满足试品4特殊的试验流场要求。

本系统的实施方式是：将试品4以对称的方式安装在旋转支撑杆23上，将密闭隔热的试验空间1封闭至成为密闭的绝热的空间，调节复杂环境和多物理场产生机构，产生适合试验要求的复杂环境和物理场，同时启动智能监测与控制系统，带动试品4做圆周运动，并且检测和控制旋转主轴25的转动速度，直至达到预设的试品4的转动速度。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种逆向式经济型主动风洞实验条件产生方法，其特征在于：产生方法具体为：

在密闭隔热的试验空间中模拟复杂环境和多物理场；

使试品作圆周运动，并逐渐加速至试验要求的旋转速度；

按试验需求调整试品周围的试验流场。

2.根据权利要求1所述的产生方法，其特征在于：所述复杂环境包括冰冻雨雪、沙尘雾霾、高湿降雨和紫外高温中的一种或者多种；

所述多物理场包括强电磁场、极低温度场和真空气流的一种或多种。

3.根据权利要求1所述的产生方法，其特征在于：所述调整试品周围的试验流场具体为在所述试品的周围设置多导流孔均流箱。

4.基于权利要求1-3任一所述的一种逆向式经济型主动风洞实验条件产生方法的一种逆向式经济型主动风洞实验条件产生系统，其特征在于：包括密闭隔热的试验空间，所述密闭隔热的试验空间内部设置：

复杂环境和多物理场产生机构，用于模拟产生强电磁场、冰冻雨雪、沙尘雾霾、高湿降雨和紫外高温中的一种或者多种的环境，以及模拟产生强电磁场、极低温度场和真空气流的一种或多种的物理场；

圆周加速机构，用于给试品施加试验所需的转速；

均流箱机构，用于保证试品周围的试验流场品质，形成有效试验空间。

5.根据权利要求4所述的产生系统，其特征在于：所述圆周加速机构包括依次连接的动力部、传动部和旋转支撑部。

6.根据权利要求5所述的产生系统，其特征在于：所述传动部包括传动箱和由传动箱控制的旋转主轴。

7.根据权利要求6所述的产生系统，其特征在于：所述旋转支撑部包括相对于所述旋转主轴间隔布置的上对称圆形导轨和下对称圆形导轨。

8.根据权利要求7所述的产生系统，其特征在于：还包括与所述旋转主轴连接的旋转支撑臂和安装在所述旋转支撑臂上的用于安装所述试品的旋转支撑杆，所述旋转支撑杆的一端与所述上对称圆形导轨滑动连接，另一端与所述下对称圆形导轨滑动连接。

9.根据权利要求8所述的产生系统，其特征在于：所述均流箱机构为设置在所述试品周围的且与所述旋转支撑杆连接的多导流孔均流箱。

10.根据权利要求1所述的产生系统，其特征在于：所述密闭隔热的试验空间的材料为绝热结构体，所述绝热结构体包括内层和外层，所述内层和外层之间设置石棉与聚氨酯。

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