CN112146839B - 一种上表面吹气动力模拟地面试验装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种上表面吹气动力模拟地面试验装置，所述试验装置至少包括天平和喷流模拟装置，所述喷流模拟装置设置于所述天平之上，经由所述天平完成喷流模拟装置的推力矢量特性测量；本发明公开的上表面吹气技术动力模拟地面试验装置，可以用于开展基于柯恩达效应的推力矢量偏转试验，通过控制流量可以实时控制喷流模拟装置的状态，通过天平可以得到不同状态推力矢量偏转角和偏转效率，通过更换上表面吹气襟翼，可以用于不同状态的推力矢量控制优化选型。该套试验装置流量测量精度高、控制范围大，喷流流场稳定，该装置通过空气桥影响修正，扣除了供气管路的约束影响，测量精度高。

Description

一种上表面吹气动力模拟地面试验装置
技术领域
本发明属于空气动力学技术领域，涉及一种上表面吹气动力模拟地面试验装置，尤其是涉及基于柯恩达效应实现动力增升控制的一种上表面吹气技术动力模拟地面试验装置。
背景技术
上表面吹气技术利用发动机喷流附着在弯曲的表面，在柯恩达效应作用下喷流发生较大角度的偏转，产生相当大的气动升力。上表面吹气概念的首次应用是NASA的QSAR和波音的YC-14验证机项目，唯一采用上表面吹气技术的型号飞机的AN-72，通过将发动机置于机翼之上，利用柯恩达附壁效应使发动机的高速喷流沿着弯曲的襟翼上表面偏转，流速增加，绕机翼的环量增加，获得高升力性能。
对于翼身融合布局运输类飞机翼上内埋发动机布置，无法采用传统上表面吹气方式进行动力增升，可以在发动机喷口处布置上表面吹气襟翼，通过上表面吹气襟翼偏转，利用柯恩达效应促使喷流发生偏转。由于内埋发动机位置靠后，发动机喷口与上表面吹气襟翼之间的流向距离较小，为提高巡航效率，机翼尾缘封闭角较小无法安装传统大半径襟翼，使得利用柯恩达效应进行喷流偏转的难度增加，利用上表面吹气技术进行动力增升的效率降低。因此，发动机喷流状态、喷口形状、上表面吹气襟翼外形、发动机喷口与上表面吹气襟翼的相对位置对喷流偏转性能有较大的影响，需要进行详细的试验进行选型。
建立上表面吹气技术动力模拟地面试验装置，可以对不同状态和构型下的发动机喷流偏转性能进行评估，对不同控制参数和控制方案进行优选，不仅能实现喷流流量、压力的精确控制和测量，还能精确获得发动机的推力矢量偏转特性。
发明内容
本发明的目的在于，为克服现有技术缺陷，针对新型翼身融合布局翼上内埋发动机布置运输类飞机上表面吹气技术研究，公开了一种上表面吹气技术动力模拟地面试验装置，不仅能够模拟发动机不同工作状态和上表面吹气襟翼不同控制参数，而且能够精确获得发动机的推力矢量偏转特性。
本发明目的通过下述技术方案来实现：
一种上表面吹气动力模拟地面试验装置，所述试验装置至少包括天平和喷流模拟装置，所述喷流模拟装置设置于所述天平之上，经由所述天平完成喷流模拟装置的推力矢量特性测量；所述喷流模拟装置至少包括气源连通管道、集气腔、蜂窝器、稳定收缩段、测量段、喷口段和上表面吹气襟翼，所述集气腔一端与所述气源连通管道相连，另一端与所述蜂窝器相连；所述稳定收缩段一端与所述蜂窝器相连，另一端与所述测量段相连；所述测量段的另一端与所述喷口段相连，所述上表面吹气襟翼设置于所述喷口段的喷口处，且所述上表面吹气襟翼与喷口段的下表面平齐，用于喷流的偏转附着。
根据一个优选的实施方式，所述喷口段的喷口处还设置有推力矢量偏转控制装置。
根据一个优选的实施方式，所述测量段基于其内设置的测压耙完成总压测量，试验过程中，通过调节输入气源的流量使测量段的总压条件满足试验条件。
根据一个优选的实施方式，所述测量段包括沿喷管展向均匀布置3个总压耙，每个总压耙上均匀布置6根总压管，总压管与来流平行布置，通过平均得到截面上的总压，作为喷流状态的压力控制反馈。
根据一个优选的实施方式，所述测量段内还包括两个静压孔以及用于测量截面上的温度的总温传感器。
根据一个优选的实施方式，所述喷流模拟装置还包括安装座，所述集气腔、蜂窝器、测量段和喷口段经耳片固定于所述安装座之上，并经所述安装座固定于所述天平之上。
根据一个优选的实施方式，所述试验装置还包括气源接口、流量计、空气桥和测量支撑架，其中，所述流量计位于所述气源接口的下游侧，所述空气桥一端固定于测量支撑架之上并与所述流量计相连通，另一端固定于所述喷流模拟装置之上并与所述气源连通管道相连；且所述天平固定于所述测量支撑架之上。
根据一个优选的实施方式，所述流量计位文丘里流量计。
根据一个优选的实施方式，所述的空气桥包括两个横置的柔性节、一个竖置的柔性节、两个温度传感器、两个静压孔。
根据一个优选的实施方式，所述的天平为六分量天平。
前述本发明主方案及其各进一步选择方案可以自由组合以形成多个方案，均为本发明可采用并要求保护的方案；且本发明，(各非冲突选择)选择之间以及和其他选择之间也可以自由组合。本领域技术人员在了解本发明方案后根据现有技术和公知常识可明了有多种组合，均为本发明所要保护的技术方案，在此不做穷举。
本发明的有益效果：本发明公开的上表面吹气技术动力模拟地面试验装置，可以用于开展基于柯恩达效应的推力矢量偏转试验，通过控制流量可以实时控制喷流模拟装置的状态，通过天平可以得到不同状态推力矢量偏转角和偏转效率，通过更换上表面吹气襟翼，可以用于不同状态的推力矢量控制优化选型。该套试验装置流量测量精度高、控制范围大，喷流流场稳定，该装置通过空气桥影响修正，扣除了供气管路的约束影响，测量精度高。
附图说明
图1是本发明上表面吹气动力模拟地面试验装置的结构示意图；
图2是本发明装置的喷流模拟装置示意图；
图3是本发明的喷口段的推力矢量偏转控制装置结构示意图。
图4是本发明的喷口段的推力矢量偏转控制装置中下偏襟翼的参数示意图。
图5是本发明的喷口段的推力矢量偏转控制装置中侧偏襟翼的参数示意图。
图6是本发明的喷口段的推力矢量偏转控制装置中β＝0°时，侧偏襟翼的参数示意图。
其中，1-气源接口，2-流量计，3-空气桥，4-测量支撑架，5-天平，6-喷流模拟装置，7-气源连通管道，8-集气腔，9-蜂窝器，10-稳定收缩段，11-安装座，12-测量段，13-喷口段，14-上表面吹气襟翼，15-背景型面，101-下偏襟翼，102-侧偏襟翼，103-第一转轴，104-第二转轴。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
需要说明的是，为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
因此，以下对本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
此外，术语“水平”、“竖直”、“悬垂”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
另外，本发明要指出的是，本发明中，如未特别写出具体涉及的结构、连接关系、位置关系、动力来源关系等，则本发明涉及的结构、连接关系、位置关系、动力来源关系等均为本领域技术人员在现有技术的基础上，可以不经过创造性劳动可以得知的。
实施例1：
参考图1和图2所示，本发明公开了一种上表面吹气动力模拟地面试验装置，所述试验装置至少包括气源接口1、流量计2、空气桥3、测量支撑架4、天平5和喷流模拟装置6，
优选地，所述流量计2位于所述气源接口1的下游侧。进一步地，所述流量计2位文丘里流量计，用于精确测量流经喷流模拟装置的气体流量。
优选地，所述空气桥3一端固定于测量支撑架4之上并与所述流量计2相连通，另一端固定于所述喷流模拟装置6之上并与气源连通管道7相连。从而经由所述空气桥3降低了高压供气管道对天平5的约束影响。
进一步地，所述的空气桥3包括两个横置的柔性节、一个竖置的柔性节、两个温度传感器、两个静压孔。
优选地，所述天平5固定于所述测量支撑架4之上。喷流模拟装置6设置于所述天平5之上，经由所述天平5完成喷流模拟装置6的推力矢量特性测量。
进一步地，所述的天平5为六分量天平5。可以获得喷流模拟装置的推力矢量性能。
优选地，所述喷流模拟装置6至少包括气源连通管道7、集气腔8、蜂窝器9、稳定收缩段10、测量段12、喷口段13和上表面吹气襟翼14。
优选地，所述集气腔8一端与所述气源连通管道7相连，另一端与所述蜂窝器9相连。稳定收缩段10一端与所述蜂窝器9相连，另一端与所述测量段12相连。所述测量段12的另一端与所述喷口段13相连。所述上表面吹气襟翼14设置于所述喷口段13的喷口处，且所述上表面吹气襟翼14与喷口段13的下表面平齐，用于喷流的偏转附着。
通过调节气源的压力，调节进气流量改变测量段12的总压进而改变喷流的压比，通过天平5测量得到不同发动机状态下的推力矢量偏转性能。同时，通过改变上表面吹气襟翼14的偏转角，能够通过天平5测量得到不同上表面吹气襟翼状态下的推力矢量偏转性能。
进一步地，所述喷口段13的喷口处还模拟机翼结构设置有推力矢量偏转控制装置。可对喷口进行修型，通过控制装置改变喷口的几何形状和喷管出口附近的内型面。
优选地，测量段12基于其内设置的测压耙完成总压测量，试验过程中，通过调节输入气源的流量使测量段12的总压条件满足试验条件。
进一步地，所述测量段12包括沿喷管展向均匀布置3个总压耙，每个总压耙上均匀布置6根总压管，总压管与来流平行布置，通过平均得到截面上的总压，作为喷流状态的压力控制反馈。
优选地，所述测量段12内还包括两个静压孔以及用于测量截面上的温度的总温传感器。
优选地，所述喷流模拟装置6还包括安装座11，所述集气腔8、蜂窝器9、测量段12和喷口段13经耳片固定于所述安装座11之上，并经所述安装座11固定于所述天平5之上。
本发明公开的上表面吹气技术动力模拟地面试验装置，可以用于开展基于柯恩达效应的推力矢量偏转试验，通过控制流量可以实时控制喷流模拟装置的状态，通过天平5可以得到不同状态推力矢量偏转角和偏转效率，通过更换上表面吹气襟翼14，可以用于不同状态的推力矢量控制优化选型。该套试验装置流量测量精度高、控制范围大，喷流流场稳定，该装置通过空气桥影响修正，扣除了供气管路的约束影响，测量精度高。
实施例2
参考图3至图6所示。在实施例1的基础上，喷口段13喷口处设置的推力矢量偏转控制装置可以按如下结构配置。
优选地，所述推力矢量偏转控制装置至少包括下偏襟翼101和侧偏襟翼102。
在控制所述喷口段13的喷口面积恒定的条件下，通过控制所述下偏襟翼101的下偏角θ1与所述侧偏襟翼102的展开偏转角，完成所述喷口段13喷口喷流的初始速度及喷流空间分布的调整。
本发明通过下偏襟翼101和侧偏襟翼102的组合控制对喷口修型，在保证喷口有效面积不变，不影响发动机工作状态的前提下，改变了喷口段13出口的几何尺寸，提高喷口段13出口的有效宽高比，降低了喷流的有效高度；改变了喷管内型面，增加了喷流在喷口平面内沿推力矢量偏转方向和展向扩张方向的流动速度，使得喷流在离开喷口之后，沿展向快速扩张，喷流有效高度进一步降低。当喷流到达襟翼前缘时，变得又宽又薄，降低了喷流附着偏转的难度，提高了推力矢量偏转角和偏转效率。
优选地，喷口段13，喷管的宽度为L，喷管高度为D，喷口处喷流的高度为D，喷流偏转所需的离心力较大。当上表面吹气襟翼14偏角较大时，喷流难以完全附着，因此可以通过对喷管100的喷口进行改型提升喷流附着能力。
优选地，所述下偏襟翼101设置于所述喷口段13的出口端的上表面，并与经第一转轴103与所述喷口段13相接。
优选地，所述第一转轴103位于喷口段13的出口内表面的上部，并与出口平面平行设置。
优选地，所述下偏襟翼101的长度为L1、下偏角为θ1、喷口高度方向的投影高度为h1，且满足关系式h1＝L1sinθ1。
即是，当下偏襟翼101的下偏角为θ1时，喷口实际高度为D-L1sinθ1。从而下偏襟翼101的型面对喷流导流，由于下偏襟翼101对喷流的压迫，使喷流在离开喷口平面时就具有推力矢量偏转方向的初速度，迫使喷流进一步向下偏转，相同的流向距离，喷流变得更薄、更宽。
优选地，所述侧偏襟翼102设置于所述喷口段13的出口端的侧面，并经第二转轴104与所述喷口段13相接。
优选地，所述第二转轴104位于所述喷口段13的出口平面，所述第二转轴104与喷口段13的侧边夹角β，0°≤β<90°。
优选地，当角β＝0°时，如图4所示。所述侧偏襟翼102绕竖直设置的第二转轴104进行转动，喷口段13变形后的喷口截面为矩形结构。
优选地，当0°<β<90°时，所述侧偏襟翼102绕倾斜设置的第二转轴104进行转动，喷口段13变形后的喷口截面为直角梯形结构。
进一步地，所述的侧偏襟翼的第二转轴104可以根据飞机的布局进行调整，可能是一个异形设计，原则是避免流动分离。
优选地，所述侧偏襟翼102的展开偏转角θ2，满足0°≤θ2<90°。
优选地，所述侧偏襟翼102为具有伸缩结构的翼面，以保证所述侧偏襟翼102在转动过程中，其上端面能与下偏襟翼101相接，其下端面能始终与喷管喷扣处底面相接。
优选地，当侧偏襟翼103的展开偏角为θ2时，喷口有效宽度增加，同时侧偏襟翼型面有一个扩张角，促进喷流的展向扩张，相同的流向距离，喷流的展向宽度增加，喷流的有效厚度变薄。
优选地，所述上表面吹气襟翼14设置于所述喷口段13的出口端下表面之上。具体地，在喷口段13喷口下侧布置上表面吹气襟翼14，当喷流流经弯曲的表面时，在柯恩达效应作用下，喷流发生偏转并附着在柯恩达襟翼的上表面，由于喷流的速度比较高，上表面吹气襟翼14上表面负压增加，产生法向上的力，相当于推力矢量偏转的效果。同时高速喷流的卷吸、加速作用和位移效应，对上表面绕流加速，环量增加。
综上，当发动机喷流从喷口段13中喷出，当上表面吹气襟翼14偏角较小，喷流在柯恩达效应作用下发生偏转并附着在襟翼上表面，产生推力矢量的控制效果。当上表面吹气襟翼14偏角较大，喷流流动本身提供的压力梯度无法满足其附着流动所需的离心力，喷流就会从柯恩达表面分离，无法附着。
而本推力矢量偏转控制装置，在喷口内侧上表面增加下偏襟翼101，在喷口内侧侧面增加侧偏襟翼102,通过下偏襟翼101和侧偏襟翼102对喷管出口几何形状和内型面进行修型，改变喷流的初始流动速度和空间分布。下偏襟翼101偏转，在喷口上侧形成偏转绕流，喷流到达上表面吹气襟翼14之前就已经预偏了一定的角度，降低喷流有效高度；侧偏襟翼102偏转，促进喷流展向扩张，增加喷流作用面积。通过下偏襟翼101和侧偏襟翼102的组合控制，在保持基本喷口面积不变的前提下，降低喷流偏转的难度，显著增大了推力矢量偏转角和偏转效率。
前述本发明基本例及其各进一步选择例可以自由组合以形成多个实施例，均为本发明可采用并要求保护的实施例。本发明方案中，各选择例，与其他任何基本例和选择例都可以进行任意组合。本领域技术人员可知有众多组合。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种上表面吹气动力模拟地面试验装置，其特征在于，所述试验装置至少包括天平(5)和喷流模拟装置(6)，所述喷流模拟装置(6)设置于所述天平(5)之上，经由所述天平(5)完成喷流模拟装置(6)的推力矢量特性测量；
所述喷流模拟装置(6)至少包括气源连通管道(7)、集气腔(8)、蜂窝器(9)、稳定收缩段(10)、测量段(12)、喷口段(13)和上表面吹气襟翼(14)，
所述集气腔(8)一端与所述气源连通管道(7)相连，另一端与所述蜂窝器(9)相连；所述稳定收缩段(10)一端与所述蜂窝器(9)相连，另一端与所述测量段(12)相连；所述测量段(12)的另一端与所述喷口段(13)相连，
所述上表面吹气襟翼(14)设置于所述喷口段(13)的喷口处，且所述上表面吹气襟翼(14)与喷口段(13)的下表面平齐，用于喷流的偏转附着。
2.如权利要求1所述的上表面吹气动力模拟地面试验装置，其特征在于，所述喷口段(13)的喷口处还设置有推力矢量偏转控制装置；
所述推力矢量偏转控制装置至少包括下偏襟翼(101)和侧偏襟翼(102)。
3.如权利要求2所述的上表面吹气动力模拟地面试验装置，其特征在于，所述测量段(12)基于其内设置的测压耙完成总压测量，
试验过程中，通过调节输入气源的流量使测量段(12)的总压条件满足试验条件。
4.如权利要求3所述的上表面吹气动力模拟地面试验装置，其特征在于，所述测量段(12)包括沿喷管展向均匀布置3个总压耙，每个总压耙上均匀布置6根总压管，总压管与来流平行布置，通过平均得到截面上的总压，作为喷流状态的压力控制反馈。
5.如权利要求4所述的上表面吹气动力模拟地面试验装置，其特征在于，所述测量段(12)内还包括两个静压孔以及用于测量截面上的温度的总温传感器。
6.如权利要求3所述的上表面吹气动力模拟地面试验装置，其特征在于，所述喷流模拟装置(6)还包括安装座(11)，
所述集气腔(8)、蜂窝器(9)、测量段(12)和喷口段(13)经耳片固定于所述安装座(11)之上，并经所述安装座(11)固定于所述天平(5)之上。
7.如权利要求1所述的上表面吹气动力模拟地面试验装置，其特征在于，所述试验装置还包括气源接口(1)、流量计(2)、空气桥(3)和测量支撑架(4)，
其中，所述流量计(2)位于所述气源接口(1)的下游侧，
所述空气桥(3)一端固定于测量支撑架(4)之上并与所述流量计(2)相连通，另一端固定于所述喷流模拟装置(6)之上并与所述气源连通管道(7)相连；
且所述天平(5)固定于所述测量支撑架(4)之上。
8.如权利要求7所述的上表面吹气动力模拟地面试验装置，其特征在于，所述流量计(2)为文丘里流量计。
9.如权利要求7所述的上表面吹气动力模拟地面试验装置，其特征在于，所述的空气桥(3)包括两个横置的柔性节、一个竖置的柔性节、两个温度传感器、两个静压孔。
10.如权利要求1所述的上表面吹气动力模拟地面试验装置，其特征在于，所述的天平(5)为六分量天平。
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