CN112556978B - 一种风洞试验气流场旋转测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种风洞试验气流场旋转测量装置，包括旋转管道、测压耙、探针耙、角度位置检测反馈系统和驱动机构，所述旋转管道的两端分别连接进气口固定端和出气口固定端，所述角度位置检测反馈系统设置在旋转管道与出气口固定端之间，所述驱动机构设置在旋转管道与进气口固定端之间，沿着旋转管道的壁面设置有若干个测压耙和探针耙，所述测压耙和探针耙的测量端沿着旋转管道的径向伸入到旋转管道内。本发明的使用能大幅提高试验精度，进一步测得进排气管道内的流场真实数据，同时提高试验效率、大大降低了模型岗位人员的劳动强度，还能减少人为失误、降低能耗。

Description

一种风洞试验气流场旋转测量装置

技术领域

本发明涉及风洞试验领域，具体涉及到一种风洞试验气流场旋转测量装置。

背景技术

通过测压耙和多孔探针对风洞试验的气流场进行测量，是风洞试验中的基本手段和基本方法。以往风洞中的进排气试验，飞机进气道模型中的测压耙或探针耙是按照一定的测量点分布规律固定的，虽然这种方式，获得了测量处流场的较多试验数据，但上述方式还是有许多不足，一是不能全面了解进气道中各方向上的流场情况，尤其是在试验极限姿态边界时，进气道内部流场呈现非定常的情况下；二是一次试验获得的试验数据不能充分反应进气道流场信息，精度不够，试验效率低。如能在试验过程中适时自动调整旋转测压耙和探针耙，则不仅可以大幅提高试验精度，测得流场真实数据，同时提高试验效率、降低劳动强度，还能减少人为失误、降低能耗。

进气道试验主要目的是获得进气道出口截面的气动特性参数，例如流量系数、总压恢复系数、周向畸变以及动态畸变等参数。这些参数主要由进气道出口截面处的稳态总压测点以及动态总压测点测量数据计算得到。压力测点的数量直接关系到进气道出口截面气动特性参数的精确性。总压测点过少，通过较少离散点的总压数据来反映整个测量截面的总压分布会产生较大的试验系统误差，尤其是在测量截面存在气流分离区域或者存在旋流情况下，将会产生较大的测量误差。通过增加总压测点的方法，可以提高进气道出口截面气动特性的测量精度。进气道内的总压测量一般通过流场侵入式测量方法，测点布置在进气道出口后方测量段内的测压耙上。测量段内一般布置多个测压耙，每个测压耙上布置多个稳态压力测点和一个动态压力测点。通过增加测压耙数目来增加测点数以提高测量精度，但测压耙数量的增加会导致测量段内阻塞度的增加，过大的阻塞度会影响待测点的流场，从而影响测量的准确度。因此不能无限制的通过增加测压耙数量的方法来提高进气道试验的测量精度。本专利提出一种通过旋转测压耙的方法测量进气道气动特性，在不增加测量段内堵塞度条件下，可以提高进气道气动特性测量的精确性，提升进气道试验的质量效率。

发明内容

本发明的目的是在已有的技术基础上，结合风洞试验的实际需求，设计一种全新的气流场旋转测量装置，实现适时自动连续地调整测压耙和探针耙角度位置。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种风洞试验气流场旋转测量装置，包括：旋转管道、测压耙、探针耙、角度位置检测反馈系统和驱动机构，所述旋转管道的一端连接进气口固定端，旋转管道的另一端连接出气口固定端，所述旋转管道相对于进气口固定端和出气口固定端同轴转动，所述角度位置检测反馈系统设置在旋转管道与出气口固定端之间，所述驱动机构设置在旋转管道与进气口固定端之间，沿着旋转管道的壁面设置有若干个测压耙和探针耙，所述测压耙和探针耙的测量端沿着旋转管道的径向伸入到旋转管道内。

在上述技术方案中，所述测压耙的测量端沿着周向等角度分布在旋转管道内的测量截面位置处，所述探针耙的测量端沿着周向等角度分布在旋转管道内的测量截面位置处。

在上述技术方案中，所有探针耙周向等角度分布在旋转管道内的同一圆周面上，所有测压耙等角度分布在旋转管道内的同一圆周面上，所述探针耙所在圆周面与所述测压耙所在圆周面不是同一个圆周面。

在上述技术方案中，所述测压耙和所述探针耙不在旋转管道同一纵剖面上，相互交错分布在旋转管道的壁面上。

在上述技术方案中，所述测压耙包括与旋转管道固定连接的测压耙体，与测压耙体固定连接的测压耙盖，设置在测压耙盖内的压力测量管和温度测量管，所述测压耙盖沿着旋转管道的径向设置，所述压力测量管和温度测量管沿着测压耙盖方向并列设置、且沿着旋转管道的轴向伸出；所述探针耙包括与旋转管道固定连接的探针耙体，与探针耙体固定连接的探针耙盖，设置在探针耙盖内的多孔探针，所述多孔探针耙盖沿着旋转管道径向设置，所述多孔探针沿着探针耙盖方向并列设置、且沿着旋转管道的轴向伸出。

在上述技术方案中，在靠近旋转管道壁面的两根压力测量管之间设置一根温度测量管，所述温度测量管分布在旋转管道内径的90%处。

在上述技术方案中，沿着旋转管道的径向：

所述压力测量管上分布有不少于五个压力测量点，所有的压力测量管上相同位置且相邻的两个压力测量点之间构成一个环面，由相邻两个压力测量点构成的所有环面的面积分别相等；

所述多孔探针上分布有不少于五个探针测量点，所有的多孔探针上相同位置且相邻的两个探针测量点之间构成一个环面，由相邻两个探针测量点构成的所有环面的面积分别相等。

在上述技术方案中，所述进气口固定端和出气口固定端分别与旋转管道连接的端面之间设置有密封结构。

在上述技术方案中，所述旋转管道两端的端面上沿着周向分别设置有环形的凹槽，与环形凹槽对应的进气口固定端和出气口固定端的端面上分别设置有凸齿，所述凸齿插入到凹槽内，凹槽与凸齿之间填充有润滑脂，凸齿与凹槽相互不接触、且凹槽沿着凸齿的周向相互滑动。

在上述技术方案中，所述驱动机构包括设置在旋转管道上的蜗轮、设置在进气口固定端上的电机、蜗杆支座和蜗杆；

所述角度位置检测反馈系统包括在旋转管道上周向设置的磁栅尺尺带，和设置在出气口固定端上的磁栅尺读数模块。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

本发明的结构在国内大型低速风洞试验中属于首次提出，本发明的使用能大幅提高试验精度，进一步测得进排气管道内的流场真实数据，同时提高试验效率、大大降低了模型岗位人员的劳动强度，还能减少人为失误、降低能耗。

本发明结构简单，体积小，相比与现有的各种装置具有凸出的使用效果，因此本方案是具有可实施性。

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是本发明的结构意图；

图2是图1的左视示意图；

图3是本发明的测压耙示意图；

图4是本发明的探针耙示意图；

图5是气体密封环槽结构示意图；

其中：1是旋转管道，2是出气口固定端，3是进气口固定端，4是驱动机构，5是角度位置检测反馈系统，6是测压耙，6-1是测压耙体，6-2是测压耙盖，6-3是压力测量管，6-4是温度测量管，7是探针耙，7-1是探针耙体，7-2 多孔探针，7-3是探针耙盖，8是支撑台，9是凸齿，10是凹槽，11是固定端。

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。

本说明书（包括任何附加权利要求、摘要和附图）中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

如图1 所示，本实施例的结构包括有旋转管道1、出气口固定端2、进气口固定端3、驱动机构4、角度位置检测反馈系统5、测压耙6和探针耙7，旋转管道1、进气口固定端3、出气口固定端2均是飞机试验模型进排气管道上所需测量流场的一段直管道，内部型面与模型进排气相应截段一致，进气口固定端3和出气口固定端2在整个试验过程中是固定不动的，用于支撑旋转管道1。

如图5所示，固定端11可以是进气口固定端3、也可以是出气口固定端2，进气口固定端3和出气口固定端2分别与旋转管道1连接的结构一样，进气口固定端3和出气口固定端2的连接端面上从内至外包括有一个凸出的环形支撑台8、若干个环形的凸齿9，在旋转管道1的端面上设置有若干个环形的凹槽10，凸齿9与凹槽10相互啮合后，由支撑台8支撑住旋转管道1。

在本实施例中，支撑台8、凸齿9、凹槽10在相互连接后均是同轴圆环结构，凹槽10沿着凸齿9的圆周方向进行圆周旋转，为了进行有效的密封，在凸齿9与凹槽10之间填充有粘性较高的润滑油脂，在相互转动过程中，凸齿9与凹槽10之间相互不接触。

如图3所示，测压耙6包括有测压耙体6-1、测压耙盖6-2、压力测量管6-3、温度测量管6-4和温度传感器。在本实施例中，测压耙体6-1用于与旋转管道1固定连接，连接的结构如图1上所示。测压耙盖6-2的一端与测压耙体6-1固定连接后，测压耙体6-1的另一端沿着旋转管道1的径向向旋转管道1内伸入，其连接结构如图2所示。沿着测压耙盖6-2的伸入方向排布有一个温度测量管6-4和若干压力测量管6-3，在靠近旋转管道壁面的两根压力测量管6-3之间设置一根温度测量管6-4。沿着旋转管道1内的径向空间，所述温度测量管6-4设置在靠近旋转管道1内壁面的90%处。

在压力测量管6-3上沿着旋转管道1的径向分布至少五个压力测量点，以相邻两个压力测量点之间的距离为半径，所有压力测量管6-3上的相同位置的两个压力测量点之间的半径构成一个环面，所有环面的面积相等。例如：压力测量管上有五个压力测量点，第一、第二压力测量点之间的距离构成的环面与第二、第三压力测量点之间的距离构成的环面相等，依次类推，所有环面的面积均相等。

如图4所示，探针耙7包括探针耙体7-1、探针耙盖7-3和多孔探针7-2，所述探针耙体7-1用于与旋转管道1固定连接，连接的结构如图1上所示。探针耙盖7-3的一端与探针耙体7-1固定连接，探针耙盖7-3的另一端沿着径向伸入到旋转管道1内，多孔探针7-2沿着探针耙盖7-3的伸入方向排列，并沿着旋转管道1的轴向伸出。

在本实施例中，与压力测量管6-3采用相同的排布方式，每根多孔探针7-2上沿着旋转管道1的径向分布至少五个探针测量点，以相邻两个探针测量点之间的距离为半径，所有多孔探针7-2上的相同位置的两个探针测量点之间的半径构成一个环面，所有环面的面积相等。

在本实施例中，测压耙6和探针耙7分别设置有若干个，所有的测压耙6均设置在旋转管道1的同一圆周面上，所有的探针耙7均设置在旋转管道1的同一圆周面上。

在本实施例中，所有的测压耙6等圆周角度均匀分布，比如四个测压耙6间隔90°进行分布，六个测压耙6间隔60°进行分布，八个测压耙6间隔45°进行分布。

在本实施例中，所有的探针耙7等圆周角度均匀分布，比如六个探针耙7间隔60°进行分布，八个探针耙7间隔45°进行分布。

在本实施例中测压耙6所在的圆周面与探针耙7所在的圆周面不是同一个圆周面，且在进行布置两者时，沿着旋转管道1的轴向一个测压耙6一个探针耙7间隔设置，使得测压耙6和探针耙7不在旋转管道同一纵剖面上。具体的实施结构图如图1和图2所示。

本实施例中测压耙原理和方法是：通过测压耙上的压力管测量旋转管道内测量截面上的总压分布，从而获得测量截面的总压恢复系数以及畸变系数等进气道气动特性，通过测压耙上的脉动压力管测量脉动压力，从而获得进气道的动态畸变特性。

本实施例中探针耙原理和方法是：通过多孔探针获得探针每个孔的压力，再通过探针标定的计算公式获得单个探针处的流场速度以及流场方向，从而得到测量截面的流场速度以及流场方向。

本实施例中的驱动机构4由蜗轮、蜗杆、蜗杆支座、弹性联轴节、电机、电机支座等组成；蜗轮固定在旋转管道1上，蜗杆通过蜗杆支座固定在在进气口固定端3上，电机通过电机支座固定在进气口固定端3上。驱动机构4的动力输出端通过弹性联轴节连接蜗杆，控制电机驱动蜗杆、蜗轮旋转，从而带动进旋转管道1进行所需角度和转速的旋转；旋转管道1的旋转角度和转速由控制电机的程序控制。

本实施例中的角度位置检测反馈系统5由磁栅尺尺带、磁栅尺读数头、磁栅尺读数头支架、计数模块等组成，磁栅尺尺带固定在旋转管道1的周向上，磁栅尺读数头通过磁栅尺读数头支架固定在出气口固定端上。当机构转动到位时，通过计数器模块测得磁栅尺读数信号，最后精确计算机构转动的实际角度，角度测试精度可达到0.5＇。

本实施例还需要测控系统进行控制，由上位控制计算机、控制器、驱动器及伺服电机构成。当机构需要转动时，由上位机发出位置指令，通过位置控制器和驱动器并以电机轴端编码器作为反馈对机构进行精准定位控制，控制精度达到3＇以内，测控系统采集速度和角度位移传感器的位置信号，通过对比测控系统中预设值来控制驱动机构中电机的动力输出，使得整个装置可以在测控系统下实现角度的自动调整。

本实施例通过测量段内的总压测点得到测量截面的总压分布、通过探针获得测量截面的流速和方向、通过测量段内的脉动压力测点获得测量截面的湍流度，从而获得测量截面的气动特性。通过电机电动控制测量段旋转，在测压耙和测量探针数量不变的情况下，可以增加测点数量，从而获得更多数据量，使测量结果更加精确可靠。

具体试验流程如下：

步骤1：把脉动压力传感器以及探针安装在测量段内，并检查脉动压力传感器以及探针是否能够正常工作；

步骤2：把总压测点以及探针与压力扫描阀连接，并检查气密性以及压力扫描阀能否正常工作；

步骤3：把测量段安装到模型上，并把模型安装到风洞中；

步骤4：标定模型的迎角与侧滑角，通过姿态角控制机构调整试验所需角度；

步骤5：通过风洞速压控制系统调整所需风速，通过流量控制系统调整测量截面所需通过的流量；

步骤6：等风速以及流量稳定后采集压力扫描阀数据以及脉动压力传感器数据；

步骤7：通过电机控制测量段转动一定角度，再一次采集压力扫描阀数据以及脉动压力传感器数据（本步骤可以根据所需测点密度，进行多次测量段旋转后采集数据）；

步骤8：对采集数据继续计算分析，得到测量截面的气动特性参数；

步骤9：重复步骤4～步骤8，得到不同姿态角、不同风速以及不同流量下测量截面的气动特性参数，直到完成所有试验内容。

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 (9)

1.一种风洞试验气流场旋转测量装置，其特征在于包括：旋转管道、测压耙、探针耙、角度位置检测反馈系统和驱动机构，所述旋转管道的一端连接进气口固定端，旋转管道的另一端连接出气口固定端，所述旋转管道相对于进气口固定端和出气口固定端同轴转动，所述角度位置检测反馈系统设置在旋转管道与出气口固定端之间，所述驱动机构设置在旋转管道与进气口固定端之间，沿着旋转管道的壁面设置有若干个测压耙和探针耙，所述测压耙和探针耙的测量端沿着旋转管道的径向伸入到旋转管道内；

所述测压耙包括与旋转管道固定连接的测压耙体，与测压耙体固定连接的测压耙盖，设置在测压耙盖内的压力测量管和温度测量管，所述测压耙盖沿着旋转管道的径向设置，所述压力测量管和温度测量管沿着测压耙盖方向并列设置、且沿着旋转管道的轴向伸出；所述探针耙包括与旋转管道固定连接的探针耙体，与探针耙体固定连接的探针耙盖，设置在探针耙盖内的多孔探针，所述多孔探针耙盖沿着旋转管道径向设置，所述多孔探针沿着探针耙盖方向并列设置、且沿着旋转管道的轴向伸出。

2.根据权利要求1所述的一种风洞试验气流场旋转测量装置，其特征在于：所述测压耙的测量端沿着周向等角度分布在旋转管道内的测量截面位置处，所述探针耙的测量端沿着周向等角度分布在旋转管道内的测量截面位置处。

3.根据权利要求2所述的一种风洞试验气流场旋转测量装置，其特征在于：所有探针耙周向等角度分布在旋转管道内的同一圆周面上，所有测压耙等角度分布在旋转管道内的同一圆周面上，所述探针耙所在圆周面与所述测压耙所在圆周面不是同一个圆周面。

4.根据权利要求3所述的一种风洞试验气流场旋转测量装置，其特征在于：所述测压耙和所述探针耙不在旋转管道同一纵剖面上，相互交错分布在旋转管道的壁面上。

5.根据权利要求4所述的一种风洞试验气流场旋转测量装置，其特征在于：在靠近旋转管道壁面的两根压力测量管之间设置一根温度测量管，所述温度测量管分布在旋转管道内径的90%处。

6.根据权利要求4所述的一种风洞试验气流场旋转测量装置，其特征在于沿着旋转管道的径向：

所述压力测量管上分布有不少于五个压力测量点，所有的压力测量管上相同位置且相邻的两个压力测量点之间构成一个环面，由相邻两个压力测量点构成的所有环面的面积分别相等；

所述多孔探针上分布有不少于五个探针测量点，所有的多孔探针上相同位置且相邻的两个探针测量点之间构成一个环面，由相邻两个探针测量点构成的所有环面的面积分别相等。

7.根据权利要求1所述的一种风洞试验气流场旋转测量装置，其特征在于：所述进气口固定端和出气口固定端分别与旋转管道连接的端面之间设置有密封结构。

8.根据权利要求7所述的一种风洞试验气流场旋转测量装置，其特征在于：所述旋转管道两端的端面上沿着周向分别设置有环形的凹槽，与环形凹槽对应的进气口固定端和出气口固定端的端面上分别设置有凸齿，所述凸齿插入到凹槽内，凹槽与凸齿之间填充有润滑脂，凸齿与凹槽相互不接触、且凹槽沿着凸齿的周向相互滑动。

9.根据权利要求1所述的一种风洞试验气流场旋转测量装置，其特征在于：所述驱动机构包括设置在旋转管道上的蜗轮、设置在进气口固定端上的电机、蜗杆支座和蜗杆；

所述角度位置检测反馈系统包括在旋转管道上周向设置的磁栅尺尺带，和设置在出气口固定端上的磁栅尺读数模块。

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