CN112985746B - 可前后移动并可调宽度的开口射流风洞收集器及试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种可前后移动并可调宽度的开口射流风洞收集器及试验方法，所述收集器整体可前后移动并且所述收集器宽度可调。本发明设计的可前后移动并可调宽度的开口射流风洞收集器，避免了在试验所需风速下边缘音反馈频率与宽度方向的压力驻波频率一致，不会造成强烈的结构共振，抑制了整个驻室内的远场低频压力脉动，并满足了先进飞行器或高速列车等对开口射流风洞高试验风速的需求。

Description

可前后移动并可调宽度的开口射流风洞收集器及试验方法

技术领域

本发明涉及风洞实验领域，具体而言，涉及一种可前后移动并可调宽度的开口射流风洞收集器及试验方法。

背景技术

风洞是具有一定轮廓的管道，用人工的方法产生可控气流并通过试验段通道。风洞试验是把飞行物体或其模型放置在风洞试验段人造流场中，观察其流动状态，测量其相关物理量。在开口射流风洞试验段下游，设置收集器。试验时气流从喷口流出，经过射流试验段，进入收集器。收集器的作用是汇集射流气体进入第一扩散段。

低频压力振荡现象是开口射流风洞普遍存在的现象。其典型表现是在特定的试验风速下，风洞射流及驻室内存在着较强的、近似单频特征的低频压力脉动。低频压力脉动破坏流场品质和声场品质，严重影响空气动力学测量和气动声学测量的精准度。为了在开口射流风洞中开展高质量的空气动力学和气动噪声试验研究，控制射流风洞的低频振荡并得到相对稳定的流场和声场测试环境就显得尤为重要。此外，低频压力脉动引起的流场和洞体结构振荡以及涡-声间的相互作用也会造成能量损失。因此消弱或抑制低频压力脉动，对节约能源、提高开口射流风洞能量利用效率也具有积极意义。低频压力振荡现象也普遍存在于3/4开口的汽车风洞中，是风洞设计和建设阶段就需着重解决的难点之一。

另一方面，随着先进航空器、高速列车等的快速发展，迫切需要提升开口射流风洞试验风速。而许多开口射流风洞由于低频压力振荡现象导致无法提高试验风速，比如德国-荷兰风洞机构（DNW）的8m×6m风洞在高风速时低频压力脉动现象直接危及驻室结构安全，因此将其最高风速限制在80m/s以下。

一般认为，开口射流风洞的低频压力振荡来自其剪切层内相干涡结构与射流收集器的相互作用产生的反馈振荡（称为边缘音（edgetone）反馈振荡或射流-收集器反馈振荡）。当边缘音反馈频率接近于风洞结构存在的某一固有频率时，这两者就会产生共振，从而将边缘音反馈振荡放大到一个极高的水平，造成巨大的流体噪音，使整个驻室内低频压力脉动现象严重。其中，边缘音反馈与驻室宽度方向的平面压力驻波发生共振是比较常见的一种共振激励机制。

当边缘音反馈与驻室宽度方向的平面压力驻波发生共振时，风洞试验

风速可由下式表示：

其中，U为试验风速；L为驻室宽度；L _j 为射流长度，即开口试验段长度；c为声速；m、n为模数。

可见，当驻室宽度L一定，发生共振时试验风速U与射流长度L _j 是一一对应的。所以，一旦在所需的试验风速发生边缘音反馈与驻室宽度方向的平面压力驻波共振，可通过减小或增加射流长度L _j 将共振移至其它风速，达到消除所需试验风速条件下的低频压力振荡的目的。

国内外低频压力振荡控制措施主要包括喷口的涡流发生器、收集器下游开孔、倾斜侧壁的驻室以及可调宽度的驻室：

（1）喷口安装涡流发生器通常会减小试验段有效的核心测试区域，而且带来高频的背景噪声，这对声学测量具有巨大影响；

（2）收集器下游开孔或者开通气间隙需要破坏风洞回路原有建筑结构，而且需要耗时的模型风洞实验进行反复迭代设计；

（3）倾斜侧壁的驻室虽然可以有效降低驻室及试验段的低频压力振荡，但因为其结构固定不变，驻室宽度无法改变，所以只能降低现有试验风速范围内的低频压力振荡，无法降低更高试验风速或者更低试验风速条件下的低频压力振荡；

（4）可调宽度的驻室虽然可以针对性地降低所需试验风速的低频压力振荡，但必须通过移动驻室一面侧墙或者两面侧墙来完成。而大型风洞的驻室是一个建筑物，其侧墙的面积一般高达几百平方米，重量高达上百吨，所以，移动侧墙是一件工程量巨大的工作，需要安全、高效、便捷的机械方案来实现，而同时要满足这3个机械条件是一件非常苛刻且造价成本很高的任务。尤其是对于现有的尺寸较大的风洞来说，将固定侧墙改造为移动侧墙更是需要时间和资金成本。所以，很多现有大型风洞在进行声学改造时放弃了这一方案。

发明内容

本发明旨在提供一种可前后移动并可调宽度的开口射流风洞收集器及试验方法，以解决现有低频压力振荡控制措施存在的问题。

本发明提供的一种可前后移动并可调宽度的开口射流风洞收集器，所述收集器整体可前后移动并且所述收集器宽度可调。

进一步的，所述收集器宽度可调是指收集器的出口宽度、出口高度和入口高度不变，入口宽度可调。

进一步的，所述收集器的入口宽度可调是指收集器的两个侧壁能够绕对应的出口边转动。

进一步的，实现所述收集器的两个侧壁能够绕对应的出口边转动的装置为分别设置在两个侧壁的电机驱动调节装置；所述电机驱动调节装置包括安装在两个侧壁对应的出口边的转动轴，安装在两个侧壁对应的入口边外侧电机和蜗轮蜗杆机构；所述电机用于驱动蜗轮蜗杆机构使得两个侧壁绕对应的出口边的转动轴转动。

进一步的，实现所述收集器整体可前后移动的装置为滑轨装置；所述滑轨装置包括设置在驻室地板和收集器底座之间的两条气浮导轨，以及设置在收集器底座与气浮导轨之间的滑块基座；所述两条气浮导轨固定在驻室地板上，所述滑块基座固定在收集器底座下。

本发明提供的一种开口射流风洞试验方法，所述开口射流风洞试验方法为：设置收集器为上述的可前后移动并可调宽度的开口射流风洞收集器，并在进行风洞试验时调整所述收集器的前后位置和宽度。

进一步的，调整所述收集器的宽度时，需要保持两个侧壁对称。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

本发明设计的可前后移动并可调宽度的开口射流风洞收集器，避免了在试验所需风速下边缘音反馈频率与宽度方向的压力驻波频率一致，不会造成强烈的结构共振，抑制了整个驻室内的远场低频压力脉动，并满足了先进飞行器或高速列车等对开口射流风洞高试验风速的需求。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为风洞驻室俯视图。

图2为本发明实施例的可前后移动并可调宽度的开口射流风洞收集器的外形三面图（图中上左：侧视图；上右：前视图；下左：俯视图；虚线为宽度方向中心对称线）。

图3为本发明实施例的可前后移动并可调宽度的开口射流风洞收集器的前视图。

图4为原收集器和本发明实施例的可前后移动并可调宽度的开口射流风洞收集器的远场脉动压力时域信号波形图。

图5为原收集器和本发明实施例的可前后移动并可调宽度的开口射流风洞收集器的远场脉动压力频域信号波形图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，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。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的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做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。

实施例

现有的开口射流风洞驻室如图1所示，所述驻室包括喷口、射流试验段和收集器，开口射流风洞试验时气流从喷口流出，经过射流试验段，进入收集器。本实施例坐标轴定义：原点位于喷口的几何中点；X向为长度方向，指向收集器（顺气流）为正方向；Y向为高度方向，向上为正方向；Z向为宽度方向，与X、Y符合右手法则。现有的收集器为固定结构，即前后位置（X方向）固定不变，宽度（Y方向）和高度（Z方向）也是固定不变的。

如图2所示，本实施例提出一种可前后移动并可调宽度的开口射流风洞收集器，所述收集器整体可前后移动并且所述收集器宽度可调。具体地：

（1）所述收集器整体可前后移动，即收集器整体沿如图1所示的X方向可移动。实现收集器可前后移动的方式有多种，本实施例中实现所述收集器整体可前后移动的装置为滑轨装置；所述滑轨装置包括设置在驻室地板和收集器底座之间的两条气浮导轨，以及设置在收集器底座与气浮导轨之间的滑块基座；所述两条气浮导轨固定在驻室地板上，所述滑块基座固定在收集器底座下，从而使得所述收集器能够通过滑块基座沿气浮导轨实现无摩擦和无振动的前后平滑移动。

（2）所述收集器宽度可调是指收集器的出口宽度Do、出口高度和入口高度不变，入口宽度Di可调。其中，所述收集器的入口宽度可调是指收集器的两个侧壁能够绕对应的出口边转动，即出口边固定不动并作为两个侧壁的转轴，两个侧壁调节范围为如图3所示的两条虚线之间的范围。实现收集器的两个侧壁能够绕对应的出口边转动的方式有多种，本实施例中实现所述收集器的两个侧壁能够绕对应的出口边转动的装置为分别设置在两个侧壁的电机驱动调节装置；所述电机驱动调节装置包括安装在两个侧壁对应的出口边的转动轴，安装在两个侧壁对应的入口边外侧电机和蜗轮蜗杆机构；所述电机用于驱动蜗轮蜗杆机构使得两个侧壁绕对应的出口边的转动轴转动，即进行侧壁向内推进或向外拉出达到减小收集器入口宽度或增加入口宽度的目的。

基于上述的可前后移动并可调宽度的开口射流风洞收集器，可以实现一种开口射流风洞试验方法，所述开口射流风洞试验方法为：设置收集器为上述的可前后移动并可调宽度的开口射流风洞收集器，并在进行风洞试验时调整所述收集器的前后位置和宽度。在开口射流风洞试验中，对应地提供以下方式来调整：

调整收集器前后位置的方法为移动所述可前后移动并可调宽度收集器的前后位置，即在一定范围内移动收集器X方向的位置，达到改变收集器前后位置的目的；

调整收集器宽度的方法为转动所述可前后移动并可调宽度收集器的宽度方向的两个侧壁，即在一定范围内绕收集器出口边转动Y方向的两个侧壁，达到改变收集器宽度的目的。其中，调整所述收集器的宽度时，需要保持两个侧壁对称。

对本实施例的可前后移动并可调宽度的开口射流风洞收集器及开口射流风洞试验方法的实现原理进行分析：根据前述可知，开口射流风洞的低频压力振荡来自其剪切层内相干涡结构与射流收集器的相互作用产生的反馈振荡（称为边缘音（edgetone）反馈振荡或射流-收集器反馈振荡）。当边缘音反馈频率接近于风洞结构存在的某一固有频率时，这两者就会产生共振，从而将边缘音反馈振荡放大到一个极高的水平，造成巨大的流体噪音，使整个驻室内低频压力振荡现象严重。其中，边缘音反馈与驻室宽度方向的平面压力驻波发生共振是比较常见的一种共振激励机制。当边缘音反馈与驻室宽度方向的平面压力驻波发生共振时，风洞试验风速可由下式表示：

其中，U为试验风速；L为驻室宽度；L _j 为射流长度，即开口试验段长度；c为声速；m、n为模数。

可见，当驻室宽度L一定，发生共振时试验风速U与射流长度L _j 是一一对应的。所以，一旦在所需的试验风速发生边缘音反馈与驻室宽度方向的平面压力驻波共振，可通过减小或增加射流长度L _j 将共振移至其它风速，达到消除所需试验风速条件下的低频压力振荡的目的。

比如：进行高速列车试验时所需的风速是60m/s，但试验时发现该风速下振荡比较严重，无法开展试验。而78.5m/s以上是进行列车试验时完全不会涉及到的风速。通过上述公式计算出当驻室宽度L不变、U=78.5m/s时，L _j =0.85m。如图1所示，由射流特性可知，射流长度L _j 不同，收集器入口处的射流剪切层厚度不同，即整个射流厚度D _j 不同，L _j 越大，D _j 越大。为了降低压力振荡，收集器入口必须包住整个射流，即收集器入口宽度大于射流厚度，D _i ≥D _j 。通过试验测量出L _j =0.85m时收集器入口处的射流厚度D _j =0.45m。所以，可将收集器入口宽度通过电机驱动调节装置增大到0.45m以上，并将收集器向X正方向移动至射流长度L _j =0.85m，以消除风速60m/s时的低频压力振荡，保证高速列车试验正常高质量地进行。当然，也可将射流长度缩小、收集器入口宽度减小的办法降低低频压力振荡。

发明人对可前后移动并可调宽度的开口射流风洞收集器进行了大量试验、数值模拟和系统的理论分析，验证了其对开口射流风洞远场低频压力脉动的抑制效果。图4～图5分别给出了试验风速60m/s时采用不同收集器同一测量位置点的脉动压力时域信号和频域信号；图4中横轴表示时域信号，纵轴表示脉动压力；图5中横轴表示频域信号，纵轴表示脉动压力。图中，实线表示原有固定收集器的脉动压力测量结果，虚线表示采用本发明提出的可前后移动并可调宽度的收集器向X正方向移动至射流长度L _j =0.85m、同时将收集器入口宽度增大到0.45m以上的脉动压力结果。结果表明：与原收集器相比，可前后移动并可调宽度的开口射流风洞收集器使试验风速60m/s条件下的脉动压力大幅减弱，降幅达57%，抑制效果明显。

由此可见，本发明设计的可前后移动并可调宽度的开口射流风洞收集器，避免了在试验所需风速下边缘音反馈频率与宽度方向的压力驻波频率一致，不会造成强烈的结构共振，抑制了整个驻室内的远场低频压力脉动，并满足了先进飞行器或高速列车等对开口射流风洞高试验风速的需求。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种可前后移动并可调宽度的开口射流风洞收集器，其特征在于，所述收集器整体可前后移动并且所述收集器宽度可调，避免在试验所需风速下边缘音反馈频率与宽度方向的压力驻波频率一致，不会造成强烈的结构共振，从而抑制整个驻室内的远场低频压力脉动；所述收集器宽度可调是指收集器的出口宽度、出口高度和入口高度不变，入口宽度可调。

2.根据权利要求1所述的可前后移动并可调宽度的开口射流风洞收集器，其特征在于，所述收集器的入口宽度可调是指收集器的两个侧壁能够绕对应的出口边转动。

3.根据权利要求2所述的可前后移动并可调宽度的开口射流风洞收集器，其特征在于，实现所述收集器的两个侧壁能够绕对应的出口边转动的装置为分别设置在两个侧壁的电机驱动调节装置；所述电机驱动调节装置包括安装在两个侧壁对应的出口边的转动轴，安装在两个侧壁对应的入口边外侧电机和蜗轮蜗杆机构；所述电机用于驱动蜗轮蜗杆机构使得两个侧壁绕对应的出口边的转动轴转动。

4.根据权利要求1所述的可前后移动并可调宽度的开口射流风洞收集器，其特征在于，实现所述收集器整体可前后移动的装置为滑轨装置；所述滑轨装置包括设置在驻室地板和收集器底座之间的两条气浮导轨，以及设置在收集器底座与气浮导轨之间的滑块基座；所述两条气浮导轨固定在驻室地板上，所述滑块基座固定在收集器底座下。

5.一种开口射流风洞试验方法，其特征在于，所述开口射流风洞试验方法为：设置收集器为如权利要求1-4任一项所述的可前后移动并可调宽度的开口射流风洞收集器，并在进行风洞试验时调整所述收集器的前后位置和宽度。

6.根据权利要求5所述的开口射流风洞试验方法，其特征在于，调整所述收集器的宽度时，需要保持两个侧壁对称。

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