CN113252282B - 风洞闭口实验段窗口观测装置及其应用 - Google Patents

风洞闭口实验段窗口观测装置及其应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了风洞闭口实验段窗口观测装置及其应用。该窗口观测装置包括整体加工的非观测窗口盖板和组合加工的观测窗口盖板；非观测窗口盖板上部通过法兰框固定安装在风洞筒体外侧的配合面上，上表面固定把手，下部插入风洞筒体的开口并密封定位，下表面与风洞筒体内壁面形状相同并光滑过渡；观测窗口盖板包括观测窗口盖板主体和光学玻璃，观测窗口盖板主体与非观测窗口盖板的上部形状尺寸相同，中心开有空腔，下方固定安装有密封定位的光学玻璃。该窗口观测装置的应用实现了根据不同工况需求选择不同的窗口观测装置安装方案，保证了风洞筒体整体内壁结构的完整性，减少了对气流的影响，使气流湍流度控制在要求的范围内。

Description

风洞闭口实验段窗口观测装置及其应用
技术领域
本发明涉及风洞实验领域，具体涉及一种风洞闭口实验段窗口观测装置及其应用。
背景技术
风洞是用于空气动力学研究的三大工具手段之一，通过设计能够人工产生和控制气体的流动，用以模拟飞行器或建筑物等周围的气流流场，并利用各种传感器测量气流对飞行器或建筑物等的作用，以及各种光学仪器观测这些气流绕流过程中产生的各种物理现象的一种管状实验设备。风洞主要由洞体、驱动系统和测量控制系统组成，是进行空气动力实验最常用、最有效的工具。
风洞观察窗设置在实验段洞体上，光学仪器通过观察窗上的光学玻璃记录实验流场数据。基于对观察效果的要求，光学玻璃常采用平板式设计，但对于圆筒状的洞体结构，平板式光学玻璃内侧与洞体内侧形成了非圆滑过渡结构，破坏了设计流道的完整性，对实验气流产生了影响，而风洞实验对气流的均匀性要求苛刻，要求实验段内各截面气流的速度大小一致、方向平行，且湍流度也要控制在一定范围内。如何使观察窗的设置对气流均匀性和湍流度的影响控制在要求范围内，从而避免对实验带来不利影响是必须解决的技术问题。
当前，亟需发展一种风洞闭口实验段窗口观测装置及其应用。
发明内容
本发明所要解决的一个技术问题是提供一种风洞闭口实验段窗口观测装置，本发明所要解决的另一个技术问题是提供一种风洞闭口实验段窗口观测装置的应用。
本发明的风洞闭口实验段窗口观测装置，其特点是，所述的窗口观测装置包括整体加工的非观测窗口盖板和组合加工的观测窗口盖板；
非观测窗口盖板上部的外边框为法兰框，法兰框固定安装在风洞筒体外侧的配合面上，非观测窗口盖板的上表面固定有把手；非观测窗口盖板下部与风洞筒体的开口相匹配，插入风洞筒体的开口后通过接触端面与风洞筒体内的限位端面密封定位，非观测窗口盖板的下表面形状与风洞筒体内壁面的表面形状相同并光滑过渡；
观测窗口盖板包括观测窗口盖板主体和光学玻璃，观测窗口盖板主体与非观测窗口盖板的上部形状尺寸相同，观测窗口盖板主体的中心开有空腔，观测窗口盖板主体的下方固定安装有光学玻璃，光学玻璃与风洞筒体内的限位端面密封定位；
光学玻璃的下表面与风洞中心轴线之间的距离为H，风洞筒体的内径为R，H:R=1.03~1.15。
进一步地，所述的法兰框的固定方式为螺栓连接。
进一步地，所述的非观测窗口盖板下部与风洞筒体之间的缝隙宽度小于0.05mm。
进一步地，所述的观测窗口盖板的光学玻璃与风洞筒体之间的缝隙宽度小于0.05mm。
进一步地，所述的风洞筒体的限位端面上开有密封槽，密封槽内安装有密封圈。
进一步地，所述的把手的固定方式为焊接。
进一步地，所述的光学玻璃通过无影胶加紫外线照射的方式粘合在观测窗口盖板主体上。
本发明的风洞闭口实验段窗口观测装置的应用包括以下步骤：
a．在风洞筒体的实验段上，面向风洞来流，以上方为0°，在沿风洞筒体周向顺时针的0°、90°、180°、270°四个位置，分别开口，每个开口配套加工一组风洞闭口实验段窗口观测装置；
b．90°和270°的位置用于人员和模型进出，日常安装非观测窗口盖板，根据风洞实验要求，需要观察风洞实验模型动态时，将非观测窗口盖板替换成观测窗口盖板；
c．0°和180°的位置用于光学设备安装，日常安装非观测窗口盖板，根据风洞实验要求，需要进行光学测量，安装光源、光学相机时，将非观测窗口盖板替换成观测窗口盖板；
d．风洞实验前，根据实验方案确定各开口安装非观测窗口盖板或观测窗口盖板的安装方案，再通过数值模拟方法，计算观测窗口盖板数量和位置是否会对风洞流场产生干扰，如果干扰量小于风洞流场指标，则开展风洞实验，否则重新确定安装方案。
本发明的风洞闭口实验段窗口观测装置具有非观测窗口盖板和观测窗口盖板，风洞筒体实验段周向的0°、90°、180°、270°四个位置可根据需求分别安装非观测窗口盖板或观测窗口盖板，能够适应不同工况跟位置区域的观测要求。
非观测窗口盖板下表面的弧面与风洞筒体内壁完全贴合，保证内流道面顺滑过渡，不对内部气流产生影响。观测窗口盖板，由于光学玻璃的存在，使得观测窗口盖板与风筒筒体内壁接触面为平面，不能进行圆滑过渡，从而会对内部气流产生一定影响，所以尽量减少观测窗口盖板的使用，如果整个风洞实验过程需要进行光学测试，则必须安装观测窗口盖板，但需要采用数值模拟的方式，尽量搞清楚观测窗口盖板对流场的影响，选择无影响或影响较小的安装方案。
本发明的风洞闭口实验段窗口观测装置中的非观测窗口盖板和观测窗口盖板能够分工况替换使用，既可以通过观测窗口盖板进行光学观测记录，也可以通过非观测窗口盖板在不对内部气流产生影响的前提下进行其余工况的测试，保证测试数据的权威性。非观测窗口盖板和观测窗口盖板风洞筒体连接方式均为螺栓连接，且同一开口的非观测窗口盖板和观测窗口盖板的尺寸完全相同，通过顶部把手可以很方便地在不同工况下对两种窗口进行换型使用。风洞筒体的限位端面安装有密封圈，可以保证实验过程中风洞系统的密封性能。
本发明的风洞闭口实验段窗口观测装置及其应用实现了根据不同工况需求选择不同的安装方案，保证了风洞筒体整体内壁结构的完整性，减少了对气流的影响，使气流湍流度控制在要求的范围内。
附图说明
图1a为本发明的风洞闭口实验段窗口观测装置中的非观测窗口盖板的结构示意图（主视图）；
图1b为本发明的风洞闭口实验段窗口观测装置中的非观测窗口盖板的结构示意图（侧视图）；
图1c为本发明的风洞闭口实验段窗口观测装置中的非观测窗口盖板的结构示意图（俯视图）；
图2a为本发明的风洞闭口实验段窗口观测装置中的观测窗口盖板的结构示意图（主视图）；
图2b为本发明的风洞闭口实验段窗口观测装置中的观测窗口盖板的结构示意图（侧视图）；
图2c为本发明的风洞闭口实验段窗口观测装置中的观测窗口盖板的结构示意图（俯视图）；
图3a为本发明的风洞闭口实验段窗口观测装置的风洞安装示意图（立体图）；
图3b为本发明的风洞闭口实验段窗口观测装置的风洞安装示意图（主视图）；
图3c为本发明的风洞闭口实验段窗口观测装置的风洞安装示意图（侧视图）；
图4为实施例1的数值仿真结果；
图5为实施例2的数值仿真结果。
图中，1.非观测窗口盖板 2.观测窗口盖板 3.风洞筒体 4.把手 5.光学玻璃 6.密封圈 7.无影胶。
具体实施方式
下面结合附图和实施例详细说明本发明。
本发明的风洞闭口实验段窗口观测装置包括如图1a~图1c所示的整体加工的非观测窗口盖板1和如图2a~图2c所示的组合加工的观测窗口盖板2；
非观测窗口盖板1上部的外边框为法兰框，法兰框固定安装在风洞筒体3外侧的配合面上，非观测窗口盖板1的上表面固定有把手4；非观测窗口盖板1下部与风洞筒体3的开口相匹配，插入风洞筒体3的开口后通过接触端面与风洞筒体3内的限位端面密封定位，非观测窗口盖板1的下表面形状与风洞筒体3内壁面的表面形状相同并光滑过渡；
观测窗口盖板2包括观测窗口盖板主体和光学玻璃5，观测窗口盖板主体与非观测窗口盖板1的上部形状尺寸相同，观测窗口盖板主体的中心开有空腔，观测窗口盖板主体的下方固定安装有光学玻璃5，光学玻璃5与风洞筒体3内的限位端面密封定位；
光学玻璃5的下表面与风洞中心轴线之间的距离为H，风洞筒体3的内径为R，H:R=1.03~1.15。
进一步地，所述的法兰框的固定方式为螺栓连接。
进一步地，所述的非观测窗口盖板1下部与风洞筒体3之间的缝隙宽度小于0.05mm。
进一步地，所述的观测窗口盖板2的光学玻璃5与风洞筒体3之间的缝隙宽度小于0.05mm。
进一步地，所述的风洞筒体3的限位端面上开有密封槽，密封槽内安装有密封圈6。
进一步地，所述的把手4的固定方式为焊接。
进一步地，所述的光学玻璃5通过无影胶7加紫外线照射的方式粘合在观测窗口盖板主体上。为了减小光学玻璃5受到的应力影响，无影胶7的厚度应较厚。
本发明的风洞闭口实验段窗口观测装置的应用包括以下步骤：
a．在风洞筒体3的实验段上，面向风洞来流，以上方为0°，在沿风洞筒体周向顺时针的0°、90°、180°、270°四个位置，分别开口，每个开口配套加工一组风洞闭口实验段窗口观测装置；
b．90°和270°的位置用于人员和模型进出，日常安装非观测窗口盖板1，根据风洞实验要求，需要观察风洞实验模型动态时，将非观测窗口盖板1替换成观测窗口盖板2；
c．0°和180°的位置用于光学设备安装，日常安装非观测窗口盖板1，根据风洞实验要求，需要进行光学测量，安装光源、光学相机时，将非观测窗口盖板1替换成观测窗口盖板2；
d．风洞实验前，根据实验方案确定各开口安装非观测窗口盖板1或观测窗口盖板2的安装方案，再通过数值模拟方法，计算观测窗口盖板2数量和位置是否会对风洞流场产生干扰，如果干扰量小于风洞流场指标，则开展风洞实验，否则重新确定安装方案。
实施例1
本实施例需要通过光学相机拍摄模型表面转捩图像，如图3a~图3c所示，在风洞筒体3的0°的位置安装观测窗口盖板2，观测窗口盖板2上方安装光源和光学相机，其他位置安装非观测窗口盖板1。对于实验马赫数6，进行如图4所示的数值仿真，结果显示，观察窗口处的气流平均马赫数5.998，均匀区直径Φ222.18mm，观测窗口盖板2对流场影响微小，可以忽略。本实施例的风洞闭口实验段窗口观测装置安装方式合适。
实施例2
本实施例需要通过PIV相机拍摄流场速度矢量图，在风洞筒体3的0°的位置安装观测窗口盖板2，观测窗口盖板2上方安装光源，在风洞筒体3的90°的位置安装观测窗口盖板2，观测窗口盖板2外安装PIV相机，其他位置安装非观测窗口盖板1。对于实验马赫数6，进行如图5所示的数值仿真，结果显示，观察窗口处的气流平均马赫数5.975，均匀区直径Φ230.99mm，观测窗口盖板2对流场影响微小，可以忽略。本实施例的风洞闭口实验段窗口观测装置安装方式合适。

Claims (8)

1.风洞闭口实验段窗口观测装置，其特征在于，所述的窗口观测装置包括整体加工的非观测窗口盖板（1）和组合加工的观测窗口盖板（2）；
非观测窗口盖板（1）上部的外边框为法兰框，法兰框固定安装在风洞筒体（3）外侧的配合面上，非观测窗口盖板（1）的上表面固定有把手（4）；非观测窗口盖板（1）下部与风洞筒体（3）的开口相匹配，插入风洞筒体（3）的开口后通过接触端面与风洞筒体（3）内的限位端面密封定位，非观测窗口盖板（1）的下表面形状与风洞筒体（3）内壁面的表面形状相同并光滑过渡；
观测窗口盖板（2）包括观测窗口盖板主体和光学玻璃（5），观测窗口盖板主体与非观测窗口盖板（1）的上部形状尺寸相同，观测窗口盖板主体的中心开有空腔，观测窗口盖板主体的下方固定安装有光学玻璃（5），光学玻璃（5）与风洞筒体（3）内的限位端面密封定位；
光学玻璃（5）的下表面与风洞中心轴线之间的距离为H，风洞筒体（3）的内径为R，H:R=1.03~1.15；
在风洞筒体（3）的实验段上，面向风洞来流，以上方为0°，在沿风洞筒体周向顺时针的0°、90°、180°、270°四个位置，分别开口，每个开口配套加工一组风洞闭口实验段窗口观测装置。
2.根据权利要求1所述的风洞闭口实验段窗口观测装置，其特征在于，所述的法兰框的固定方式为螺栓连接。
3.根据权利要求1所述的风洞闭口实验段窗口观测装置，其特征在于，所述的非观测窗口盖板（1）下部与风洞筒体（3）之间的缝隙宽度小于0.05mm。
4.根据权利要求1所述的风洞闭口实验段窗口观测装置，其特征在于，所述的观测窗口盖板（2）的光学玻璃（5）与风洞筒体（3）之间的缝隙宽度小于0.05mm。
5.根据权利要求1所述的风洞闭口实验段窗口观测装置，其特征在于，所述的风洞筒体（3）的限位端面上开有密封槽，密封槽内安装有密封圈（6）。
6.根据权利要求1所述的风洞闭口实验段窗口观测装置，其特征在于，所述的把手（4）的固定方式为焊接。
7.根据权利要求1所述的风洞闭口实验段窗口观测装置，其特征在于，所述的光学玻璃（5）通过无影胶（7）加紫外线照射的方式粘合在观测窗口盖板主体上。
8.风洞闭口实验段窗口观测装置的应用，其特征在于，所述的应用基于权利要求1~7任意一种风洞闭口实验段窗口观测装置，包括以下步骤：
a．在风洞筒体（3）的实验段上，面向风洞来流，以上方为0°，在沿风洞筒体周向顺时针的0°、90°、180°、270°四个位置，分别开口，每个开口配套加工一组风洞闭口实验段窗口观测装置；
b．90°和270°的位置用于日常安装非观测窗口盖板（1），根据风洞实验要求，需要观察风洞实验模型动态时，将非观测窗口盖板（1）替换成观测窗口盖板（2）；
c．0°和180°的位置用于日常光学观测，安装观测窗口盖板（2），根据风洞实验要求，配合光学测试技术的需要，安装光源、光学相机时，将0°或180°的位置观测窗口盖板（2）替换成非观测窗口盖板（1）；
d．风洞实验前，根据实验方案确定各开口安装非观测窗口盖板（1）或观测窗口盖板（2）的安装方案，再通过数值模拟方法，计算观测窗口盖板（2）数量和位置是否会对风洞流场产生干扰，如果干扰量小于风洞流场指标，则开展风洞实验，否则重新确定安装方案。
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