CN113627094B - 用于进气道自起动研究的快速自适应旋转节流门设计方法 - Google Patents
用于进气道自起动研究的快速自适应旋转节流门设计方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN113627094B CN113627094B CN202110779573.9A CN202110779573A CN113627094B CN 113627094 B CN113627094 B CN 113627094B CN 202110779573 A CN202110779573 A CN 202110779573A CN 113627094 B CN113627094 B CN 113627094B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- rotary throttle
- door
- rotary
- throttle valve
- self
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 238000013461 design Methods 0.000 title claims abstract description 20
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 20
- 238000011160 research Methods 0.000 title claims abstract description 13
- 230000003068 static effect Effects 0.000 claims abstract description 14
- 230000005484 gravity Effects 0.000 claims abstract description 12
- 230000035939 shock Effects 0.000 claims abstract description 12
- 230000003044 adaptive effect Effects 0.000 claims description 5
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 claims description 5
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 4
- 125000003275 alpha amino acid group Chemical group 0.000 claims 1
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 claims 1
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 7
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 6
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 6
- 238000005452 bending Methods 0.000 description 4
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 4
- 238000010008 shearing Methods 0.000 description 4
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 2
- 238000011144 upstream manufacturing Methods 0.000 description 2
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 230000000903 blocking effect Effects 0.000 description 1
- 238000007664 blowing Methods 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
- G06F30/00—Computer-aided design [CAD]
- G06F30/20—Design optimisation, verification or simulation
- G06F30/28—Design optimisation, verification or simulation using fluid dynamics, e.g. using Navier-Stokes equations or computational fluid dynamics [CFD]
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01M—TESTING STATIC OR DYNAMIC BALANCE OF MACHINES OR STRUCTURES; TESTING OF STRUCTURES OR APPARATUS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- G01M9/00—Aerodynamic testing; Arrangements in or on wind tunnels
- G01M9/02—Wind tunnels
- G01M9/04—Details
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
- G06F2113/00—Details relating to the application field
- G06F2113/08—Fluids
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
- G06F2119/00—Details relating to the type or aim of the analysis or the optimisation
- G06F2119/14—Force analysis or force optimisation, e.g. static or dynamic forces
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Fluid Mechanics (AREA)
- Theoretical Computer Science (AREA)
- Mathematical Physics (AREA)
- Mathematical Analysis (AREA)
- Mathematical Optimization (AREA)
- Computing Systems (AREA)
- Pure & Applied Mathematics (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Evolutionary Computation (AREA)
- Geometry (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Algebra (AREA)
- Lift Valve (AREA)
- Air-Flow Control Members (AREA)
Abstract
本发明公开了一种用于进气道自起动研究的快速自适应旋转节流门设计方法，包括以下步骤：S1、根据进气道出口形状确定旋转节流门的外形尺寸；S2、设计旋转节流门的旋转轴和配重块位置；S3、确定旋转节流门打开角度，计算旋转节流门前的激波角和波后静压；S4、给定配重块质量参数，建立旋转节流门在节流门重力、气动力和配重块重力作用下的力矩平衡关系式，计算旋转节流门的门板厚度；S5、校核旋转节流门的切应力强度、拉应力强度；S6、设计旋转节流门的旋转轴半径；S7、校核旋转轴切应力强度。本发明通过流程化设计自适应旋转节流门的几何参数，为此类装置的设计提供了可靠的理论支撑，并使此类装置在设计上更加规范、在实用上更加统一。
Description
技术领域
本发明涉及脉冲式风洞进气道试验技术领域，尤其涉及一种用于进气道自起动研究的快速自适应旋转节流门设计方法。
背景技术
进气道起动性能考核是进气道试验研究的一项重要内容，节流技术是进气道试验研究中一项常用的技术。在单车运行时间可达到数十秒甚至数分钟的连续风洞中，常通过电机控制节流锥的进退进行节流。由于脉冲风洞单车试验有效时间极短(毫秒量级)，在如此短的试验时间内无法使用电机完成对节流锥的运动控制，此时如何设计与使用节流技术进行进气道自起动考核，是一个技术难点。
在脉冲风洞中开展进气道自起动性能的研究采用的节流控制技术主要有堵塞节流块法、吹气节流法、上/下旋转门节流法。其中，旋转门具有可自动复位、可重复使用等优点，但此类旋转门的设计尚缺乏规范通用的理论方法，无法做到规范、高效地设计旋转门，达到有效开展进气道自起动试验的目的。
发明内容
本发明为提供一种用于进气道自起动研究的快速自适应旋转节流门设计方法，以解决现有旋转节流门的设计缺乏规范通用的理论方法的技术问题。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
用于进气道自起动研究的快速自适应旋转节流门设计方法，包括以下步骤：
S1、根据进气道出口形状确定旋转节流门的外形尺寸；
S2、设计旋转节流门的旋转轴和配重块位置；
S3、确定旋转节流门打开角度，计算旋转节流门前的激波角和波后静压；
S4、给定配重块质量参数，建立旋转节流门在节流门重力、气动力和配重块重力作用下的力矩平衡关系式，计算旋转节流门的门板厚度；
S5、校核旋转节流门的切应力强度、拉应力强度；
S6、设计旋转节流门的旋转轴半径；
S7、校核旋转轴切应力强度。
优选地，所述步骤S2中，设计旋转节流门的旋转轴和配重块位置，具体为：所述旋转节流门的旋转轴轴线设置在进气道出口截面的上边沿处；所述配重块安装在旋转节流门远离旋转轴的端部，且配重块位于旋转节流门背离进气道出口的一面。
优选地，所述步骤S3中，
旋转节流门前的激波角β满足下列公式：
波后静压计算公式为：
式(1)和式(2)中，β为激波角；P2为旋转节流门打开且稳定时激波后的静压，即波后静压；θ＝90°-α，θ为气流偏转角，α为旋转节流门打开角度；Ma1为来流马赫数；γ为比热比。
优选地，所述步骤S4中，力矩平衡关系式为：
式(3)中，ρ为旋转节流门的材料密度，L是旋转节流门呈竖直状态时门板沿竖直方向的长度，L1是配重块中心到旋转节流门旋转轴线的距离，W是旋转节流门沿旋转轴线方向的宽度，δ是旋转节流门的门板厚度。
与现有技术相比，本发明的有益技术效果是：
本发明以来流参数为已知条件，通过气动计算、受力分析以及强度校核等措施给出了一套完整的旋转节流门的理论设计方法，使得此类节流门在设计上更加规范、在实用上更加统一，相关实验人员能够参照该理论设计方法高效地设计旋转节流门，为在脉冲风洞中开展进气道自起动试验的节流装置设计提供了可靠的理论依据。
附图说明
图1为本发明实施例提供的用于进气道自起动研究的快速自适应旋转节流门设计方法的流程图；
图2为本发明实施例提供的旋转节流门的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的旋转节流门的剖视图；
图4为本发明实施例提供的旋转节流门的旋转轴结构示意图；
图5为本发明实施例提供的旋转节流门的门板旋转角度注释图；
图6为本发明实施例提供的旋转节流门的受力分析示意图；
图7为本发明实施例提供的旋转节流门的受力分析示意图；
图8为本发明实施例提供的旋转节流门的受力分析示意图；
附图标记：固定座1、旋转节流门2、配重块3、进气道局部4。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
在本实施例中，针对的是一种用于在脉冲式风洞中进气道自起动研究的快速自适应旋转节流门，如图2所示，图中给出了进气道内流道的局部(出口段)，即进气道局部4，主要包括：固定座1、旋转节流门2、配重块3。旋转节流门2位于矩形的进气道出口处，其中旋转轴与节流门为一体结构，进气道出口两侧通过螺钉安装有固定座1，旋转节流门2通过旋转轴与固定座1转动连接；图3所示为进气道局部4及旋转节流门2构型对称面的剖视图，旋转节流门2的上侧内沿线与旋转轴的轴线重合，并且旋转节流门2的上侧内沿紧贴进气道出口截面的上边沿，如图4所示，旋转轴和门板的重叠部分的断面面积Smil＝3πr2/8。旋转节流门2远离旋转轴的端部安装有配重块3，且配重块3位于旋转节流门2背离进气道出口的一面。旋转节流门2受上游(进气道出口处)气流压力及下游配重块重力作用，绕着旋转轴旋转，自适应稳定在设计的角度。本发明的目的是给出一套完整的设计方法与流程，为此类节流门设计提供理论支撑。
本实施例考虑真实流场的情况，作出如下假设：①节流门下游紧靠门后气体作用在旋转节流门的压力与门前相比非常低，此处近似为0；②上游气流压力均匀作用在门板上；③斜激波是直激波，波前波后均为均匀流场。
如图1所示，一种用于进气道自起动研究的快速自适应旋转节流门设计方法，包括以下步骤：
S1、根据进气道出口形状确定旋转节流门的外形尺寸；
具体地，旋转节流门的外形尺寸应略大于进气道出口尺寸，就矩形进气道而言，进气道出口旋转节流门也为矩形，旋转节流门的长L、宽W和材料密度ρ均为已知参数。
S2、设计旋转节流门的旋转轴和配重块位置；
具体地，旋转节流门的旋转轴和配重块位置如图3、图4所示，前文已做说明，在此不做赘述。另外，配重块中心距离旋转轴中心的距离L1为已知参数。
S3、确定旋转节流门打开角度，计算旋转节流门前的激波角和波后静压；
具体地，流场建立后，已知进气道出口处无节流门(即超音速流)时的静压P1和马赫数Ma1，以及比热比γ，设计旋转节流门的一个打开角度α(满足 )，如图5所示，定义气流偏转角为θ，在几何上θ和α是互余关系，即θ＝90°-α。
旋转节流门前的激波角β满足下列公式：
波后静压计算公式为：
式(1)和式(2)中，β为激波角；P2为旋转节流门打开且稳定时激波后的静压，即波后静压。
S4、给定配重块质量参数，建立旋转节流门在节流门重力、气动力和配重块重力作用下的力矩平衡关系式，计算旋转节流门的门板厚度；
具体地，以配重块质量m为参数，建立的力矩平衡关系式为：
将(3)式变形，计算旋转节流门的厚度δ
S5、校核旋转节流门的切应力强度、拉应力强度；
具体地，为使自适应旋转节流门在进气道出口的气流冲击下不发生变形，不影响下一车次的使用，通过上述步骤算出旋转节流门厚度δ后，需对旋转节流门的门板进行强度校核，若旋转节流门的门板强度超过材料应力极限，应重新设计旋转节流门厚度δ。
1)旋转节流门的门板切应力强度校核
旋转节流门的门板受气动力、自身重力、配重块重力以及旋转轴的支反力四个力作用，其中气动力和自身重力均匀分布，配重块的压力沿着门板宽度方向均匀分布，将旋转节流门模型简化为图6所示的绕固定旋转轴旋转的门结构。
如图7所示，对门板进行受力分析计算，门板平面受均匀气动力及门板自身重力，定义门板自身重力为G(G＝ρWLδg)，配重块的压力沿着门板宽度方向均匀分布，设定门板所受垂直于门板方向的均匀载荷q(线载荷)为：
门板所受最大剪切力的位置位于配重块(c)及旋转轴(a)处，门板所受最大剪切力为：
Fs,max＝mgsinα (6)
门板的剪切应力强度校核：
其中，k为安全系数
2)旋转节流门的门板拉应力强度校核
流场稳定时，旋转节流门的门板在各作用力下达到力矩平衡，其自身在作用力下产生弯矩，如图7所示，门结构中间位置(b)处产生最大弯矩Memax，门板中间外侧表面位置(b)处所受拉应力最大。
在门板中间截面(b)处弯矩最大：
考虑(b)位置最大弯矩产生的应力及其他受力，得到门板所受最大拉应力：
门板的拉应力强度校核：
S6、设计旋转节流门的旋转轴半径；
S7、校核旋转轴切应力强度；
具体地，流场建立后，自适应旋转节流门的门板打开至设计角度，根据力矩平衡关系式(3)式，当流场建立后，P2大小不变，将关系式(3)进行变形：
设计半径下的旋转轴切应力强度校核：
建立直角坐标系，如图8所示，以进气道出口截面的上边沿处的转轴的旋转中心为原点建立坐标系，设定x轴平行于来流方向并且指向下游，y轴垂直于x轴并指向进气道下边沿；对旋转节流门进行受力分析，其受到门板自身重力，配重块对节流门的压力及气动力；
根据重力、配重块压力、气动力的分布，则有：
Fair＝P2LW (12)
Fx＝Faircosα (13)
Fy＝ρWLδg+mg-Fairsinα (14)
在保证节流门板所受气流压力强不变的前提下，依据公式(12)知P2L2W/cosθ为定值，即(ρWLδg L+2mgL1)是一定的，观察到2L1＞L，若适当增加配重块m的质量，可相应使(ρWLδg+mg)值变小，因此减少旋转轴受力，可适当增加配重块质量。定义旋转轴与门搭接处最小截面面积为Smin，例如本文Smin＝3πr2/8，位于旋转轴末端A处(如图5所示)。旋转轴两端均受剪切力，在单侧最小面积处，旋转轴受到最大切应力为其切应力强度校核：
全文的符号说明详见下表。
表一
以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体技术方案和/或特性等常识在此未作过多描述。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明技术方案的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。
Claims (2)
1.用于进气道自起动研究的快速自适应旋转节流门设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、根据进气道出口形状确定旋转节流门的外形尺寸；
S2、设计旋转节流门的旋转轴和配重块位置；
S3、确定旋转节流门打开角度，计算旋转节流门前的激波角和波后静压；
S4、给定配重块质量参数，建立旋转节流门在节流门重力、气动力和配重块重力作用下的力矩平衡关系式，计算旋转节流门的门板厚度；
S5、校核旋转节流门的切应力强度、拉应力强度；
S6、设计旋转节流门的旋转轴半径；
S7、校核旋转轴切应力强度；
所述步骤S3中，
旋转节流门前的激波角满足下列公式：
；
波后静压计算公式为：
；
式（1）和式（2）中，为激波角；为旋转节流门打开且稳定时激波后的静压，即波后静压；，为气流偏转角，为旋转节流门打开角度；为来流马赫数；为比热比；
所述步骤S4中，力矩平衡关系式为：
式（3）中，为旋转节流门的材料密度，是旋转节流门竖直状态时门板沿竖直方向的长度，是配重块的中心到旋转节流门旋转轴线的距离，是旋转节流门沿旋转轴线方向的宽度，是旋转节流门的门板厚度。
2.根据权利要求1所述的用于进气道自起动研究的快速自适应旋转节流门设计方法，其特征在于，所述步骤S2中，设计旋转节流门的旋转轴和配重块位置，具体为：所述旋转节流门的旋转轴设置在进气道出口截面的上边沿处；所述配重块安装在旋转节流门远离旋转轴的端部，且配重块位于旋转节流门背离进气道出口的一面。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202110779573.9A CN113627094B (zh) | 2021-07-09 | 2021-07-09 | 用于进气道自起动研究的快速自适应旋转节流门设计方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202110779573.9A CN113627094B (zh) | 2021-07-09 | 2021-07-09 | 用于进气道自起动研究的快速自适应旋转节流门设计方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN113627094A CN113627094A (zh) | 2021-11-09 |
| CN113627094B true CN113627094B (zh) | 2024-07-19 |
Family
ID=78379346
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202110779573.9A Active CN113627094B (zh) | 2021-07-09 | 2021-07-09 | 用于进气道自起动研究的快速自适应旋转节流门设计方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN113627094B (zh) |
Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN111927646A (zh) * | 2020-07-14 | 2020-11-13 | 中国空气动力研究与发展中心 | 进气道自起动试验用快速自适应旋转节流装置 |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN111159898B (zh) * | 2019-12-31 | 2022-06-10 | 西南科技大学 | 波后流场参数可控的双直锥激波基本流场及设计方法 |
-
2021
- 2021-07-09 CN CN202110779573.9A patent/CN113627094B/zh active Active
Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN111927646A (zh) * | 2020-07-14 | 2020-11-13 | 中国空气动力研究与发展中心 | 进气道自起动试验用快速自适应旋转节流装置 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN113627094A (zh) | 2021-11-09 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US6334753B1 (en) | Streamlined bodies with counter-flow fluid injection | |
| CN108301925B (zh) | 适用于高超声速进气道保护罩的分离机构 | |
| BR112013013910B1 (pt) | arranjo de ventilador compreendendo um difusor e um ventilador de construção axial, radial ou diagonal | |
| WO2023019843A1 (zh) | 一种带导叶调节器的磁悬浮轴流风机 | |
| CN113627094B (zh) | 用于进气道自起动研究的快速自适应旋转节流门设计方法 | |
| CN203784389U (zh) | 爆炸隔离阀 | |
| CN106122189A (zh) | 一种基于构造局部压差扰动的高超声速前体转捩控制方法 | |
| Lim et al. | Injection profile effects on low speed axial compressor stability enhancement | |
| Paul et al. | Experimental Studies of Active and Passive Flow Control Techniques Applied in a Twin Air‐Intake | |
| Mizuki et al. | Investigation concerning the blade loading of centrifugal impellers | |
| CN209372355U (zh) | 一种带旁路旋转门直流吹式阵风风洞 | |
| WO2017036116A1 (zh) | 一种降噪门 | |
| CN116952312A (zh) | 一种高承压式气体涡轮流量计 | |
| CN111272376A (zh) | 风洞附面层控制机构及超声速风洞 | |
| Agarwal et al. | Numerical investigation on the effect of vortex generator on axial compressor performance | |
| CN209372356U (zh) | 一种吹式主动增流阵风风洞 | |
| CN109799058B (zh) | 一种带旁路的双试验段直流阵风风洞 | |
| CN209372360U (zh) | 一种带有排流段的吹式阵风风洞 | |
| CN209485654U (zh) | 一种带有调流段的直流吸式阵风风洞 | |
| WO2012073813A1 (ja) | プロペラ型風車並びに風力発電装置 | |
| CN109632244B (zh) | 一种带旁路的直流吹式阵风风洞 | |
| Dovydas et al. | Experimental evaluation of turbine ventilators performance under different test conditions | |
| JPH10325593A (ja) | 空調用床吹出口 | |
| CN217603366U (zh) | 一种被动式双翻板单向隔爆阀 | |
| CN109632245A (zh) | 一种带旁路旋转门直流吹式阵风风洞 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| CB03 | Change of inventor or designer information | ||
| CB03 | Change of inventor or designer information |
Inventor after: Yu Anyuan Inventor after: Qin Si Inventor after: Zhang Sheng Inventor after: Li Yiming Inventor after: Yang Hui Inventor after: Wu Jie Inventor after: Han Yiyu Inventor after: Li Qi Inventor after: Chen Ruijie Inventor after: Yang Dawei Inventor before: Li Zhengzhou Inventor before: Ma Zhicheng Inventor before: Zhang Xiaoqing Inventor before: Gao Chang Inventor before: Zhou Zheng Inventor before: Lv Jinzhou Inventor before: Wang Qi Inventor before: Qu Lipeng |
|
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |