CN114252228B - 一种用于高超声速流动边界层速度型测量装置 - Google Patents

一种用于高超声速流动边界层速度型测量装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于高超声速流动边界层速度型测量装置，包括风洞模型、两轴精密探针移动机构、高精度热线测速装置、光谱共焦位移传感器、视频监控器。将风洞模型安装在风洞试验段内，通过装在两轴精密探针移动机构上的热线测速仪测量模型不同位置处壁面边界层速度分布特性，光谱共焦位移传感器用于测量热线移动实时位置，视频监控器用于实时监测热线抖动以及是否损坏情况。基于本发明测试装置的测试方法有利于测量高超声速边界层速度型分布值，能够为流动稳定性计算提供验证和指导，并可深入认识高超声速边界层模态以及转捩特性。

Description

一种用于高超声速流动边界层速度型测量装置
技术领域
本发明属于航空航天领域，涉及一种高超声速流动边界层速度分布测量装置，以分析边界层流动模态和相应的转捩特性。
背景技术
高超声速流动边界层转捩对高超声速飞行器气动设计和性能有着深远的影响。对于亚音速飞行器来说也是如此，与层流情况相比，高速飞行器转捩到湍流会导致飞行器表面摩擦阻力显著增加。不仅如此，在高速下，表面摩擦增大带来的影响还表现为湍流高加热速率使得飞行器必须采用重型、复杂的热保护系统(TPS)的设计。此外，非对称转捩可能对飞行器的飞行动力学和稳定性产生不利影响，导致横侧气动特性不稳定性加剧，降低弹道轨迹精度，严重影响打击精度。
尽管高超声速转捩过程在飞行器设计中具有重要意义，但人们对它的理解仍不完全，预测边界层转捩位置的技术仍不成熟。简单的经验相关性通常被设计者所采用，其巨大的不确定性导致了飞行器热防护系统的保守过度设计，不仅增加了飞行器重量，而且降低了飞行效率以及有效载荷。另外，流场数值模拟技术水平虽然发展迅速，但是试验验证能力不足，缺少边界层速度分布高精度测试方法。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明的目的是提供一种用于高超声速流动边界层速度型测量装置。本发明能够实现连续测量模型绕流空间及近壁面流场速度特性，可用于开展可压缩流动不稳定性及模态、流动数值仿真模拟计算实验验证等研究，将大幅提升高超声速流动机理研究和工程应用水平。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种用于高超声速流动边界层速度型测量装置，包括风洞模型、两轴精密探针移动机构、高精度热线测速装置、光谱共焦位移传感器、视频监控器；待测风洞模型安装在风洞喷管内，风洞模型支撑架在风洞喷管出口处，风洞模型轴线与风洞喷管轴线共轴，保证整个模型位于风洞有效均匀区内；两轴精密探针移动机构安装在风洞模型所在试验段顶部，由两个机械轴承滚珠丝杠直线运动台和组成，能够实现X-Y两轴轴向和横向运动；高精度热线测速装置安装在所述两轴精密探针移动机构上，所述高精度热线测速装置包括偏移探头、轴向驱动电机以及热线测速仪，热线测速仪电路从偏移探头内部走线；所述光谱共焦位移传感器安装在两轴精密探针移动机构上，能够实时标定测量出热线所处位置，实现为轴向驱动电机提供位置反馈信号并实时记录热线所处位置，用来确定热线探头在边界层轮廓内位置信息。
所示视频监控器对准热线测速仪实时拍摄，用于热线测速仪受气流风载振动情况以及断裂故障监测；
所述测量装置能够实现热线风速仪在实验段内三维连续运动，两轴精密探针移动机构实现XY平面两轴运动，高精度热线测速装置实现风洞模型壁面法向单轴运动。
所述两轴精密探针移动机构中的两个机械轴承滚珠丝杠分别由无刷伺服电机驱动，由集成到电机外壳中的正交编码器提供位置反馈，由两个控制器提供无刷伺服电机的功率和闭环位置控制；并通过以太网连接和LabVIEW应用程序编程接口(API)与风洞测控计算机对应接口连接通信。
所述的两轴精密探针移动机构安装高精度热线测速装置实现边界层以及空间流速测量，还集成其他实验诊断数据采集设置，包括高频压力传感器Kulites、pcb、聚焦纹影装置。
所述的偏移探头初始位置设置在风洞模型底部后侧；待流场建立后，热线测速仪在偏移探头带动下可以移动到试验段任何一个位置，并在轴向驱动电机的驱动下实现沿偏移探头轴向运动。
本发明测量装置能够实现热线风速仪在实验段内三维连续运动，两轴精密探针移动机构实现XY平面两轴运动，高精度热线测速装置实现模型壁面法向单轴运动，光谱共焦位移传感器用来确定热线探头在边界层轮廓内位置信息。视频监控器以高倍率聚焦在热线测速仪尖端。实现连续测量模型绕流空间及近壁面流场速度特性；实现高精度流动数值仿真模拟计算有效提升；实现高超声速流动机理研究和工程应用水平提升。
附图说明
图1是用于高超声速流动边界层速度型测量装置的一种结构示意图；
图中，风洞模型1、两轴精密探针移动机构2、高精度热线测速装置3、光谱共焦位移传感器4、视频监控器5、机械轴承滚珠丝杠直线运动台101和102、无刷伺服电机103和104、正交编码器105和106、控制器107和108、偏移探头109、轴向驱动电机110以及热线测速仪111。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
如图1所示，是一种高超声速流动边界层速度分布测量装置，风洞模型1是待测边界层速度分布模型，两轴精密探针引动机构2由机械轴承滚珠丝杠直线运动台（101和102）组成，在无刷伺服电机（103和104）的驱动下可实现X-Y平面内二维运动，无刷伺服电机（103和104）的附件包括正交编码器（105和106）、控制器（107和108）。高精度热线测速装置3是主要的测量设备，其包括偏移探头109、轴向驱动电机110和热线测速仪111。热线测速仪111安装在偏移探头109上，热线测速仪111头部的测速电阻丝在轴向驱动电机110的带动下由壁面法向移动至边界层外轮廓，获得边界层速度分布信息。
一种用于高超声速流动边界层速度型测量装置，包括风洞模型1、两轴精密探针移动机构2、高精度热线测速装置3、光谱共焦位移传感器4、视频监控器5等。
所述风洞模型1安装在风洞喷管内，模型支撑架在喷管出口处，模型轴线同风洞喷管轴线共轴，保证整个模型位于风洞有效均匀区内；其风洞模型所在试验段顶部安装两轴精密探针移动机构2，其由两个机械轴承滚珠丝杠直线运动台101和102组成，能够带动配装的设备仪器实现X-Y两轴轴向和横向运动，行程分别为200mm和100mm。考虑到热线电阻丝直径为5µm，滚珠丝杠位移与电阻丝直径相当，X轴200mm行程丝杠位移精度为±10µm，Y轴100mm行程丝杠位移精度为±5µm。
所述两轴精密探针移动机构2中的两个机械轴承滚珠丝杠分别由无刷伺服电机（103和104）驱动，其位置反馈是由集成到电机外壳中的正交编码器（105和106）提供的，其精度为0.5µm。由于风洞试验段空间受限，X轴形成丝杠采用电机带动皮带和齿轮间接驱动方式工作。丝杠运动电机功率和闭环位置控制由两个控制器（107和108）提供。这些控制器具有内部协调电机驱动和位置反馈功能，并通过千兆以太网连接和LabVIEW应用程序编程接口(API)与风洞测控计算机对应接口连接通信。电机驱动程序是基于LabVIEW虚拟仪器(VI)编写的。两轴精密探针移动机构2不仅能够安装高精度热线测速仪3实现边界层以及空间流速测量，还可以集成高频压力传感器Kulites、pcb、聚焦纹影或其他实验诊断数据采集设置。
所述高精度热线测速装置3包括移动机构配备的偏移探头109、轴向驱动电机110以及热线测速仪111，热线测速仪电路从偏移探头内部走线。为了保护热线测速仪的电阻丝在风洞流场启动和结束过程中不断裂，偏移探头109初始位置设置在风洞模型底部后侧；待流场建立后，热线测速仪111在偏移探头109带动下可以移动到试验段任何一个位置，并在轴向驱动电机110的驱动下实现沿偏移探头轴向运动，位移精度为10µm。若满足高超声速边界层速度测量可以将偏移探头109移动至待测边界层位置法线方向，热线测速仪111在轴向驱动电机110的驱动下由模型壁面移动至边界层外轮廓，行程约为20mm，一次测量可以测得边界层垂直壁面方向约40到60个位置点。
所述光谱共焦位移传感器4安装在两轴精密探针移动机构2上，能够实时标定测量出热线所处位置，实现为轴向驱动电机110提供位置反馈信号并实时记录热线所处位置。
所示视频监控器5对准热线测速仪111实时拍摄，用于热线测速仪受气流风载振动情况以及热线断裂故障监测。
所述测量装置能够实现热线风速仪在实验段内三维连续运动，两轴精密探针移动机构2实现XY平面两轴运动，高精度热线测速装置3实现模型壁面法向单轴运动，光谱共焦位移传感器4用来确定热线探头在边界层轮廓内位置信息。视频监控器5以高倍率聚焦在热线测速仪111尖端。
所述装置可以测量出高超声速风洞实验段空间待测点位及设定曲线连续点的速度值，结果还可以换算成压力值等，丰富拓展了高超声速流动测量手段和方法。
上述描述中的实施方案可以进一步组合或者替换，且实施方案仅仅是对本发明的优选实施例进行描述，并非对本发明的构思和范围进行限定，在不脱离本发明设计思想的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变化和改进，均属于本发明的保护范围。本发明的保护范围由所附权利要求及其任何等同物给出。

Claims (4)

1.一种用于高超声速流动边界层速度型测量装置，其特征在于，包括风洞模型、两轴精密探针移动机构、高精度热线测速装置、光谱共焦位移传感器、视频监控器；待测风洞模型安装在风洞喷管内，风洞模型支撑架在风洞喷管出口处，风洞模型轴线与风洞喷管轴线共轴，保证整个模型位于风洞有效均匀区内；两轴精密探针移动机构安装在风洞模型所在试验段顶部，由两个机械轴承滚珠丝杠直线运动台组成，能够实现X-Y两轴轴向和横向运动；
所述高精度热线测速装置安装在所述两轴精密探针移动机构上，所述高精度热线测速装置包括偏移探头、轴向驱动电机以及热线测速仪，热线测速仪电路从偏移探头内部走线；
所述光谱共焦位移传感器安装在两轴精密探针移动机构上，能够实时标定测量出热线所处位置，实现为轴向驱动电机提供位置反馈信号并实时记录热线所处位置，用来确定热线探头在边界层轮廓内位置信息；
所示视频监控器对准热线测速仪实时拍摄，用于热线测速仪受气流风载振动情况以及断裂故障监测；
所述测量装置能够实现热线风速仪在实验段内三维连续运动，两轴精密探针移动机构实现XY平面两轴运动，高精度热线测速装置实现风洞模型壁面法向单轴运动。
2.根据权利要求1所述的一种用于高超声速流动边界层速度型测量装置，其特征在于，所述两轴精密探针移动机构中的两个机械轴承滚珠丝杠分别由无刷伺服电机驱动，由集成到电机外壳中的正交编码器提供位置反馈；两个控制器提供内部协调电机驱动和位置反馈并通过以太网连接和LabVIEW应用程序编程接口与风洞测控计算机对应接口连接通信。
3.根据权利要求1或者2所述的一种用于高超声速流动边界层速度型测量装置，其特征在于，所述的两轴精密探针移动机构安装高精度热线测速装置实现边界层以及空间流速测量，还集成其他实验诊断数据采集设置，包括高频压力传感器Kulites、pcb、聚焦纹影装置。
4.根据权利要求1所述的一种用于高超声速流动边界层速度型测量装置，其特征在于，偏移探头初始位置设置在风洞模型底部后侧；待流场建立后，热线测速仪在偏移探头带动下可以移动到试验段任何一个位置，并在轴向驱动电机的驱动下实现沿偏移探头轴向运动。
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