CN114397085B - 一种垂向流向耦合型阵风发生系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种垂向流向耦合型阵风发生系统，属于非定常空气动力学领域。本发明提供的垂向流向耦合型阵风发生系统，通过采用机翼振动机构、传动机构、电机和控制器，能够在风洞实验段产生周期性的垂向与流向耦合阵风。并且，通过调整控制参数，能够改变风洞的阻塞度及来流扰动方式，进而获得不同幅值和频率的耦合阵风信号，为阵风响应规律及阵风减缓研究提供实验环境支持。

Description

一种垂向流向耦合型阵风发生系统

技术领域

本发明涉及非定常空气动力学领域，特别是涉及一种用于风洞的垂向流向耦合型阵风发生系统。

背景技术

阵风，亦即非定常流动，是自然界中一种常见的流动现象，由阵风引起的非定常气动力会对飞行器的飞行安全造成极大威胁。为了开展相关的阵风流场模拟实验，往往需要在风洞中安装一定的机械装置以实现对流场的扰动。以往的风洞阵风发生器多通过在实验段上游安装多组振动格栅，并控制格栅有规律性地开闭，产生满足实验要求的非定常阵风流场。但该种设计具有复杂的机械结构，安装与拆卸十分复杂，且需要使用多组控制格栅的电机及同步系统，以控制机构的振动方式，在使用上具有一定的局限性。传统的振动叶栅类型的阵风发生器虽然在机械结构上略有简化，但由于叶片的安装依赖机架支撑，需要安装在风洞入口或者出口外侧，不利于在空间有限的闭口风洞中实现，为阵风响应问题的实验研究带来了不便。此外，上述方法设计的阵风发生器往往只能产生的单纯的垂向或者流向阵风环境，阵风类型较为单一。

综上所述，现有的阵风发生器存在机械结构复杂，调节机构运动方式困难，阵风特性单一等问题，整体设计尤其不利于在风洞实验段的安装与使用，不能满足阵风响应和阵风减缓理论研究对风洞阵风条件的要求。

发明内容

为解决现有技术存在的上述问题，本发明提供了一种垂向流向耦合型阵风发生系统。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种垂向流向耦合型阵风发生系统，包括：机翼振动机构、传动机构、电机和控制器；

所述传动机构的一端与所述机翼振动机构连接；所述传动机构的另一端与所述电机连接；所述控制器与所述电机电连接；所述控制器用于控制所述电机的运动方式；所述电机用于带动所述传动机构做往复运动，进而驱动所述振动机翼进行同步振动；当振动机翼进行俯仰振动时，产生周期性变化的垂向与流向耦合阵风。

优选地，所述机翼振动机构包括：振动机翼、第一安装机构和第二安装机构；

所述振动机翼的一端通过所述第一安装机构固定安装在所述传动机构上；所述振动机翼的另一端通过所述第二安装机构进行限位。

优选地，所述第一安装机构包括：主动限位轴、第一轴承座、第一滚珠轴承和平面滑动轴承；

所述主动限位轴的一端与所述振动机翼连接，所述主动限位轴的另一端依次贯穿所述平面滑动轴承、所述第一轴承座和第一滚珠轴承后与所述传动机构连接。

优选地，所述第二安装机构包括：被动限位轴、第二轴承座和第二滚珠轴承；

所述被动限位轴、所述第二轴承座和所述第二滚珠轴安装在实验风动壁面上，以限定所述振动机翼的另一端的位置。

优选地，所述振动机翼的个数至少为2。

优选地，所述振动机翼的展长与所述振动机翼的轴线所在方向的风洞实验段的尺度相等；所述振动机翼的弦长大于垂直与所述振动机翼的轴线方向的风洞实验段的尺度的20％；所述振动机翼的最大振幅状态对应的实验段气流阻塞度不小于10％；所述振动机翼的最大气流阻塞度根据拟产生的流向阵风幅值确定。

优选地，所述振动机翼的振动频率范围为0.1Hz～10Hz；所述振动机翼的振动幅值范围为4°～16°；所述振动机翼的振动参数根据拟产生的阵风流场参数确定。

优选地，所述传动机构包括：摇臂连杆、同步连杆、可调鱼眼轴承、长连杆、电机套筒转盘和曲柄固定螺丝；所述长连杆通过所述可调鱼眼轴承与所述同步连杆连接；所述电机套筒转盘通过曲柄固定螺丝与所述长连杆连接；所述电机套筒转盘固定在电机上；所述摇臂连杆的一端与所述同步连杆连接，所述摇臂连杆的另一端与所述第一安装机构连接。

优选地，还包括角度传感器和上位机；

所述角度传感器设置在所述第二安装机构上；所述角度传感器与所述上位机电连接；所述上位机用于根据所述角度传感器的检测信息得到所述振动机翼的振动幅值和振动频率。

优选地，所述控制器和所述上位机电连接；所述控制器用于根据所述上位机生成的控制信号驱动所述电机转动。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明提供的垂向流向耦合型阵风发生系统，适于安装在风洞闭口实验段，该垂向流向耦合型阵风发生系统通过调整振动机翼的弦长、振动频率、振动幅值等参数，可以改变风洞的阻塞度及来流扰动方式，获得不同的垂向、流向耦合阵风环境。振动机翼模型安装简单，可以根据实际需要更换不同尺寸和截面形状的振动机翼，实现更大的阵风参数范围。机构安装的兼容性较强，能够对振动机翼运动方式进行监测及调整，有利于对风洞中的阵风流场环境进行优化。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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的附图。

图1为本发明提供的垂向流向耦合型阵风发生系统的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的传动机构与电机间的安装示意图；

图3为本发明实施例提供的振动机翼与传动机构间的安装示意图；

图4为本发明实施例提供的振动机翼的固定安装示意图；

图5为本发明实施例提供的垂向流向耦合型阵风发生系统在风洞中的坐标系定义图；

图6本发明实施例提供的垂向流向耦合型阵风发生系统的不同y向位置垂向阵风随时间变化曲线图；

图7本发明实施例提供的垂向流向耦合型阵风发生系统的不同y向位置流向阵风随时间变化曲线图；

图8本发明实施例提供的垂向流向耦合型阵风发生系统的阵风攻角时空变化云图。

符号说明：

1-振动机翼，2-主动限位轴，3-第一轴承座，4-摇臂连杆，5-同步连杆，6-可调鱼眼轴承，7-长连杆，8-电机，9-套筒转盘，10-曲柄固定螺丝，11-角度传感器，12-被动限位轴，13-第二轴承座，14-风洞壁面，301-滚珠轴承，302-平面滑动轴承，401-同步连杆固定螺丝，402-传动轴固定螺丝，601-紧固螺母，801-传动主轴，901-轴套。

具体实施方式

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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。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。

本发明的目的是提供一种垂向流向耦合型阵风发生系统，以解决现有阵风发生器存在的机械结构复杂、调节机构运动方式困难、阵风特性单一等问题，并且，能够在风洞实验段产生周期性的垂向、流向耦合阵风，实现阵风响应和阵风减缓实验研究所需的非定常阵风环境。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1所示，本发明提供的垂向流向耦合型阵风发生系统，包括：机翼振动机构、传动机构、电机和控制器。机翼振动机构位于试验风洞内测，传动机构一端与机翼振动机构相连，传动机构另一端与电机相连接，控制器与电机进行连接。

机翼振动机构包括一对具有外形尺寸要求的振动机翼1、主动限位轴2、被动限位轴12、第一轴承座3、第二轴承座13和滚珠轴承301、平面滑动轴承302。振动机翼1与主动限位轴2和被动限位轴12固定安装，并通过滚珠轴承301和平面滑动轴承302连接第二轴承座13和第一轴承座3。

进一步的，振动机翼尺度与风洞实验段尺度相关，振动机翼展长等于其轴线方向上的风洞实验段尺度，振动机翼弦长是垂直轴线方向风洞实验段尺度的20％以上，最大振幅状态对应的实验段气流阻塞度不小于10％，最大气流阻塞度根据拟产生的流向阵风幅值确定。

进一步的，振动机翼振动频率为0.1Hz～10Hz，亦可以根据实验要求进一步增加振动频率。振动幅值为4°～16°。具体振动参数选取根据拟产生的阵风流场参数确定。

传动机构包括摇臂连杆4、同步连杆5、可调鱼眼轴承6、长连杆7、电机套筒转盘9，摇臂连杆4与主动限位轴2通过螺栓进行连接，同步连杆5与一对摇臂连杆4分别通过同步连杆固定螺丝401进行连接，并与可调鱼眼轴承6使用螺栓和卡环软连接，长连杆7两侧分别连接可调鱼眼轴承6，进而与电机套筒转盘9上的任一孔位进行软连接。通过改变两侧可调鱼眼轴承6分别旋入长连杆7的长度来精细调节振动机翼1的运动特性。

进一步的，电机套筒转盘9上设置若干个旋转半径不同的螺纹孔，带动相连接的长连杆7进行作动。电机套筒转盘9上螺纹孔的相对旋转轴的具体位置是通过仿真优化获得的，从而实现长连杆7安装于不同孔位处时，振动机翼1能够绕轴做不同幅度大小的等幅振动。

电机8上的驱动主轴801与电机套筒转盘9通过键连接，进而驱动其余传动机构。

控制器连接电机8，控制电机驱动主轴801的实际转速，并通过安装在被动限位轴12顶部的角度传感器11，对振动机翼1的实际俯仰运动频率和振动幅值进行监测，提供用于校准的实验数据。

进一步的，主动限位轴2和被动限位轴12穿过风洞壁面14的安装孔，分别与安装了滚珠轴承的轴承座13和3进行连接，通过螺丝将上下两组轴承座13和3固定于风洞外壁面上。

在电机8的驱动下，摇臂连杆4带动两个振动机翼进行有规律的同步振动。为了减少部件磨损及运行噪音，并确保机构的安全性和耐用性，振动机翼1下侧安装了平面滑动轴承302，承担振动机翼质量的同时减轻磨损问题的发生。振动机翼1可以采用金属或树脂材料进行制作，并需要进行一定的空腔处理，在强度容许范围内尽可能的减轻模型质量，从而实现较高频率的振动。由于安装过程中振动机翼1的下端易发生碰撞造成损坏，因此在模型端部处做了约3度的切角处理，在不影响总体外形的前提下减少模型发生损坏的几率。

根据实验需求，整体机构可以进行旋转，以水平或竖直进行安装，下面以振动机翼安装模式为竖直安装为例，对上述提供的垂向流向耦合型阵风发生系统的工作原理进行详细说明。

如图2所示，电机8的传动主轴801与套筒转盘9通过长为15mm的键传递切向力，带动套筒转盘9以一定角速度进行旋转。套筒转盘9上分布了多个距离旋转主轴中心距离不等的孔位，距离轴心距离越近，则对应振动机翼1的振动幅值越小，各个设计孔位对应振动机翼的振动幅值范围为4度到20度。如振动幅值范围或者安装环境发生改变，仅需对部件尺寸做细微调整，即可继续应用。与电机8相连的套筒转盘9孔位内有螺纹，可调鱼眼轴承6与套筒转盘9的螺纹孔位通过轴套901和曲柄固定螺丝10进行紧固，从而实现曲柄部分的传动。可调鱼眼轴承6与孔位的紧固使用了软连接方式，有助于在机构运行过程中的减小震动与噪声。在另一侧，可调鱼眼轴承6与同步连杆5做相同的软连接方式，同步连杆5分别与两组摇臂连杆4通过同步连杆固定螺丝401相连，摇臂连杆4与主动限位轴2之间相互嵌入限位槽，并通过传动轴固定螺丝402进行连接如图3所示，从而构成连杆传动机构，在电机8的作用下使得振动机翼1发生稳定的周期性振动。

传动机构中的长连杆7为固定长度的光杆，两侧具有内螺纹，典型螺距为1.5mm，能够与可调鱼眼轴承6进行连接，通过控制旋入的长度可以调节传动机构中连杆的整体长度。在可调鱼眼轴承6旋入长度调整至合适数值后，通过橡胶紧固螺母601对其进行紧固，使得连杆传动长度固定。操作时需要尽量保证长连杆7两侧连接的可调鱼眼轴承6互相平行。角度传感器11能够对被动限位轴12的实际偏转角度进行监测，反映振动机翼攻角的变化。当振动机翼攻角变化不对称时，可通过改变可调鱼眼轴承6在长连杆7中的旋入量进行调节，直到振动机翼的攻角变化关于0°对称，这样可以提高阵风流场品质，有利于阵风相关实验研究的开展。

实施例中电机8选用三相变频驱动电机，使用380V交流电进行驱动，其功率为2.5KW，具有恒功率调频的调速方式。控制器包括变频器和控制端，变频器的变频范围为0-50Hz。在控制器终端改变控制参数，可操纵变频器的输出信号，进而对电机转的运动状态进行控制。电机8内部齿轮减速比为5:1，传动主轴801定速旋转带动摇臂连杆4运动，驱动振动机翼1进行运动。上述设备参数可根据实验需求的不同进行一定的调整。被动限位轴12上安装有霍尔效应角度传感器11，如图4所示。传感器信号输入到采集卡中，通过计算机(即上位机)中的Labview DAQ模块对采集卡的输出信号进行处理，进而得到振动机翼偏转角度数据，实现对振动机翼实际运动的测量，获得振动机翼1的振动幅值以及频率。

在图5给定的坐标系下，风洞来流方向为x方向，阵风攻角定义为阵风来流相对于x–z平面的偏转角度，本实施案例中，原点定义在风洞底壁中心线上距离振动机翼尾缘0.9m处。

图6为自由来流速度7.3m/s，振动机翼振动幅值5.9°、振动频率4Hz时，坐标位置(0m,0m,0.24m)、(0m，-0.02m,0.24m)和(0m,0.02m,0.24m)的监测点的垂向阵风随时间的变化。图7给出了坐标位置(0m,0m,0.24m)、(0m,-0.02m,0.24m)和(0m,0.02m,0.24m)的监测点的流向阵风随时间的变化。从图中可见，不同位置上的扰动速度变化较为一致，表明耦合阵风信号具有较好的均匀性。

图8为自由来流速度7.3m/s，振动机翼振动幅值5.9°、振动频率4Hz时，流场中(0m,-0.02m,0.24m)和(0m,0.02m,0.24m)两点连线上的阵风攻角随时间变化云图。从图8中可见，y方向上的阵风攻角随时间的变化一致性良好，表明阵风来流条件在y方向上的变化规律较为稳定，阵风攻角的变化规律相同，阵风流场环境有利于开展阵风响应和阵风减缓相关实验研究。

那么，基于上述描述，本发明相对应现有技术存在以下优点：

1、本发明中的传动连杆采用了可调鱼眼轴承软连接的传动方式，在保证整体结构稳定性的前提下，提供了对机构机械传动结构进行微调的方法，增加了实验装置运动特性的精度，有利于对阵风来流实验条件进行校准和测试。

2、本发明中的传动机构位于风洞实验段之外，仅需要在已有风洞上开取相应孔位即可进行安装与使用，可以安装于实验段上下游的任意区域。部件的兼容性强，便于维护，可以根据实验环境不同对设计进行微调。机械设计传动部件简单，对实验流场的干涉相对较少，有利于实现高质量的稳定阵风实验条件。

3、本发明中的部件均可根据实验条件和要求进行独立更换。通过调整振动机翼的振动频率、振动幅值等参数，可以改变风洞的阻塞度及来流扰动方式，获得不同的垂向、流向耦合阵风环境。通过改变振动机翼的弦长和截面形状，可实现更大的阵风参数范围，满足不同类型阵风响应及阵风减缓实验的阵风风洞实验需求。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (7)

1.一种垂向流向耦合型阵风发生系统，其特征在于，包括：机翼振动机构、传动机构、电机和控制器；

所述传动机构的一端与所述机翼振动机构连接；所述传动机构的另一端与所述电机连接；所述控制器与所述电机电连接；所述控制器用于控制所述电机的运动方式；所述电机用于带动所述传动机构做往复运动，进而驱动振动机翼进行同步振动；当振动机翼进行俯仰振动时，产生周期性变化的垂向与流向耦合阵风；

所述机翼振动机构包括：振动机翼、第一安装机构和第二安装机构；

所述振动机翼的一端通过所述第一安装机构固定安装在所述传动机构上；所述振动机翼的另一端通过所述第二安装机构进行限位；

所述传动机构包括：摇臂连杆、同步连杆、可调鱼眼轴承、长连杆、电机套筒转盘和曲柄固定螺丝；所述长连杆通过所述可调鱼眼轴承与所述同步连杆连接；所述电机套筒转盘通过曲柄固定螺丝与所述长连杆连接；所述电机套筒转盘固定在电机上；所述摇臂连杆的一端与所述同步连杆连接，所述摇臂连杆的另一端与所述第一安装机构连接；

所述第一安装机构包括：主动限位轴、第一轴承座、第一滚珠轴承和平面滑动轴承；

所述主动限位轴的一端与所述振动机翼连接，所述主动限位轴的另一端依次贯穿所述平面滑动轴承、所述第一轴承座和第一滚珠轴承后与所述摇臂连杆连接。

2.根据权利要求1所述的垂向流向耦合型阵风发生系统，其特征在于，所述第二安装机构包括：被动限位轴、第二轴承座和第二滚珠轴承；

所述被动限位轴、所述第二轴承座和所述第二滚珠轴安装在实验风洞壁面上，以限定所述振动机翼的另一端的位置。

3.根据权利要求1所述的垂向流向耦合型阵风发生系统，其特征在于，所述振动机翼的个数至少为2。

4.根据权利要求1所述的垂向流向耦合型阵风发生系统，其特征在于，所述振动机翼的展长与所述振动机翼的轴线所在方向的风洞实验段的尺度相等；所述振动机翼的弦长大于垂直与所述振动机翼的轴线方向的风洞实验段的尺度的20％；所述振动机翼的最大振幅状态对应的实验段气流阻塞度不小于10％；所述振动机翼的最大气流阻塞度根据拟产生的流向阵风幅值确定。

5.根据权利要求1所述的垂向流向耦合型阵风发生系统，其特征在于，所述振动机翼的振动频率范围为0.1Hz～10Hz；所述振动机翼的振动幅值范围为4°～16°；所述振动机翼的振动参数根据拟产生的阵风流场参数确定。

6.根据权利要求1所述的垂向流向耦合型阵风发生系统，其特征在于，还包括角度传感器和上位机；

所述角度传感器设置在所述第二安装机构上；所述角度传感器与所述上位机电连接；所述上位机用于根据所述角度传感器的检测信息得到所述振动机翼的振动幅值和振动频率。

7.根据权利要求6所述的垂向流向耦合型阵风发生系统，其特征在于，所述控制器和所述上位机电连接；所述控制器用于根据所述上位机生成的控制信号驱动所述电机转动。

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