CN114838902B - 一种基于合成射流的小型湍流风洞 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于合成射流的小型湍流风洞，包括扩散段、稳定段、收缩段、湍流生成段和实验段，其中，所述湍流生成段为矩形截面的管道，管道四周各安装一个合成射流发生装置，以生成湍流，所述合成射流发生装置包括合成射流激励器、合成射流腔体和孔板，其中，所述合成射流激励器和所述孔板分别密封连接于所述合成射流腔体的两端，所述孔板具有合成射流出口孔，所述合成射流出口孔通向所述湍流生成段。本发明将合成射流装置应用在小型风洞中，用合成射流输入至系统的能量使主气流产生强烈的横向扰动，进而形成湍流，可用于小尺度下的空气动力学研究，特别地，可以满足研究两相流中气动阻力和湍流脉动对离散相作用的需求。

Description

一种基于合成射流的小型湍流风洞

技术领域

本发明属于风洞实验装置领域，具体地涉及一种基于合成射流的小型湍流风洞。

背景技术

湍流本质上十分复杂，为发展湍流的相关理论、研究湍流的气动作用，在实验研究中，各向同性的均匀湍流是一种理想对象。产生湍流的方法可分为被动方法和主动方法两类。被动方法包括静态格栅、尖劈粗糙元等；主动方法包括调速风扇阵列、振动尖劈、动态格栅等。一般来说，主动方法有外部能量输入系统而能够产生较高强度的湍流，并且控制方式较为灵活，因此常被应用在湍流风洞中。

如公开号CN105910793A的发明专利公开了一种可增强大气边界层风洞湍流度的主动型振动格栅，通过电机驱动，使得格栅在风洞中发生可控振动，来流气流穿过该格栅后，气流由于受到格栅的阻塞作用而提高了湍流强度。但该主动型振动格栅的缺点是格栅变化参数较多，设计、使用、调节较为复杂；产生的湍流强度和湍流耗散率相对较小，无法进行湍流两相流相关研究。

有学者在期刊“Hoffman,D.W.,Eaton,J.K.Isotropic turbulence apparatuswith a large vertical extent.Exp Fluids 62,209(2021).https://doi.org/10.1007/s00348-021-03311-7”中曾提出过一种装置，在八棱柱形状的腔体外侧安装四列合成射流阵列，可产生封闭腔体内较为均匀且各向同性的湍流场，湍流强度和湍流耗散率也较大。但该装置产生的是封闭腔内的湍流场，无法进行两相流中气动阻力和湍流脉动对离散相作用的研究。

发明内容

本发明旨在提供一种基于合成射流的小型湍流风洞，以解决上述问题。为此，本发明采用的具体技术方案如下：

一种基于合成射流的小型湍流风洞，包括扩散段、稳定段、收缩段、湍流生成段和实验段，其中，所述湍流生成段为矩形截面的管道，四周各安装一个合成射流发生装置，以生成湍流，所述合成射流发生装置包括合成射流激励器、合成射流腔体和孔板，其中，所述合成射流激励器和所述孔板分别密封连接于所述合成射流腔体的两端，所述孔板具有合成射流出口孔，所述合成射流出口孔通向所述湍流生成段。

进一步地，所述合成射流激励器为扬声器。

进一步地，所述扬声器通过第一密封垫圈和第一法兰盘与所述合成射流腔体密封连接，并且所述合成射流腔体通过第二密封垫圈和第二法兰盘与所述孔板密封连接。

进一步地，所述合成射流发生装置还包括信号发生器和功率放大器，所述信号发生器产生信号，所述信号经过所述功率放大器放大之后输送至所述扬声器。

进一步地，所述孔板可更换。

进一步地，所述扩散段、稳定段、收缩段、湍流生成段和实验段均为内壁光滑且两端开口的结构。

进一步地，所述扩散段从上游进口至下游出口逐渐扩张，进口是圆形截面，用于连接气路管道；出口是矩形截面，与所述稳定段连接。

进一步地，所述稳定段内部设有用于整流的蜂窝网。

进一步地，所述收缩段从上游进口至下游出口逐渐收缩。

本发明采用上述技术方案，具有的有益效果是：本发明将合成射流装置应用在小型风洞中，用合成射流输入至系统的能量使主气流产生强烈的横向扰动，进而形成湍流，可以满足研究两相流中气动阻力和湍流脉动对离散相作用的需求。

附图说明

为进一步说明各实施例，本发明提供有附图。这些附图为本发明揭露内容的一部分，其主要用以说明实施例，并可配合说明书的相关描述来解释实施例的运作原理。配合参考这些内容，本领域普通技术人员应能理解其他可能的实施方式以及本发明的优点。图中的组件并未按比例绘制，而类似的组件符号通常用来表示类似的组件。

图1为本发明的一种基于合成射流的小型湍流风洞的结构示意图；

图2为图1所示的基于合成射流的小型湍流风洞的合成射流发生装置的爆炸视图；

图3为图1所示的基于合成射流的小型湍流风洞的合成射流发生装置的剖视图。

附图标记：1、扩散段；2、稳定段；3、收缩段；4、湍流生成段；5、实验段；6、合成射流发生装置；7、气路管道；61、扬声器；611、扬声器膜片；62、第一密封垫圈；63、第一法兰盘；64、合成射流腔体；65、第二法兰盘；66、第二密封垫圈；67、孔板；671、合成射流出口孔。

具体实施方式

需要说明的是，下述实施方案中所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法，所述试剂和材料，如无特殊说明，均可从商业途径获得；在本申请的描述中，术语“横向”、“纵向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，并不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“水平”、“竖直”、“悬垂”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本申请的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

现结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。

如图1-3所示，一种基于合成射流的小型湍流风洞可包括扩散段1、稳定段2、收缩段3、湍流生成段4和实验段5。各段之间通过相应法兰密封连接，以方便拆装。应该理解，各段之间也可以直接焊接在一起。其中，扩散段1为内壁光滑且两端开口的结构，从上游进口至下游出口逐渐扩张；其进口是圆形截面，用以连接气路管道7；以及出口是矩形截面，与稳定段2连接。稳定段2为内壁光滑且两端开口的结构，其内部设有蜂窝网用于整流。收缩段3为内壁光滑且两端开口的结构，从上游进口至下游出口逐渐收缩。湍流生成段4为内壁光滑且两端开口的结构，即湍流生成段4为矩形截面的管道，四周各安装一个合成射流发生装置6。此处主气流受合成射流发生装置6影响形成湍流。实验段5为内壁光滑且两端开口的结构，此处湍流场趋于均匀稳定，可用于小尺度下的空气动力学相关研究。

在一具体实施例中，扩散段1的长度为250mm，其进口的直径为25mm，以及出口为边长160mm的正方形；稳定段2的长度200mm，其通道截面为边长160mm的正方形；收缩段3的长度为240mm，其出口为边长80mm的正方形；湍流生成段4的长度200mm，其截面为边长80mm的正方形；以及实验段5的长度600mm，其截面为边长80mm的正方形。

在所示实施例中，本风洞是左右布置的，应该理解，本风洞也可以采用上下布置。

具体地，合成射流发生装置6包括扬声器61、合成射流腔体64和孔板67。扬声器61作为合成射流激励器，通过扬声器膜片611的周期性振动产生合成射流。扬声器61通过第一密封垫圈62和第一法兰盘63与合成射流腔体64实现密封连接，合成射流腔体64通过第二法兰盘65和第二密封垫圈66与孔板67实现密封连接。即，合成射流腔体64、扬声器61和孔板67形成一合成射流腔，扬声器膜片611的周期性振动使该腔内的压力发生周期性变化，气体不断地被吸入腔体和排出腔体，形成合成射流。孔板67上有一合成射流出口孔671，气体从此处进入腔体和排出腔体。由于合成射流出口孔671的直径较小，气体从该孔进入湍流生成段4之后将具有较大的动能，与主气流作用之后将形成较高强度的湍流。

主气流经过气路管道7从扩散段1进入，再经过稳定段2、收缩段3，在湍流生成段4中受合成射流发生装置6的影响，转变为较高强度的湍流，随后进入实验段5并趋于均匀稳定。合成射流发生装置6工作时，首先由信号发生器产生信号(例如，正弦波)，信号经过功率放大器放大之后输送至扬声器61，扬声器膜片611开始振动。对于安装在湍流生成段4上部的合成射流发生装置6，当扬声器膜片611向上振动，外界气流从孔板67中的合成射流出口孔671被吸入合成射流腔体64；当扬声器膜片611向下振动，合成射流腔体64内的气流从孔板67中的合成射流出口孔671进入到湍流生成段4中。随着扬声器膜片611的周期性振动，合成射流腔体64中的压力周期性变化，气流也随之周期性地被吸入和排出，同时由于合成射流出口孔671直径较小，通过该孔进入湍流生成段4的气流具有较大的动能，即为合成射流。它与主气流方向垂直，两者将会产生较强烈的相互作用，从而形成强度较高的湍流。

调节信号发生器输出信号的频率，可使得合成射流发生装置6达到共振频率，通过合成射流出口孔671进入到湍流生成段4中的气流速度将达到最大值。

孔板67可拆卸更换，通过改变合成射流出口孔671的直径大小，可调节合成射流强度，从而调节湍流强度。

优选地，合成射流腔体64和孔板67可以由亚克力材料制成，以降低成本。

合成射流激励器有很多种类型可以选择，本发明选择的是扬声器，因为扬声器成本较低且已经能满足本发明的要求，除此之外还可以选择压电膜振动式激励器、活塞振动式激励器、聚偏二氟乙烯膜振动式激励器等。

本发明中在湍流生成段四周各安装了一个较大功率的合成射流发生装置，除此之外还可以安装小型的合成射流阵列，以生成湍流。

本发明采用合成射流作为驱动来产生湍流，合成射流装置结构简单，激励器为市面上可直接购买的扬声器，整体加工较为简单经济。另外，合成射流装置通过调节输入信号频率、功率放大倍数和合成射流出口直径来调节湍流强度，调节手段较为方便。合成射流伴随着较大的能量，能够形成湍流强度和湍流耗散率较大的湍流，可以达到湍流两相流研究的要求。

本发明将合成射流装置应用在小型风洞中，产生具有主流速度的湍流，该风洞可用于小尺度下的空气动力学研究，特别地，可用于两相流中气动阻力和湍流脉动对离散相作用的研究。

尽管结合优选实施方案具体展示和介绍了本发明，但所属领域的技术人员应该明白，在不脱离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围内，在形式上和细节上可以对本发明做出各种变化，均为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于合成射流的小型湍流风洞，包括扩散段、稳定段、收缩段、湍流生成段和实验段，其特征在于，所述小型湍流风洞用于两相流中气动阻力和湍流脉动对离散相作用的研究，其中，所述湍流生成段为长度200mm，边长80mm的方形截面的管道，四周各安装一个合成射流发生装置，以生成具有主流速度的湍流，所述实验段的长度为600mm，两端开口并且横截面为边长80mm的正方形，所述合成射流发生装置包括合成射流激励器、合成射流腔体和孔板，其中所述合成射流激励器和所述孔板分别密封连接于所述合成射流腔体的两端，所述合成射流腔体为圆筒状，所述孔板具有合成射流出口孔，所述合成射流出口孔为圆孔并通向所述湍流生成段,所述合成射流激励器为扬声器，所述合成射流发生装置还包括信号发生器和功率放大器，所述信号发生器产生信号，信号经过所述功率放大器放大之后输送至所述扬声器；调节所述信号发生器的输出信号的频率，使得所述合成射流发生装置达到共振频率，通过所述合成射流出口孔进入到所述湍流生成段中的气流速度将达到最大值。

2.如权利要求1所述的小型湍流风洞，其特征在于，所述扬声器通过第一密封垫圈和第一法兰盘与所述合成射流腔体密封连接，并且所述合成射流腔体通过第二密封垫圈和第二法兰盘与所述孔板密封连接。

3.如权利要求1所述的小型湍流风洞，其特征在于，所述孔板可更换。

4.如权利要求1所述的小型湍流风洞，其特征在于，所述合成射流腔体和所述孔板由亚克力材料制成。

5.如权利要求1所述的小型湍流风洞，其特征在于，所述扩散段、稳定段、收缩段、湍流生成段和实验段均为内壁光滑且两端开口的结构，各段之间通过法兰密封连接。

6.如权利要求5所述的小型湍流风洞，其特征在于，所述扩散段的上游进口是圆形截面，用于连接气路管道；以及所述扩散段的下游出口是矩形截面，与所述稳定段连接。

7.如权利要求5所述的小型湍流风洞，其特征在于，所述稳定段内部设有用于整流的蜂窝网。

8.如权利要求5所述的小型湍流风洞，其特征在于，所述收缩段从上游进口至下游出口逐渐收缩，并且截面均为矩形。

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