CN115326350B - 电机驱使的风洞喷流试验等效模拟装置及其应用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电机驱使的风洞喷流试验等效模拟装置及其应用方法，涉及风洞试验领域，包括：试验模型，其重心上设置有相配合的第一连接组件；固定台面，其上设置有第二连接组件；其中，所述第二连接组件上设置相配合的电机，所述电机的动力输出轴穿过第二连接组件，并朝向固定台面所在的位置；所述第一连接组件的自由端穿过固定台面，并在空间上与动力输出轴相对应；所述固定台面、第二连接组件之间设置有与第一连接组件自由端相配合的电磁离合器；所述电磁离合器、电机均被配置为与对应的控制器通信连接。本发明提供一种电机驱使的风洞喷流试验等效模拟装置及其应用方法，其结构简单，易于实施，可操作性强，适应性好。

Description

电机驱使的风洞喷流试验等效模拟装置及其应用方法

技术领域

本发明涉及风洞试验领域。更具体地说，本发明涉及一种电机驱使的风洞喷流试验等效模拟装置及其应用方法。

背景技术

现有的风洞喷流装置，通常是在风洞中设置一个可以转动的试验模型，而风洞外部设置相配合的气罐，同时在风洞内部布置多根与气罐连通，且送气位置与试验模型表面相配合的送气管，在实际的喷流试验中，在对试验模型进行喷流试验时，通过将送气管相应位置的阀门打开，其送出具有预定压力的气流将会作用于试验模型的相应位置，而试验模型在气流压力的反作用下会发生相应的转动，通过测试模块体在受力作用下的转动速率、时间等，即可得到在该位置经受相应喷流压力时，试验模型相应实验参数。

而这种风洞喷流试验的方式存在的缺点在于，在实际的试验中，我们通常需要试验模型的不同位置，所经受的不同压力的情况分别进行试验，这就使得送气管的管路布置非常复杂，且对于不同长度、不同大小、不同外部结构的试验模型来说，送气管路的适应性也达不到理想的要求。

同时，对于采用送气管路在风洞中进行喷流模拟来说，送气管路与风洞配合的密封性，管路在输送高压气体时本身所具有抗压性、密封性都很难满足试验的要求，且使用寿命短，投入成本较大。

发明内容

本发明的一个目的是解决至少上述问题和/或缺陷，并提供至少后面将说明的优点。

为了实现本发明的这些目的和其它优点，提供了一种电机驱使的风洞喷流试验等效模拟装置，包括：

试验模型，其重心上设置有相配合的第一连接组件；

固定台面，其上设置有第二连接组件；

其中，所述第二连接组件上设置相配合的电机，所述电机的动力输出轴穿过第二连接组件，并朝向固定台面所在的位置；

所述第一连接组件的自由端穿过固定台面，并在空间上与动力输出轴相对应；

所述固定台面、第二连接组件之间设置有与第一连接组件自由端相配合的电磁离合器，电磁离合器一端与第一连接组件相连，另一端与第二连接组件上的电机动力输出轴相连；

所述电磁离合器、电机均被配置为与对应的控制器通信连接。

优选的是，所述第一连接组件被配置为包括：与试验模型可拆卸连接的连接杆；

其中，所述连接杆与固定台面、第二连接组件均通过相配合的第一轴承连接。

优选的是，所述第二连接组件被配置为在空间上呈Z字形的安装臂；

所述安装臂在动力输出穿出位置上设置有相配合的第二轴承。

一种应用风洞喷流试验等效模拟装置的方法，包括：

步骤一，通过控制器控制电磁离合器处于分离状态，使得第一连接组件与第二连接组件上的电机动力输出轴分开；

步骤二，将试验模型待测点位置以及吹风压力、喷流压力、喷口面积、喉道面积分别输入至控制器中，以通过反算公式计算施加到电机的相应力矩，并将计算的力矩值输出至电机，控制电机的驱动力矩；

步骤三，通过控制器切换电磁离合器的工作状态为闭合状态，将电磁离合器两端吸合，以将第一连接组件的连接杆与动力输出轴联接，电机驱动力矩就通过电磁离合器、第一连接组件传递至试验模型，控制试验模型的旋转状态；

步骤四，设置在试验模型上的采集机构实时采集试验模型的工作状态，以得到试验模型的喷流试验参数。

优选的是，所述反算公式被配置为包括：

其中，式中A为喷口面积，p₀为喷流总压，p为喷流出口静压，

为来流静压，A_*为喷管吼道面积，r为气体常数，a为喷气口相对于连接杆的作用力臂。

本发明至少包括以下有益效果：其一，本发明通过电机驱动试验模型转动，模拟在试验模型旋转态下，突然受到喷流反作用后试验模型的状态变化，得到相应的试验参数，其相对于现有的喷流送气的模拟系统来说，具有结构简单，易于实施，可操作性强，适应性好的效果。

其二，本发明通过反算公式，得到在相应喷流压力以及不同位置下，通过对电机的驱动力矩变化试验模型可能经受的压力，通过控制电磁离合器控制电机带动与试验模型连接的连接杆转动，模拟现有喷流送气效果，以达到试验目的，其操作可行性高，精度满足试验要求。

本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。

附图说明

图1为本发明中电机驱使的风洞喷流试验等效模拟装置截面的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不配出一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。

需要说明的是，在本发明的描述中，术语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“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置有”、“套设/接”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，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发明中的具体含义。

图1示出了根据本发明的一种电机驱使的风洞喷流试验等效模拟装置的实现形式，其中包括：

试验模型1，其重心上设置有相配合的第一连接组件2，在这种结构中，试验模型可以是根据需要设置的任意设备或设备部件，第一连接组件通过螺钉与试验模型进行连接；

固定台面3，其上设置有第二连接组件4，固定台面用于对试验模型与其它部件进行物理隔离或电磁隔离，而第二连接组件用于将电机固定设置在固定台面上，同时保证电机的动力输出轴与第一连接组件具有一定的空间距离；

其中，所述第二连接组件上设置相配合的电机5，所述电机的动力输出轴50穿过第二连接组件，并朝向固定台面所在的位置，在这种结构中，所述电机用于提供旋转作用力给第一连接组件，以模拟在受力作用下试验模型的工作方式、状态的变更，在实际的应用中，电机先处于空转状态，与第一连接组件的自由端不接触，而第一连接组件在电磁离合器的双向作用下，吸合在固定台面一侧，而试验模型状态可以根据需要呈静止或旋转状态，而在进行模拟时，通过具有双向吸合功能的电磁离合器的一侧失电，一侧加电，使得第一连接组件在吸附的作用下与动力输出轴连接，以在电机的带动下做旋转运动；

所述第一连接组件的自由端穿过固定台面，并在空间上与动力输出轴相对应，通过这种结构设计，使得连接有试验模型的第一连接组件在空间上与动力输出轴相互对应，以在吸合的作用下，完成第一连接组件与动力输出轴的吸附式连接；

所述固定台面、第二连接组件之间设置有与第一连接组件自由端相配合的电磁离合器6，电磁离合器一端与第一连接组件相连，另一端与第二连接组件上的电机动力输出轴相连，电磁离合器的作用在于，对第一连接组件的位置进行切换控制，即第一连接组件与电机动力输出轴是否连接，是否可以通过动力输出轴带动试验模型进行旋转，通过电磁离合器来实现切换，而在实际的应用中，电磁离合器可以设置成具有双向功能的一个电磁离合器，也可以是两个单向的电磁离合器进行组合使用；

所述电磁离合器、电机均被配置为与对应的控制器（未示出）通信连接，控制器的作用在于控制电磁离合器、电机的工作状态。电磁离合器具有双向的吸附力，故可以控制第一连接组件吸附的方向，进而可以控制电机是否施加给第一连接组件以作用力，在实际的应用到风洞中时，图1的方向应逆时针旋转90°，即使固定台面为竖直方向放置，以保证与风洞现有结构以及试验的配合度。

所述第一连接组件被配置为包括：与试验模型可拆卸连接的连接杆20，其用于以试验模型进行连接，连接杆在与试验模型相配合的一侧设置有弧形连接板，以通过螺钉将连接板与待测试验模型进行快速连接；

其中，所述连接杆与固定台面通过相配合的第一轴承21连接，通过轴承的设置，保证设备连接的稳定性，同时不影响试验模型的转动；

所述第二连接组件被配置为在空间上呈Z字形的安装臂，其用于提供给电机一个相应的高度安装空间，以使电机的动力输出轴与第一连接组件的自由端之间具有足够的空间可以施加相应的作用力完成连接与分离的切换；

所述安装臂在动力输出穿出位置上设置有相配合的第二轴承40，其用于减小动力输出轴旋转的干涉性，在实际的应用中，第一连接组件的自由端、以及动力输出轴上都可以设置与电磁离合器相配合以便于吸合连接的固定板，而固定板与固定台面、第二连接组件相配合的端面上可以设置相配合的第三轴承，以减小其干涉，保证其旋转的顺畅度。

一种应用风洞喷流试验等效模拟装置的方法，包括：

步骤一，通过控制器控制电磁离合器处于分离状态，使得第一连接组件与第二连接组件上的电机动力输出轴分开；

步骤二，将试验模型待测点位置以及吹风压力、喷流压力、喷口面积、喉道面积分别输入至控制器中，以通过反算公式计算施加到电机的相应力矩，并将计算的力矩值输出至电机，控制电机的驱动力矩；

步骤三，通过控制器切换电磁离合器的工作状态为闭合状态，将电磁离合器两端吸合，以将第一连接组件的连接杆与动力输出轴联接，电机驱动力矩就通过电磁离合器、第一连接组件传递至试验模型，控制试验模型的旋转状态；

步骤四，设置在试验模型上的采集机构实时采集试验模型的工作状态，以得到试验模型的喷流试验参数。在本方案中，初始状态下，受电磁离合器的作用，第一连接组件与固定台面吸附固定，保证试验模型的结构稳定性，同时第一连接组件与工作台面的第一轴承保证其转动不受限定，而电机当前也处于空转状态；

在试验时，先通过反算公式计算喷流施加在试验模型上的压力所对应的力矩值，再将力矩值转换成对的电机功率控制信号，控制电机的旋转速率，然后在电磁离合器工作状态切换时，将带试验模型的第一连接组件吸合在动力输出轴上，采用电机带动试验模型作旋转动作，模拟试验模型受力喷流作用后的旋转状态变换，完成试验。

如图1，在现有的风洞试验条件下，设喷气口10喷出气体产生的力大小为F，喷气口相对于安装模拟实验体旋转轴（也称为连接杆）的作用力臂为a，喷气作用效果相当于对旋转轴产生旋转力矩大小为F·a的驱动力矩。

采用等效装置后，电机采用力矩模式输出的伺服电机按照驱动力矩Mz=F·a时，伺服电机即产生与喷气相同的作用效果。

而基于公式一：

(1)

可得电机的驱动力矩反算公式：

其中，A为喷口面积，p₀为喷流总压，p为喷流出口静压，

为来流静压，A_*为喷管吼道面积，r为气体常数。

通过这种方式，可以根据实际的喷流试验需要，对电机的输出力矩参数进行设置，以使其不同工况下的试验相配合，具有更好的适配度，风洞内部不需要设置复杂的喷流管路，结构更为简单，可操作性更强。

另外，还可以通过本发明可以反向指导喷流设计，通过调整电机驱动力矩参数，使模型旋转角度、角速度等参数达到预期值，再根据驱动力矩反向推算喷流压力、喷口面积等参数。

以上方案只是一种较佳实例的说明，但并不局限于此。在实施本发明时，可以根据使用者需求进行适当的替换和/或修改。

这里说明的设备数量和处理规模是用来简化本发明的说明的。对本发明的应用、修改和变化对本领域的技术人员来说是显而易见的。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用。它完全可以被适用于各种适合本发明的领域。对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改。因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (3)

1.一种电机驱使的风洞喷流试验等效模拟装置，其特征在于，包括：

试验模型，其重心上设置有相配合的第一连接组件；

固定台面，其上设置有第二连接组件；

其中，所述第二连接组件上设置相配合的电机，所述电机的动力输出轴穿过第二连接组件，并朝向固定台面所在的位置；

所述第一连接组件的自由端穿过固定台面，并在空间上与动力输出轴相对应；

所述固定台面、第二连接组件之间设置有与第一连接组件自由端相配合的电磁离合器，电磁离合器一端与第一连接组件相连，另一端与第二连接组件上的电机动力输出轴相连；

所述电磁离合器、电机均被配置为与对应的控制器通信连接；

所述第一连接组件被配置为包括：

与试验模型可拆卸连接的连接杆；

所述连接杆与固定台面通过相配合的第一轴承连接；

所述第二连接组件被配置为在空间上呈Z字形的安装臂；

所述安装臂在动力输出穿出位置上设置有相配合的第二轴承；

通过控制器控制电磁离合器处于分离或闭合状态，进而使得第一连接组件与第二连接组件上的电机动力输出轴分开或联接，以控制试验模型的旋转状态。

2.一种如权利要求1所述电机驱使的风洞喷流试验等效模拟装置的应用方法，其特征在于，包括：

步骤一，通过控制器控制电磁离合器处于分离状态，使得第一连接组件与第二连接组件上的电机动力输出轴分开；

步骤二，将试验模型待测点位置以及吹风压力、喷流压力、喷口面积、喉道面积分别输入至控制器中，以通过反算公式计算施加到电机的相应力矩，并将计算的力矩值输出至电机，控制电机的驱动力矩；

步骤三，通过控制器切换电磁离合器的工作状态为闭合状态，将电磁离合器两端吸合，以将第一连接组件的连接杆与动力输出轴联接，电机驱动力矩就通过电磁离合器、第一连接组件传递至试验模型，控制试验模型的旋转状态；

步骤四，设置在试验模型上的采集机构实时采集试验模型的工作状态，以得到试验模型的喷流试验参数。

3.如权利要求2所述电机驱使的风洞喷流试验等效模拟装置的应用方法，其特征在于，所述反算公式被配置为包括：

其中，式中A为喷口面积，p₀为喷流总压，p为喷流出口静压，p_∞为来流静压，A_*为喷管吼道面积，r为气体常数，a为喷气口相对于连接杆的作用力臂。

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