CN115524092A - 一种基于等离子体激励的风洞阵风发生装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于等离子体激励的风洞阵风发生装置和方法，装置包括设置在风洞实验段入口的多个阵风发生单元；多个所述阵风发生单元采用等离子体激励射流发生器在所述风洞中产生幅值、频率和形式可控的阵风扰动。本发明基于等离子体激励实现较大范围均匀的阵风模拟，相较于机械摆动机翼，本发明的装置响应速度快，可达到机械摆动机翼阵风响应时间的1/20，并且由于取消了摆动机构，对装置的刚度和对风洞洞体结构改造要求大大降低；相较于喷流副翼，本发明不需要额外的气源，结构简单、维护方便，同时由于采用纯电驱动的方式，运行稳定，便于控制。

Description

一种基于等离子体激励的风洞阵风发生装置和方法
技术领域
本发明属于风洞实验技术领域，具体涉及一种基于等离子体激励的风洞阵风发生装置和方法。
背景技术
对于大展弦比飞机，特别是运输机或民航客机，在飞行中遭遇阵风和大气紊流干扰时，确定其阵风载荷对确保飞行安全具有重要意义，适航标准中也对阵风载荷和响应提出了严格要求；另外大自然中非定常气流也占主导作用，风工程领域经常需要研究阵风/突风对建筑物的影响。这些都需要依靠风洞阵风模拟系统的发展建设，形成具备阵风影响和减弱阵风影响研究的实验条件。
目前常采用的阵风发生装置主要包含以下几种，机械摆动机翼、喷流副翼和独立小翼段。其中机械摆动机翼的结构简单易于实现，能够实现较大范围的阵风模拟，但由于跨度大和高频摆动，对机构有较高的刚度和动力要求；喷流副翼的控制则较为简单，但是由于需要高压气流和复杂的内流道，维护不便，同时难以在垂直方向上有效模拟阵风；而对于独立小翼段，其对流场的阻塞度影响最小，但是对阵风的模拟范围也最小，同时由于翼段靠近洞壁，会有较大的洞壁干扰，影响模拟能力。
发明内容
为了克服现有阵风发生装置存在的局限，本发明提供了一种基于等离子体激励的风洞阵风发生装置。本发明基于等离子体激励实现较大范围均匀的阵风模拟。
本发明通过下述技术方案实现：
一种基于等离子体激励的风洞阵风发生装置，包括设置在风洞实验段入口的多个阵风发生单元；
多个所述阵风发生单元采用等离子体激励射流发生器在风洞中产生幅值、频率和形式可控的阵风扰动。
作为优选实施方式，本发明的阵风发生单元包括机翼、等离子体激励射流发生器、电源和函数发生器；
其中，所述机翼靠近尾缘位置的上表面和下表面分别设置一个等离子体激励射流发生器；
所述等离子体激励射流发生器由各自的电源加载高压电，所述高压电的峰峰值为5kV~20kV；
所述函数发生器输出不同波形的驱动信号，用于实现所述等离子体激励射流发生器加载的电源波形、幅值、频率和相位可控。
作为优选实施方式，本发明的等离子体激励射流发生器包括依次层叠设置的高压电极、绝缘介质层和低压电极；
所述高压电极与所述电源的高压输出端电连接，所述低压电极与所述电源的低压输出端电连接同时接地。
作为优选实施方式，本发明的高压电极和低压电极的材料为铜箔；
所述绝缘介质层的材料为聚酰亚胺薄膜。
作为优选实施方式，本发明的机翼固定在风洞实验段入口，所述机翼的尾缘为圆形或椭圆形型面。
作为优选实施方式，本发明的电源为交流电源或纳秒脉冲电源。
作为优选实施方式，本发明的函数发生器能够输出正弦波、三角波或锯齿波。
第二方面，本发明提出了基于上述风洞阵风发生装置的实验方法，包括：
风洞流场稳定后，对函数发生器进行初始化设置；
同步开启所述机翼上表面和下表面的等离子体激励射流发生器；
当机翼上表面的等离子体激励射流发生器加载电压大于下表面的等离子体激励射流发生器加载电压时，产生斜指向下洞壁的射流，电压差越大斜向角度越大；
当机翼上表面的等离子体激励射流发生器加载电压等于下表面的等离子体激励射流发生器加载电压时，产生从所述机翼尾缘中部出发的顺流向射流；
当机翼上表面的等离子体激励射流发生器加载电压小于下表面的等离子体激励射流发生器加载电压时，产生斜指向上洞壁的射流，电压差越大斜向角度越大。
作为优选实施方式，本发明的函数发生器的初始化设置包括函数发生器的输出波形形式、幅值、频率和相位的设置。
作为优选实施方式，本发明中与所述机翼上表面的等离子体激励射流发生器连接的函数发生器输出的波形和与所述机翼下表面的等离子体激励射流发生器连接的函数发生器输出的波形相位差为1/2T，T为信号周期。
本发明具有如下的优点和有益效果：
本发明通过函数发生器控制等离子体激励射流发生器供电电压波形形式、幅值、频率以及相位，能够实现对风洞实验中阵风形式（正弦、三角、锯齿等）、最大风速、摆动频率的调控，所形成的阵风发生装置可以为飞行器或建筑物等物体的阵风影响或阵风影响抑制实验提供支撑。
相较于机械摆动机翼，本发明的装置响应速度快，可达到机械摆动机翼阵风响应时间的1/20，并且由于取消了摆动机构，对装置的刚度和对风洞洞体结构改造要求大大降低；相较于喷流副翼，本发明不需要额外的气源，结构简单、维护方便，同时由于采用纯电驱动的方式，运行稳定，便于控制。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1为本发明实施例的装置整体结构示意图。
图2为本发明实施例的阵风发生单元结构示意图。
图3为本发明实施例的等离子体激励射流发生器结构示意图。
图4为本发明实施例的上翼面射流发生器加载电压大于下翼面射流发生器加载电压时产生的射流示意图。
图5为本发明实施例的上翼面射流发生器加载电压等于下翼面射流发生器加载电压时产生的射流示意图。
图6为本发明实施例的上翼面射流发生器加载电压小于下翼面射流发生器加载电压时产生的射流示意图。
附图中标记及对应的零部件名称：
1 风洞，2 阵风发生单元，2-1 机翼，2-2 上翼面等离子体激励射流发生器，2-2-1上翼面高压电极，2-2-2 上翼面绝缘介质层，2-2-3 上翼面低压电极，2-3 下翼面等离子体激励射流发生器，2-3-1 下翼面高压电极，2-3-2 下翼面绝缘介质层，2-3-3 下翼面低压电极。
具体实施方式
在下文中，可在本发明的各种实施例中使用的术语“包括”或“可包括”指示所发明的功能、操作或元件的存在，并且不限制一个或更多个功能、操作或元件的增加。此外，如在本发明的各种实施例中所使用，术语“包括”、“具有”及其同源词仅意在表示特定特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合，并且不应被理解为首先排除一个或更多个其它特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的存在或增加一个或更多个特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的可能性。
在本发明的各种实施例中，表述“或”或“A或/和B中的至少一个”包括同时列出的文字的任何组合或所有组合。例如，表述“A或B”或“A或/和B中的至少一个”可包括A、可包括B或可包括A和B二者。
在本发明的各种实施例中使用的表述(诸如“第一”、“第二”等)可修饰在各种实施例中的各种组成元件，不过可不限制相应组成元件。例如，以上表述并不限制所述元件的顺序和/或重要性。以上表述仅用于将一个元件与其它元件区别开的目的。例如，第一用户装置和第二用户装置指示不同用户装置，尽管二者都是用户装置。例如，在不脱离本发明的各种实施例的范围的情况下，第一元件可被称为第二元件，同样地，第二元件也可被称为第一元件。
应注意到：如果描述将一个组成元件“连接”到另一组成元件，则可将第一组成元件直接连接到第二组成元件，并且可在第一组成元件和第二组成元件之间“连接”第三组成元件。相反地，当将一个组成元件“直接连接”到另一组成元件时，可理解为在第一组成元件和第二组成元件之间不存在第三组成元件。
在本发明的各种实施例中使用的术语仅用于描述特定实施例的目的并且并非意在限制本发明的各种实施例。如在此所使用，单数形式意在也包括复数形式，除非上下文清楚地另有指示。除非另有限定，否则在这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明的各种实施例所属领域普通技术人员通常理解的含义相同的含义。所述术语(诸如在一般使用的词典中限定的术语)将被解释为具有与在相关技术领域中的语境含义相同的含义并且将不被解释为具有理想化的含义或过于正式的含义，除非在本发明的各种实施例中被清楚地限定。
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例
本实施例提供了一种基于等离子体激励的风洞阵风发生装置，该装置能够在风洞中产生幅值、频率及形式可控的阵风扰动，满足飞行器或建筑物风洞实验对阵风模拟的需求。
如图1所示，本实施例的装置包括设置在风洞1实验段入口的多个阵风发生单元2。多个阵风发生单元2在风洞中产生幅值、频率和形式可控的阵风扰动，以进行风洞实验用。
如图2所示，阵风发生单元2包括机翼2-1、分别设置在机翼2-1上、下表面上且靠近尾缘的位置的上翼面等离子体激励射流发生器2-2和下翼面等离子体激励射流发生器2-3、以及电源和函数发生器（电源和函数发生器在图2中未示出）。机翼2-1固定在风洞实验段入口，机翼2-1尾缘为圆形或椭圆形型面。
其中，上翼面等离子体激励射流发生器2-2和下翼面等离子体激励射流发生器2-3分别由各自的电源和函数发生器共同作用，实现等离子体激励射流发生器加载的电源波形、幅值、频率、相位可控。
上翼面等离子体激励射流发生器2-2和下翼面等离子体激励射流发生器2-3采用的相同结构的等离子体激励射流发生器，其包括高压电极、低压电极和绝缘介质层，且高压电极、绝缘介质层和低压电极依次层叠设置。如图3所示，上翼面等离子体激励射流发生器2-2包括依次层叠设置的上翼面高压电极2-2-1、上翼面绝缘介质层2-2-2和上翼面低压电极2-2-3；下翼面等离子体激励射流发生器2-3包括依次层叠设置的下翼面高压电极2-3-1、下翼面绝缘介质层2-3-2和下翼面低压电极2-3-3。优选的，本实施例的电极材料为铜箔，绝缘介质层材料为聚酰亚胺薄膜。
上翼面等离子体激励射流发生器2-2和下翼面等离子体激励射流发生器2-3分别由各自的电源提供峰峰值为5kV~20kV的高压电，电源可采用但不限于交流电源或纳秒脉冲电源，图3中以交流电源（AC）为例进行说明，但不对此进行限定。
电源的高压输出端与等离子体激励射流发生器的高压电极电连接，电源的低压输出端与等离子体激励射流发生器的低压电极电连接同时接地。
上翼面等离子体激励射流发生器2-2和下翼面等离子体激励射流发生器2-3的电源输入端分别与各自的函数发生器连接，函数发生器能够多通道输出不同波形的驱动信号，例如正弦波、三角波、锯齿波等连续波形，用于实现等离子体激励射流发生器加载的电源波形、幅值、频率、相位可控。
本发明实施例提出的风洞阵风发生装置工作原理为：
等离子体激励射流发生器通过在上、下两层电极（即高压电极和低压电极）间加载高频高压电，能够在绝缘介质层上方产生强大电场，其电离空气产生等离子体，等离子体在电场作用下产生定向运动，并与中性空气分子不断碰撞传递动能，从而在绝缘介质层上方产生从高压电极指向低压电极的切向射流，射流到达尾缘后，由于柯恩达效应会附着在尾缘型面上发生偏转，上翼面射流和下翼面射流在柯恩达型面上相遇最终形成射流，通过控制加载在上翼面等离子体激励射流发生器和下翼面等离子体激励射流发生器的电压差和电压幅值，能够控制射流的方向和强度，通过控制加载在上翼面等离子体激励射流发生器和下翼面等离子体激励射流发生器的电压波形，能够控制阵风形式，例如可产生正弦、三角、锯齿形的阵风。
本发明实施例提出的阵风发生装置工作过程为：
步骤一，风洞流场稳定后，设置函数发生器的输出波形，包括波形形式、幅值、频率和相位，函数发生器的2个通道分别连接电源驱动模块，从而控制电源在等离子体射流发生器上施加电压。与上翼面等离子体激励射流发生器和下翼面等离子体激励射流发生器连接的函数发生器输出的波形相差1/2T的相位，T为信号周期。
步骤二，同步开启上翼面等离子体激励射流发生器和下翼面等离子体激励射流发生器。
步骤三，当上翼面等离子体激励射流发生器加载电压U 1 大于下翼面等离子激励射流发生器加载电压U 2 时，能够产生斜向下洞壁的射流，电压差越大斜向角度越大，如图4所示。
步骤四，当上翼面等离子体激励射流发生器加载电压U 1 等于下翼面等离子激励射流发生器记载电压U 2 时，能够产生从机翼尾缘中部出发的顺流向射流，如图5所示。
步骤五，等离子体激励射流发生器加载电压U 1 小于下翼面等离子激励射流发生器记载电压U 2 时，能够产生斜向上洞壁的射流，电压差越大斜向角度越大，如图6所示。
通过重复步骤三-步骤五，从而在风洞流场中引入周期性摆动的阵风，阵风摆动形式与函数发生器的输出波形有关，可以产生正弦、三角、锯齿等形式的阵风，阵风的幅值和摆动频率可控。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于等离子体激励的风洞阵风发生装置，其特征在于，包括设置在风洞实验段入口的多个阵风发生单元；
多个所述阵风发生单元采用等离子体激励射流发生器在风洞中产生幅值、频率和形式可控的阵风扰动。
2.根据权利要求1所述的一种基于等离子体激励的风洞阵风发生装置，其特征在于，所述阵风发生单元包括机翼、等离子体激励射流发生器、电源和函数发生器；
其中，所述机翼靠近尾缘位置的上表面和下表面分别设置一个等离子体激励射流发生器；
所述等离子体激励射流发生器由各自的电源加载高压电，所述高压电的峰峰值为5kV~20kV；
所述函数发生器输出不同波形的驱动信号，用于实现所述等离子体激励射流发生器加载的电源波形、幅值、频率和相位可控。
3.根据权利要求2所述的一种基于等离子体激励的风洞阵风发生装置，其特征在于，所述等离子体激励射流发生器包括依次层叠设置的高压电极、绝缘介质层和低压电极；
所述高压电极与所述电源的高压输出端电连接，所述低压电极与所述电源的低压输出端电连接同时接地。
4.根据权利要求3所述的一种基于等离子体激励的风洞阵风发生装置，其特征在于，所述高压电极和低压电极的材料为铜箔；
所述绝缘介质层的材料为聚酰亚胺薄膜。
5.根据权利要求2所述的一种基于等离子体激励的风洞阵风发生装置，其特征在于，所述机翼固定在风洞实验段入口，所述机翼的尾缘为圆形或椭圆形型面。
6.根据权利要求2所述的一种基于等离子体激励的风洞阵风发生装置，其特征在于，所述电源为交流电源或纳秒脉冲电源。
7.根据权利要求2所述的一种基于等离子体激励的风洞阵风发生装置，其特征在于，所述函数发生器能够输出正弦波、三角波或锯齿波。
8.基于权利要求2-7任一项所述的一种基于等离子体激励的风洞阵风发生装置的实验方法，其特征在于，包括：
风洞流场稳定后，对函数发生器进行初始化设置；
同步开启所述机翼上表面和下表面的等离子体激励射流发生器；
当机翼上表面的等离子体激励射流发生器加载电压大于下表面的等离子体激励射流发生器加载电压时，产生斜指向下洞壁的射流，电压差越大斜向角度越大；
当机翼上表面的等离子体激励射流发生器加载电压等于下表面的等离子体激励射流发生器加载电压时，产生从所述机翼尾缘中部出发的顺流向射流；
当机翼上表面的等离子体激励射流发生器加载电压小于下表面的等离子体激励射流发生器加载电压时，产生斜指向上洞壁的射流，电压差越大斜向角度越大。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述函数发生器的初始化设置包括函数发生器的输出波形形式、幅值、频率和相位的设置。
10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，与所述机翼上表面的等离子体激励射流发生器连接的函数发生器输出的波形和与所述机翼下表面的等离子体激励射流发生器连接的函数发生器输出的波形相位差为1/2T，T为信号周期。
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