CN116358825A - 一种连续式风洞马赫数微调机构及调节方法 - Google Patents

Abstract

一种连续式风洞马赫数微调机构及调节方法，属于航空气动力试验技术领域。本发明解决了现有的第二喉道结构难以同时满足亚声速、跨声速和超声速三速域需求的问题。本发明包括风洞结构框架和风洞驻室，风洞结构框架与风洞驻室连接，风洞结构框架内对称设置有前缘再入可调唇口、前调节板、中间调节板和后尾延板，对称布置的前调节板、中间调节板和后尾延板通过壁板连接并形成流道，前缘再入可调唇口、前调节板、中间调节板和后尾延板顺次通过伸缩驱动机构铰接。本发明的一种连续式风洞马赫数微调机构及调节方法通过铰链以及伸缩调节机构的作用下，使第二喉道结构可以同时满足亚声速、跨声速和超声速三速域需求。

Description

一种连续式风洞马赫数微调机构及调节方法

技术领域

本发明属于航空气动力试验技术领域，具体为一种连续式风洞马赫数微调机构。

背景技术

风洞是从事航空飞行器设计和空气动力学研究的最主要、最基本的试验设备，在航空飞行器研制中具有非常重要的主导作用。在航空飞行器的设计过程中，要通过大量的风洞试验进行修改、优化，以形成最后的设计方案。在整个设计过程中，风洞试验是确定飞行器气动布局方案、预测飞行器气动特性、提供设计原始数据、验证气动设计思想和探索空气动力学新概念、新理论、新技术的主要手段。世界航空飞行器的发展历史充分证明：先进的风洞试验设备是航空事业发展的基础，是空气动力学创新发展的源头；没有先进的风洞试验设备，就不可能研制出先进的航空飞行器。

近几年我国航空航天型号大量涌现，相比之下我国亚跨超三声速风洞流场水平成为了飞行器空气动力特性验证的技术瓶颈，为满足未来我国先进航空航天型号的发展需求，必须通过提高风洞的流场控制稳定性来提高风洞试验模拟精细化水平。而第二喉道作为风洞M数控制的有效手段，被认为是提升亚跨声速风洞能力的关键技术之一。同时，第二喉道也是超声速风洞降低试验段后激波损失的主要手段，因此在超声速吹风中也起到了至关重要的作用。

第二喉道在最小截面处形成马赫数略大于1的激波，该过程所实现的堵塞效应，也成为了在亚跨声速范围内抑制下游噪声前传，精确控制马赫数的关键。近些年，国内外也出现了一些配备了亚声速二喉道的生产型跨声速风洞，亚声速流场品质都有一定提高。以往国内外的第二喉道一类是针对解决亚声速马赫数精确控制的结构形式；另一类是解决超声速降低损失的超声速二喉道。对于亚跨超三声速速域的风洞需求则只能考虑将两种型式串联或是进行取舍，造成了风洞建设成本或运行成本的增加。且国内外现有二喉道型式都或多或少给机械和测控设计带来了一定困难。

因此，本申请提出一种能够兼顾亚声速、跨声速和超声声速域的一种连续式风洞马赫数微调机构及调节方法用以解决上述问题。

发明内容

本发明研发目的是解决了现有的第二喉道结构难以同时满足亚声速、跨声速和超声速三速域需求的问题。在下文中给出了关于本发明的简要概述，以便提供关于本发明的某些方面的基本理解。应当理解，这个概述并不是关于本发明的穷举性概述。它并不是意图确定本发明的关键或重要部分，也不是意图限定本发明的范围。

本发明的技术方案：

方案一：一种连续式风洞马赫数微调机构，包括风洞结构框架和风洞驻室，风洞结构框架与风洞驻室连接，风洞结构框架内对称设置有前缘再入可调唇口、前调节板、中间调节板和后尾延板，对称布置的前调节板、中间调节板和后尾延板通过壁板连接并形成流道，前缘再入可调唇口、前调节板、中间调节板和后尾延板顺次通过伸缩驱动机构铰接，壁板上加工有通孔，风洞结构框架上对称设置有伸缩调节机构，伸缩调节机构布置在通孔的正上方。

进一步的，所述风洞驻室的试验段出口与前调节板、中间调节板和后尾延板形成的流道连通。

进一步的，所述伸缩调节机构的横截面为翼型的指式结构。

方案二：一种基于方案一所述的连续式风洞马赫数微调机构的调节方法，包括以下状态：

跨声速状态下控制第二喉道试验马赫数：在前缘再入可调唇口与前调节板连接处伸缩驱动机构的作用下，调节对称设置的前缘再入可调唇口的宽度，进而调节风洞驻室流入流道的流量；

亚声速状态下控制第二喉道试验马赫数：在中间调节板的两端与前调节板和后尾延板连接处伸缩驱动机构的作用下，调节中间调节板向内侧移动，实现对第二喉道截面积的粗调，随后控制伸缩调节机构，使伸缩调节机构的执行端穿过壁板的通孔，伸缩调节机构的执行端穿过通孔伸入至流道内部，实现对第二喉道截面积的精确调节；

超声速状态下降低风洞损失：将伸缩调节机构的执行端缩回，使伸缩调节机构完全从流道内伸出，通过控制中间调节板的移动，调节第二喉道的消波型面。

本发明具有以下有益效果：

本发明的一种连续式风洞马赫数微调机构在风洞第二喉道结构中达到了精准控制亚声速和跨声速马赫数的功能，且在超声速马赫数工况下，能够起到降低激波损失的作用；

本发明的一种连续式风洞马赫数微调机构通过前调节板前端的前缘再入可调唇口的调节，可在跨声速试验工况下控制风洞驻室再入到风洞流道内的流量，进而达到精确控制跨声速马赫数的目的；

本发明的一种连续式风洞马赫数微调机构通过中间调节板预支第二喉道面积实现亚声速马赫数的预置，通过伸缩调节结构微调第二喉道通流面积的方式达到精确控制亚声速马赫数的目的；

本发明的一种连续式风洞马赫数微调机构将伸缩调节机构调出风洞流道外部后，通过前调节板、中间调节板和后尾延板控制形成超声速斜激波系的方式来降低超声速风洞损失，提高效率降低成本。

附图说明

图1是一种连续式风洞马赫数微调机构的俯视图；

图2是一种连续式风洞马赫数微调机构的侧视图；

图3是亚声速马赫数精确控制的型面调节示意图；

图4是超声速激波系控制的型面调节示意图。

图中1-前缘再入可调唇口，2-前调节板，3-中间调节板，4-后尾延板，5-伸缩调节机构，6-风洞结构框架，7-风洞驻室，8-试验段出口，9-伸缩驱动机构，10-通孔，11-壁板。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面通过附图中示出的具体实施例来描述本发明。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

本发明所提到的连接分为固定连接和可拆卸连接，所述固定连接（即为不可拆卸连接）包括但不限于折边连接、铆钉连接、粘结连接和焊接连接等常规固定连接方式，所述可拆卸连接包括但不限于螺纹连接、卡扣连接、销钉连接和铰链连接等常规拆卸方式，未明确限定具体连接方式时，默认为总能在现有连接方式中找到至少一种连接方式能够实现该功能，本领域技术人员可根据需要自行选择。例如：固定连接选择焊接连接，可拆卸连接选择铰链连接。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；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或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例1，结合图1-图4说明本实施例，本实施例的一种连续式风洞马赫数微调机构，包括风洞结构框架6和风洞驻室7，风洞结构框架6与风洞驻室7连接，风洞结构框架6内对称设置有前缘再入可调唇口1、前调节板2、中间调节板3和后尾延板4，对称布置的前调节板2、中间调节板3和后尾延板4通过壁板11连接并形成通道，前调节板2、中间调节板3和后尾延板4顺次通过伸缩驱动机构9铰接，前调节板2的一端与前缘再入可调唇口1铰接。

所述伸缩驱动机构9为推杆或液压缸，伸缩驱动机构9安装在风洞结构框架6上，伸缩驱动机构9的执行端分别与前缘再入唇口1、前调节板2、中间调节板3和后尾延板4的铰接点处建立连接，在伸缩驱动机构9的作用下，实现中间调节板3向内侧或外侧移动，从而起到粗调二喉道截面积的目的；

为实现二喉道截面积的精确调节，在壁板11上对称加工通孔10，通孔10设置在中间调节板3处的壁板11上，在风洞结构框架6上安装伸缩调节机构5，伸缩调节机构5布置在通孔10的上方，伸缩调节机构5控制其执行端伸出，伸缩调节机构5的执行端穿过通孔10进入二喉道内，实现对二喉道截面积的精确调节，伸缩调节机构5的横截面为翼型的指式结构，壁板11上的通孔10的形状与伸缩调节机构5执行端的形状相对应；

通过调节中间调节板3配合伸缩调节机构5的微调，进而调节第二喉道的通流面积，在亚声速达到控制试验马赫数的目的。

通过前缘再入可调唇口1与前调节板2铰接点处的伸缩驱动机构9的作用下，调节前缘再入可调唇口1的宽度，进而可带动前缘再入可调唇口1与试验段侧壁进气面积的变化，进而可控制自风洞驻室向风洞流道内再入的气流量，进而达到在跨声速精确控制马赫数的目的。

将伸缩调节机构5完全伸出至流道外部，仅控制中间调节板的调节，调节第二喉道的消波型面，在超声速范围，将伸缩调节机构5完全伸出至流道外部后，针对不同的马赫数，通过前调节板2、中间调节板3和后尾延板4建立超声速消波型面，形成一个斜激波系，能够达到降低超声速风洞损失，降低成本提高效率的目的。

实施例2：结合图1-图4说明本实施例，本实施例的一种连续式风洞马赫数微调方法，包括以下状态：

跨声速状态下控制第二喉道试验马赫数：在前缘再入可调唇口1与前调节板2连接处伸缩驱动机构9的作用下，调节对称设置的前缘再入可调唇口1的宽度，进而调节风洞驻室7流入流道的流量，实现跨声速状态下控制试验马赫数的目的；

亚声速状态下控制第二喉道试验马赫数：在中间调节板3的两端与前调节板2和后尾延板4连接处伸缩驱动机构9的作用下，调节中间调节板3向内侧移动，实现对第二喉道截面积的粗调，随后控制伸缩调节机构5，使伸缩调节机构5的执行端穿过壁板11的通孔10，伸缩调节机构5的执行端穿过通孔10伸入至流道内部，实现对第二喉道截面积的精确调节，实现在亚声速状态下控制第二喉道试验马赫数的目的；

超声速状态下降低风洞损失：将伸缩调节机构5的执行端缩回，使伸缩调节机构5完全从流道内伸出，通过控制中间调节板3的移动，调节第二喉道的消波型面，实现超声速状态下降低风洞损失的目的。

实施例3：结合图1-图4说明本实施例，本实施例的一种连续式风洞马赫数微调方法，所述亚声速状态下控制第二喉道试验马赫数的具体方法为：在试验前，对试验马赫数进行预设，根据一维管流连续方程，有以下关系式：

（1）

式中：

为风洞稳定段气流总压或试验段气流总压，/>

为第二喉道入口处的气流总压，/>

为试验段截面积，/>

为第二喉道截面积，Ma为试验段的风速值，是声速的倍数，/>

为理想气体常数对于空气取值为1.4；

由（1）式可知，在一定压力比条件下，改变第二喉道的截面积就可以达到改变试验段马赫数的目的。为达到这种目的，可以通过中间调节板3改变第二喉道的截面积，达到控制马赫数的目的。

采用试验段面积1平方米的风洞，目标控制马赫数M=0.5为例，按如下步骤进行二喉道控制：

步骤一：试验段面积为1平方米，试验段马赫数为0.5，风洞的试验段出口8至二喉道处存在压力损失导致的压比P0/P0e=1.05，计算出二喉道控制目标截面积为0.3517平米；

步骤二：进行二喉道面积粗调，根据所需控制的节流面积，调节前调节板2、中间调节板3和后尾延板4，使中间调节板3向内收缩，在伸缩调节机构5对应的位置处形成的流通面积达到二喉道控制目标截面积的1.05倍，此时二喉道截面积为0.3693平米；

步骤三：进行二喉道面积反馈控制精确调节，控制伸缩调节机构5的执行端伸出，伸缩调节机构5的执行端穿过壁板11的通孔10，通过试验段马赫数的反馈值将二喉道流通面积调节为0.3517平米。

所述伸缩调节机构5的结构惯性降低为传统栅指式二喉道的1/10，试验段马赫数控制精度可提高至传统栅指式二喉道的10倍。

在风洞试验过程中，由于模型迎角的变化，需要对第二喉道截面积进行微调以达到马赫数的精确稳定控制，因此需要通过实时测量试验段马赫数，以此经PID反馈控制伸缩调节机构5的伸入量来达到精确控制亚声速二喉道的目的。伸缩调节机构5与中间调节板3的尺寸及相对位置的选择可通过CFD计算模拟来确定。

本实施例只是对本发明的示例性说明，并不限定它的保护范围，本领域技术人员还可以对其局部进行改变，只要没有超出本发明的精神实质，都在本发明的保护范围内。

Claims (4)

1.一种连续式风洞马赫数微调机构，其特征在于：包括风洞结构框架（6）和风洞驻室（7），风洞结构框架（6）与风洞驻室（7）连接，风洞结构框架（6）内对称设置有前缘再入可调唇口（1）、前调节板（2）、中间调节板（3）和后尾延板（4），对称布置的前调节板（2）、中间调节板（3）和后尾延板（4）通过壁板（11）连接并形成流道，前缘再入可调唇口（1）、前调节板（2）、中间调节板（3）和后尾延板（4）顺次通过伸缩驱动机构（9）铰接，壁板（11）上加工有通孔（10），风洞结构框架（6）上对称设置有伸缩调节机构（5），伸缩调节机构（5）布置在通孔（10）的正上方。

2.根据权利要求1所述的一种连续式风洞马赫数微调机构，其特征在于：所述风洞驻室（7）的试验段出口（8）与前调节板（2）、中间调节板（3）和后尾延板（4）形成的流道连通。

3.根据权利要求1所述的一种连续式风洞马赫数微调机构，其特征在于：所述伸缩调节机构（5）的横截面为翼型的指式结构。

4.一种如权利要求3所述的连续式风洞马赫数微调机构的调节方法，其特征在于，包括以下状态：

跨声速状态下控制第二喉道试验马赫数：在前缘再入可调唇口（1）与前调节板（2）连接处伸缩驱动机构（9）的作用下，调节对称设置的前缘再入可调唇口（1）的宽度，进而调节风洞驻室（7）流入流道的流量；

亚声速状态下控制第二喉道试验马赫数：在中间调节板（3）的两端与前调节板（2）和后尾延板（4）连接处伸缩驱动机构（9）的作用下，调节中间调节板（3）向内侧移动，实现对第二喉道截面积的粗调，随后控制伸缩调节机构（5），使伸缩调节机构（5）的执行端穿过壁板（11）的通孔（10），伸缩调节机构（5）的执行端穿过通孔（10）伸入至流道内部，实现对第二喉道截面积的精确调节；

超声速状态下降低风洞损失：将伸缩调节机构（5）的执行端缩回，使伸缩调节机构（5）完全从流道内伸出，通过控制中间调节板（3）的移动，调节第二喉道的消波型面。

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