CN118010303A - 一种用于常规高超声速风洞边界层压力连续测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于常规高超声速风洞边界层压力连续测量装置。该装置包括测压管、测压支撑装置、步进电机和滚轴丝杠。采用步进电机驱动测压管在边界层上下和前后两个自由度的连续移动，从而实现边界层压力连续测量。适用于常规高超声速风洞试验模型边界层内不同剖面位置压力的连续测量研究，为开展高超声速边界层剖面特征发展演化规律研究提供技术支撑，能够有效降低传统压力测量排架不同测压管之间的干扰，提高压力测量精度；并增加单车次试验测量数据量，减少风洞试验车次，降低试验成本；同时也可用于开展边界层指定位置处压力的动态测量，提供非定常流动中边界层指定位置的压力测量数据。

Description

一种用于常规高超声速风洞边界层压力连续测量装置

技术领域

本发明涉及常规高超声速风洞试验压力测量技术领域，特别是涉及一种用于常规风洞边界层压力连续测量装置。

背景技术

采用测压管结合电子扫描阀作为一种直接接触式且精确性高的流场速度压力测试技术，已经发展成为风洞试验中压力场测量的主流试验手段。

采用单个测压管结合电子扫描阀开展常规高超声速风洞边界层压力测量目前比较成熟，但是由于压力排架上的不同测压管之间可能存在干扰，导致压力测量精度无法满足高精度测压需求；同时由于无法预知边界层厚度，造成预先加工的压力排架无法动态调整测压管位置，可能会对模型表面流场产生干扰或者无法实现预定目标；且传统测量方式仅能捕捉边界层法向有限离散高度位置的压力分布，不能进行压力动态连续测量。以上诸多缺点，使得高超声速风洞试验压力测量结果难以实现高超声速模型表面边界层剖面压力特征的准确分析。

当前，亟需发展一种常规高超声速风洞边界层压力连续测量装置，以解决同一次风洞试验中，开展沿边界层法向不同高度压力的动态测量分析。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种用于常规高超声速风洞边界层压力连续测量装置。用于常规高超声速风洞边界层压力连续测量装置，包括测压探头装置、压力扫描阀的软管、测压管基座、齿轮杆、齿轮盘、电磁离合器、丝杆-基座电磁离合器、轴套；丝杆；上下导轨滑块；模型支撑装置；轴连器、步进电机基座、步进电机、齿轮、齿条；测压管导轨滑块；测压探针；测压支撑装置；测压探头装置，其尾部与压力扫描阀的软管相连接，下部通过测压管基座左侧与上下导轨滑块连接；上下导轨滑块与模型支撑装置连接，测压管基座下方右侧部与丝杆-基座电磁离合器连接；丝杆-基座电磁离合器断开时，轴套随丝杆空转，吸合时轴套与测压管基座实现固定，丝杆旋转，与之连接的测压管基座通过内部螺纹丝实现上下平移；同时，丝杆与齿轮盘配合，电磁离合器和齿轮杆与测压管基座连接，电磁离合器断开时齿轮盘随丝杆空转，吸合时带动齿轮杆转动，齿轮杆与齿轮咬合，带动齿轮转动，齿轮与齿条咬合，实现测压探针前后平移，其中，齿条采用高强度金属胶粘贴固定于测压探针侧面，齿轮与齿条咬合，当齿轮转动时带动齿条沿测压管导轨滑块水平移动。

进一步地，电磁离合器和丝杆-基座电磁离合器的通断控制通过导线与整个装置的外部电路连接：当电磁离合器的电路接通时，实现该离合器的吸合；当丝杆-基座电磁离合器的电路接通时，实现该离合器的吸合。

进一步地，测压探头装置包括测压探针、测压支撑装置以及测压管导轨滑块，测压探针为锥柱结构，前半部分为圆锥结构，后半部分转为圆柱结构，其中间部分有测压孔；测压探针与下方楔柱支撑结构连接，测压管伸出长度为与锥柱结构的圆柱的直径的0.8~1.2倍。

进一步地，测压管圆柱的外径在0.4mm~0.5mm之间，内径应大于0.2mm。

进一步地，锥柱结构的半锥角不大于7°，锥柱结构头部半径不大于5mm。

进一步地，锥柱支撑结构的前缘半径不大于1mm，后掠角不小于75°。

进一步地，一种基于高超声速风洞边界层压力连续测量装置的测量方法，包括以下步骤：

a. 将测压探头装置和测压支撑装置安装于所测模型内部，确保各部件结合紧密；

b. 当所测模型置于风洞流场中时，需确保测压探针的起始位置在模型边界层底层，基本与物面贴合；

c. 通过外部电路驱动步进电机，步进电机的驱动轴通过轴连器直接与滚轴丝杆连接，步进电机转动可控制滚轴丝杆上下平移，测压装置沿上下导轨滑块一起移动，进而驱动测压探头装置在边界层内上下位置的调整，并进行边界层压力测量；

d. 通过外部电路驱动步进电机，步进电机的驱动轴通过轴连器直接与滚轴丝杆连接，滚轴丝杆与齿轮盘配合，电磁离合器和齿轮杆与测压管基座连接，电磁离合器断开时齿轮盘随滚轴丝杆空转，吸合时带动齿轮杆转动，齿轮杆与齿轮咬合，带动齿轮转动，齿轮与齿条咬合，实现测压探针前后平移，并进行边界层压力测量。

本发明的用于常规高超声速风洞边界层压力连续测量装置中，采用的测压孔为中空的圆柱形钢管，能够捕获边界层内气体，当气流流经过圆柱形钢管后的速度迅速降低，进而准确得到当地皮托压力。

本发明的用于常规高超声速风洞边界层压力连续测量装置中，采用的测压孔比传统单点式测压管直径更小，对边界层内流场的干扰更小，且能够捕获用于测量的气流流量，保证与之相连接电子扫描阀的测量精度。

本发明的用于常规高超声速风洞边界层压力连续测量装置中，采用测压支撑装置为尖楔结构，前缘半径较小，且后掠角较大，当其在边界层动态运动以及进入边界层内流场后，也不会对流场产生明显干扰。

本发明的用于常规高超声速风洞边界层压力连续测量装置中，线性电机转子采用螺丝与测压装置直接固定，且步进电机的轴采用螺母直接与滚轴丝杠连接，该连接方式控制精度较高，无需多余传动装置，能够保证整体传动做到精确控制，步进电机的作动指令能够准确反应至测压孔在边界层内的法向移动距离，且运动平滑无振动，不会模型本体产生影响。

与现有技术相比，本发明的有益效果是能够连续测量高超声速边界层压力，具有上下/前后平移两个自由度，为开展高超声速边界层剖面特征发展演化规律研究提供技术支撑，能够增加单车次试验测量数据量，减少风洞试验车次，降低试验成本；同时也可用于开展边界层指定位置处压力的动态测量，提供非定常流动中边界层指定位置的压力测量数据，对高超声速边界层测量具有重要意义。

附图说明

图1为本发明的常规高超声速风洞边界层压力连续测量装置在常规高超声速风洞中安装示意图；

图2为本发明的常规高超声速风洞边界层压力连续测量装置示意图的侧视图；

图3为本发明的常规高超声速风洞边界层压力连续测量装置示意图的剖面图；

图4为本发明的常规高超声速风洞边界层压力连续测量装置示意图的后视图；

图5是图4中A处的局部放大图；

图6是图4中B处的局部放大图；

图7为本发明的常规高超声速风洞边界层压力连续测量探头装置和支撑装置示意图；

图8为图7中C处的横切面图。

1为风洞喷管出口；2为试验段本体；3为试验模型本体；4为用于常规高超声速风洞边界层压力连续测量装置；5为扩压器入口；41为测压探头装置；42为压力扫描阀的软管；43为测压管基座；44为齿轮杆；45为齿轮盘；46为电磁离合器；47为丝杆-基座电磁离合器；48为轴套；49为丝杆；410为上下导轨滑块；411为模型支撑装置；412为轴连器；413为步进电机基座；414为步进电机；415为齿轮；416为齿条；417为测压管导轨滑块；41-1为测压探针；41-2测压支撑装置。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进一步说明。

如图1所示，本发明的用于常规高超声速风洞边界层压力连续测量装置，可用于常规高超声速风洞试验模型表面边界层内部压力连续测量，1为风洞喷管出口；2为试验段本体；3为试验模型本体；4为本发明的用于常规高超声速风洞边界层压力连续测量装置，具体细节见图2，其安装在试验段内的支撑结构上；5为扩压器入口。

如图2-6所示，本发明的用于常规高超声速风洞边界层压力连续测量装置包括测压探头装置41，其尾部与压力扫描阀的软管42相连接，下部通过测压管基座43左侧与上下导轨滑块410连接；上下导轨滑块410与模型支撑装置411连接，实现整个测压探头装置上下平移；测压管基座43下方右侧部与丝杆-基座电磁离合器47连接，丝杆-基座电磁离合器47断开时，轴套48随丝杆49空转，吸合时轴套48与测压管基座43实现固定，丝杆49旋转，与之连接的测压管基座43通过内部螺纹丝实现上下平移；同时，丝杆49与齿轮盘45配合，电磁离合器46和齿轮杆44与测压管基座43连接，电磁离合器46断开时齿轮盘45随丝杆49空转，吸合时带动齿轮杆44转动，齿轮杆与齿轮415咬合，带动齿轮415转动，齿轮415与齿条416咬合，实现测压探针41-1前后平移，其中，齿条416采用高强度金属胶粘贴固定于测压探针41-1侧面，齿轮415与齿条416咬合，当齿轮415转动时带动齿条416沿测压管导轨滑块417水平移动。电磁离合器46和丝杆-基座电磁离合器47的通断控制通过导线与整个装置的外部电路连接：当电磁离合器46的电路接通时，实现该离合器的吸合；当丝杆-基座电磁离合器47的电路接通时，实现该离合器的吸合。

如图7所示，本发明的用于常规高超声速风洞边界层压力连续测量装置包括测压探头装置41包括测压探针41-1、测压支撑装置41-2以及测压管导轨滑块417。

测压探头装置41的横切面详细结构见图7，其中测压探针41-1锥柱结构前半部分为圆锥结构，后半部分转为圆柱结构，其中间部分有测压孔；与下方测压支撑装置41-2连接，测压支撑装置41-2的横切面如图8所示。

锥柱结构的半锥角不大于7°，锥柱结构圆柱半径不大于3mm；锥柱支撑结构的前缘半径不大于1mm，后掠角不小于75°；

测压探针41-1伸出长度为锥柱结构的圆柱直径的0.8~1.2倍，且测压管圆柱的直径在0.2mm~0.5mm之间；

本发明的基于高超声速风洞边界层压力连续测量装置的测量方法包括以下步骤：

a. 将测压探头装置41和测压支撑装置41-2安装于所测模型内部，确保各部件结合紧密；

b. 当所测模型置于风洞流场中时，需确保测压探针41-1的起始位置在模型边界层底层，基本与物面贴合；

c. 通过外部电路驱动步进电机414，步进电机414的驱动轴通过轴连器412直接与滚轴丝杆49连接，步进电机414转动可控制滚轴丝杆49上下平移，测压装置沿上下导轨滑块410一起移动，进而驱动测压探头装置41在边界层内上下位置的调整，并进行边界层压力测量；

d. 通过外部电路驱动步进电机414，步进电机414的驱动轴通过轴连器412直接与滚轴丝杆49连接，滚轴丝杆49与齿轮盘45配合，电磁离合器46和齿轮杆44与测压管基座43连接，电磁离合器46断开时齿轮盘45随滚轴丝杆49空转，吸合时带动齿轮杆44转动，齿轮杆与齿轮415咬合，带动齿轮415转动，齿轮415与齿条416咬合，实现测压探针41-1前后平移，并进行边界层压力测量。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种用于常规高超声速风洞边界层压力连续测量装置，其特征在于：包括测压探头装置（41）、压力扫描阀的软管（42）、测压管基座（43）、齿轮杆（44）、齿轮盘（45）、电磁离合器（46）、丝杆-基座电磁离合器（47）、轴套（48）；丝杆（49）；上下导轨滑块（410）；齿轮（415）、齿条（416）；测压管导轨滑块（417）；所述测压探头装置（41）尾部与所述压力扫描阀的软管（42）相连接，测压探头装置（41）下部通过测压管基座（43）左侧与上下导轨滑块（410）连接；所述上下导轨滑块（410）与模型支撑装置（411）连接，所述测压管基座（43）下方右侧部与所述丝杆-基座电磁离合器（47）连接；所述丝杆-基座电磁离合器（47）断开时，丝杆-基座电磁离合器（47）下方的轴套（48）随丝杆（49）空转，轴套固定于丝杆（49）上，丝杆（49）通过轴连器（412）与电机轴连接，电机开动时后，丝杆（49）转动，丝杆-基座电磁离合器（47）吸合时，轴套（48）与测压管基座（43）实现固定，丝杆（49）旋转，测压管基座（43）与丝杆（49）通过内部螺纹丝连接，丝杆旋转带动测压管基座实现上下平移；同时，丝杆（49）与齿轮盘（45）咬合，电磁离合器（46）和齿轮杆（44）与测压管基座（43）连接，电磁离合器（46）断开时齿轮盘（45）随丝杆（49）空转，电磁离合器（46）吸合时丝杆（49）带动齿轮杆（44）转动，齿轮杆与齿轮（415）咬合，带动齿轮（415）转动，齿轮（415）与齿条（416）咬合，其中，齿条（416）采用高强度金属胶粘贴固定于测压探针（41-1）侧面，当齿轮（415）转动时带动齿条（416）沿测压管导轨滑块（417）水平移动，实现测压探针（41-1）前后平移。

2.根据权利要求1所述的一种用于常规高超声速风洞边界层压力连续测量装置，其特征在于：电磁离合器（46）和丝杆-基座电磁离合器（47）的通断控制通过导线与整个装置的外部电路连接：当电磁离合器（46）的电路接通时，实现电磁离合器（46）的吸合；当丝杆-基座电磁离合器（47）的电路接通时，实现该离合器的吸合。

3.根据权利要求1所述的一种用于常规高超声速风洞边界层压力连续测量装置，其特征在于：测压探头装置（41）包括测压探针（41-1）、测压支撑装置（41-2）以及测压管导轨滑块（417），测压探针（41-1）为锥柱结构，前半部分为圆锥结构，后半部分转为圆柱结构，其中间部分有测压孔；测压探针（41-1）与下方测压支撑装置（41-2）连接，测压管伸出长度为与锥柱结构的圆柱的直径的0.8~1.2倍。

4.根据权利要求3所述的一种用于常规高超声速风洞边界层压力连续测量装置，其特征在于：测压探针圆柱结构的外径在0.4mm~0.5mm之间，内径应大于0.2mm。

5.根据权利要求3所述的一种用于常规高超声速风洞边界层压力连续测量装置，其特征在于：所述测压探针（41-1）的半锥角不大于7°，锥柱结构头部半径不大于5mm。

6.根据权利要求3所述的一种用于常规高超声速风洞边界层压力连续测量装置，其特征在于：楔柱支撑结构的前缘半径不大于1mm，后掠角不小于75°。