CN208705000U - 一种阵列式多功能风洞驱动系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提出一种阵列式多功能风洞驱动系统，包括控制系统、驱动系统、辅助系统和洞体四部分，通过阵列的形式排列储气罐及喷管，在风洞使用过程中通过部分储气罐工作驱动风洞的气流，同时用小功率空气压缩机对未工作的或已工作结束的储气罐充气，直至满足储气罐内压力要求。此系统可延长暂冲式风洞的单次有效测量时间，提供更多的数据，同时降低使用成本。本风洞中加热冷却系统管路安装在气罐的周围，其管路安装在喷头周围，在同一水平位置的喷头使用同一加热冷却控制器，以维持或改变实验气流温度，本实用新型阵列式排布可满足实验过程中同时改变不同位置流速及射流温度，模拟同一物体在运动过程中的运动规律及物理温差，形成更真实的数据样本。

Description

一种阵列式多功能风洞驱动系统

技术领域

本发明涉及空气动力学领域，特别涉及一种阵列式多功能风洞驱动系统。

背景技术

风洞是空气动力学的研究工具，是能人工产生和控制气流，并可量度气流对物体的作用以及观察物理现象的一种管道状实验设备，用以模拟飞行器或物体周围气体的流动的设备，其主要由洞体、驱动系统和测量控制系统组成，是进行空气动力实验最常用、最有效的工具。

因风洞的控制性佳，可重复性高，且风洞实验过程中气流对物体的模拟状况(即空气动力学特性)与实际最相仿，故风洞实验在航空航天、汽车制造、土木工程等行业得到广泛运用，譬如结构物的风力荷载和振动、建筑物通风、空气污染、风力发电、环境风场、复杂地形中的流况、防风设施的功效等。这些问题皆可以利用几何相似的原理，将地形、地物以缩尺模型放置于风洞中，再以仪器量测模型所受之风力或风速。风洞实验数据亦可用来验证数值模式，找到较佳的模式参数。

现有风洞实验使用的风洞驱动系统共有两类，一类是由可控电机组和由它带动的风扇或轴流式压缩机组成，此类驱动系统功耗大，效率较低。另一类是用小功率的压气机先将空气增压贮存在贮气罐中，或用真空泵把与风洞出口管道相连的真空罐抽真空，实验时快速开启阀门，使高压空气直接或通过引射器进入洞体或由真空罐将空气吸入洞体，因而有吹气、引射、吸气以及它们相互组合的各种形式的暂冲式风洞。暂冲式风洞一般雷诺数较高，它的工作时间可由几秒到几十秒，多用于跨声速、超声速和高超声速风洞，但是暂冲式风洞工作时间短，只能同时提供一个流速的气流，对测量控制系统的要求较高，从而增加了建造和使用成本，且暂冲式风洞需要对大型压气机不断的启停，启停能耗浪费较大。

现有风洞对汽车行业的模拟主要针对风阻方面，同一时刻只涉及到同一流速的气流，未涉及到温度对汽车行驶过程中的模拟或利用其它方式进行测试，操作过程繁琐，经费耗费较大。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提出一种阵列式多功能风洞驱动系统。本发明通过阵列的形式排列储气罐，在风洞使用过程中通过阵列中的部分储气罐工作(排气)驱动风洞的气流，同时用小功率的空气压缩机对不工作的或已工作结束的储气罐充气，直至满足储气罐内压力要求。本发明可较大延长暂冲式风洞的单次有效测量时间，提供更多的数据；通过改变驱动系统的阵列排气口的射流位置及速度改变气流方向及在同一时刻为不同位置提供不同流速的气流，更细化的模拟实际气流对制品运动的影响；通过改变阵列中不同位置的射流口温度模拟同一物体在运动过程中的物理温差，形成更真实的数据样本；同时降低建造成本及使用成本。本系统可满足不同测量环境的需求。

本发明一种阵列式多功能风洞驱动系统包括控制系统、驱动系统、辅助系统和洞体四部分。所述的控制系统包括控制主机、人机交互界面、控制执行元件。所述的驱动系统包括阵列的储气罐及真空罐、大小空气压缩机、真空泵、射流板、传感器、拉瓦尔喷管。辅助系统包括加热冷却系统、润滑系统。

本发明一种多气罐交替工作的多功能风洞驱动系统的具体安装方式为：风洞驱动系统的气罐按照阵列的方式安放在气罐架上，气罐架决定了气罐的阵列安放方式，气罐出口经过换向阀、调压调速回路及分流回路接到拉瓦尔喷管上，气流射流出口处拉瓦尔喷管按照阵列方式安装在射流板上，射流板包括主射流板和辅射流板，拉瓦尔喷管的出口截面与其安装的射流板平行；主射流板与洞体进气截面平行，辅射流板与主射流板按照一定角度安装。大小空气压缩机的出口经过单向阀后与换向阀相连，以便对气罐充气；空气压缩机出口处安装有安全阀。上述的调压调速回路中按照实际需求进行调压阀、调速阀、换向阀及安全阀的布置。安全阀在本系统中用于防止压力过高破坏系统。其中驱动系统的主驱动与真空系统分别安装在洞体的两侧，真空罐按照阵列的方式安装在洞体的另一侧，并与真空泵串联，用真空泵对真空罐进行抽真空。真空罐在本风洞的驱动系统中起稳定洞体内空气流速，辅助改变射流流向的作用，以便或取较优的实验数据。本风洞中加热冷却系统管路按照实际需求安装在气罐的周围，用以维持气罐的温度，防止发生危险；同时其管路按设计要求安装在喷头周围，在同一水平位置的喷头使用同一加热冷却控制器，以维持或改变实验气流温度。压力传感器安装于气罐出口处，以便测量气罐压力，保证安全并向控制系统发送模拟信号。速度传感器分别安装在射流出口处及洞体里，以测量气流流速，并与控制系统接通形成闭环控制回路。

本发明一种阵列式多功能风洞驱动系统所述的控制主机为一个微机系统，作用于本系统的所有被控元件，接收传感器和人机交互界面发出的模拟信号，处理信息并按照预设程序发布物理信号流，与其他子系统形成闭合回路。

本发明一种阵列式多功能风洞驱动系统所述的人机交互界面为一个或多个控制面板，用于人工操作。

本发明一种阵列式多功能风洞驱动系统所述的控制执行元件包括各类多位多通的调压阀、调速阀、节流阀及安全阀等。

本发明一种阵列式多功能风洞驱动系统所述的储气罐指各类满足国标要求的设计压力不低于15MPa不高于45MPa(常用压力，在此压力范围内可以较好的达到实验效果)的储气罐，储气体积设计为单个储气罐为1.5立方米(储气体积按照实际的设计需要而定，但要满足单次测量所需的大气压中的空气体积)，但这不是本发明的限制条件，任何以本发明的核心思想设计制作的风洞驱动系统都在本发明的保护范围之内。据设计要求，储气罐的出口速度可按照控制系统的控制执行元件调节，亦可达到亚音速要求。储气罐垂直于主射流板按阵列方式排布。

本发明一种阵列式多功能风洞驱动系统所述的真空罐指按照国标要求设计的真空度不小于0.2MPa(常用值)的真空罐，其设计体积为6.28立方米(按照安装需求给定)，但这不是限制本发明的限制条件，任何以本发明核心思想设计制作的风洞驱动系统都在本发明的保护范围之内。真空罐也按照阵列方式排布。真空罐主要作用为引射，辅助高压气罐工作。在本系统中也可根据实际条件去除真空罐等真空系统元件。

本发明一种阵列式多功能风洞驱动系统所述的大小空气压缩机指多台满足国标设计要求的大小两种排量的空气压缩机，其中压缩机的出口压力应该保持安全系数为2-3(空气压缩机对气罐充气常用的安全系数，为保证气罐安全，防止爆炸)，即储气罐的设计压力应该为空气压缩机的2-3倍。为满足高效率并节约成本的设计要求，小排量的空气压缩机数量较大排量的空气压缩机数量多，小排量的空气压缩机的额定功率小于大排量的空气压缩机，或可按需不使用大排量的空气压缩机。

本发明一种阵列式多功能风洞驱动系统所述的真空泵指抽速不小于120L/s的真空泵(按照标准选取真空泵，真空泵的抽速应当大于射流流量的总和)。

本发明一种阵列式多功能风洞驱动系统所述的射流板由金属材料或者高强度的高分子材料制作的板材，其分为主射流板和辅射流板。射流板上开有安装喷管的安装孔，安装孔在射流板上按照阵列方式排布。

本发明一种阵列式多功能风洞驱动系统所述的传感器指安装在储气罐的压力和温度传感器、安装在喷管出口处的速度传感器和温度传感器等。

本发明一种阵列式多功能风洞驱动系统所述的加热冷却系统指液氮冷却系统和电磁加热系统，用以保持或改变储气罐及射流的温度，满足使用要求及保证设备安全。加热冷却系统可以维持储气罐温度，防止储气罐内气体因为温度过高而剧烈运动；再者，加热冷却系统的管路安装于喷头的周围，且同一水平位置使用的是同一温度控制器，即同一水平位置射流的温度被控制为相同，通过改变竖直方向上的温度来模拟实际的空气层温度的变化，这样可以做到同一时刻射流温度的不同，与真实数据更为接近。

本发明一种阵列式多功能风洞驱动系统所述的洞体为两侧开有导流隙的钢制长方体壳。导流隙又可称导流片，是安装在风洞两侧的起着组织气流、避免气流产生严重紊流现象而导致对风洞产生较大冲击的非常重要的元件。

本发明一种阵列式多功能风洞驱动系统的具体工作方式为：本发明可通过开通部分气罐的出口为系统提供气源，通过传感器检测压力和出口流速改变阀的开口大小以维持气流稳定，由控制系统按照预设代码进行控制。当单个气罐的出口压力减小到预设值时，开通其他的压力气罐继续为系统提供气源，以满足持续的气源供给，延长暂冲式风洞的单次射流时间。开通续流压力气罐后通过控制换向阀改变工作结束的气罐的气流流向，接通空气压缩机对气罐充气，当风洞的使用频率较小时，可只启动功率较小的小型空气压缩机对气罐进行充气，在满足使用要求的情况下可不间断的运作小功率空气压缩机，避免了频繁启停空气压缩机造成的能耗。当风洞使用频率较高时，可同时启动大功率的大型空气压缩机对气罐进行充气，节省充气时间。本系统这样的工作方式可有效的避免空气压缩机充气时对喷管处气流流量及压力的影响，避免波动。

真空泵的工作方式为当风洞使用前，真空泵预制将真空罐内的空气抽走，将真空罐的压力降至设计压力(真空度为0.2MPa)，即可开始进行风洞实验，实验过程中真空泵持续运作。真空系统为本风洞驱动系统内的辅助系统，在实际测量中可以添加，也可以去除真空系统。本发明中将其描述，只为更全面的表述。

通过改变不同位置拉瓦尔喷管的射流流量即可形成同一射流平面内不同流速的气流或整个测量空间内不同流向的气流。只开通主射流板范围内喷管的开口，即可形成与实验物体正面对流的气流，改变主射流板不同位置射流口的气流流速即可模拟例如两车并行行驶时气流对汽车行驶过程中的影响；当需要模拟有侧向风对制品造成的作用时，即可开启辅射流板的射流出口，以达到预设效果。当需要模拟例如急转弯过程中的气流对汽车行驶的影响时，也可利用本系统的原理得到。当需要模拟恶劣的温度环境中气流对汽车行驶的影响时，可通过改变加热冷却系统在不同射流口处的温度改变气流温度来间接的得到测量数据。本系统所述的以上几种情况可组合使用，以形成符合实验要求的气流，提高实验数据的精度。

本发明一种阵列式多功能风洞驱动系统相较于依靠风扇形成气流的风洞或暂冲式风洞，可在同一时刻不同位置提供不同流速的气流。本发明相较于现有暂冲式风洞，在单次测量某一数据时，可延长有效气流通过时间，提供更多的有效测量数据，使测量数据更加准确。本发明可在同一时刻通过加热冷却系统改变竖直方向上的温度，以模拟真实的空气层温度的细微变化。在单次测量所需流量不需开启所有气罐时，可以只使用部分气罐进行单次实验测量，避免了多次开启大型储气罐的能量浪费，有效节约能耗。且本发明一种阵列式多功能风洞驱动系统可在测量过程中对工作完成的储气罐充气，达到了测量与充气时间交叠，节省时间，提高测量效率；同时，利用本工作方式可避免空气压缩机对储气罐充气时射流口气流流量及压力的波动。本发明可在空闲时间对气罐充气，节省了多次启停大型空气压缩机的能耗，同时也延长了空气压缩机的折旧时间，节省成本。

附图说明

图1是本发明一种阵列式多功能风洞驱动系统的总体示意图。

图2是本发明一种阵列式多功能风洞驱动系统的驱动系统俯视图。

图3是本发明一种阵列式多功能风洞驱动系统的驱动系统斜轴侧图。

图4是本发明一种阵列式多功能风洞驱动系统的气罐安装示意图。

图5是本发明一种阵列式多功能风洞驱动系统的主射流板示意图。

图中：1-加热冷却系统；2-气罐支架；3-气罐；4-管路集成箱；5-主射流板；6-洞体；7-真空系统；8-控制系统；9-辅射流板；10-小空气压缩机；11-大空气压缩机；12-压力传感器；13-换向阀；14-拉瓦尔喷管；15-安全阀。

具体实施方式

如图1所示，本发明一种阵列式多功能风洞驱动系统包括控制系统8、驱动系统、辅助系统和洞体6四部分。其中驱动系统如图2和图3所示，用于为整个风洞系统提供气流及各项测试动力，是本发明的核心。其中驱动系统的主驱动与真空系统7分别安装在洞体6的两侧，真空系统7中的真空罐按照阵列的方式安装在洞体6的另一侧，并与真空系统7中的真空泵串联，用真空泵对真空罐进行抽真空。真空罐在本风洞的驱动系统中起稳定洞体6内空气流速，辅助改变射流流向的作用，以便获取较优的实验数据。控制系统8用于风洞系统内的数据处理及命令控制。辅助系统用于辅助系统的正常运行，降低运行过程中由于环境等因素对系统造成故障的概率。本风洞中辅助系统包含的加热冷却系统1可以维持储气罐温度，防止储气罐3内气体因为温度过高而剧烈运动发生危险；再者，加热冷却系统1的管路安装于喷管14的周围，且同一水平位置使用的是同一温度控制器，即同一水平位置射流的温度被控制为相同，通过改变竖直方向上的温度来模拟实际的空气层温度的变化，这样可以做到同一时刻射流温度的不同，与真实数据更为接近。洞体6用于安置实验制品，提供实验空间环境。

本发明一种阵列式多功能风洞驱动系统的具体安装方式如图4所示，风洞驱动系统的气罐3按照阵列的方式安放在气罐架2上，气罐架2决定了气罐3的阵列安放方式，气罐3出口经过压力传感器12、换向阀13、调压调速回路4及分流回路接到拉瓦尔喷管14上，气流射流出口处拉瓦尔喷管14按照阵列方式安装在射流板上，如图5所示，射流板包括主射流板5和辅射流板9，拉瓦尔喷管14的出口截面与其安装的射流板面平行；主射流板5与洞体6进气截面平行，辅射流板9与主射流板5按照一定角度安装，以辅助形成测试需要的气流。大小空气压缩机的出口经过单向阀后与换向阀13相连，以便对气罐充气；空气压缩机出口处安装有安全阀15。上述的调压调速回路4中按照实际需求进行调压阀、调速阀、换向阀及安全阀的布置。安全阀15在本系统中用于防止压力过高破坏系统。压力传感器12安装于气罐3出口处，以便测量气罐3内部空气压力，保证安全并向控制系统8发送模拟信号。速度传感器分别安装在射流出口处及洞体6里，以测量气流流速，并与控制系统8接通形成闭环控制回路。

如图5所示，为本发明的其中一种射流板的射流口阵列排布方式，还可根据测量精度、射流范围等需要改变射流口在射流板上的排布方式。

本发明一种阵列式多功能风洞驱动系统的具体工作方式为：本系统可通过开通部分气罐3的出口提供气源，通过传感器检测压力和出口流速改变阀的开口大小以维持气流稳定，由控制系统8按照预设代码进行控制。当单个气罐3的出口压力减小到设定值时，开通其他的压力气罐3继续提供气源，以满足持续的气源供给，延长暂冲式风洞的单次射流时间。开通续流压力气罐后通过控制换向阀13改变工作结束的气罐3的气流流向，接通空气压缩机对气罐充气，当风洞的使用频率较小时，可只启动功率较小的小型空气压缩机10对气罐进行充气，在满足使用要求的情况下可不间断的运作小功率空气压缩机10，避免了频繁启停空气压缩机造成的能耗。当风洞使用频率较高时，可同时启动大功率的大型空气压缩机11对气罐进行充气，节省充气时间。本系统这样的工作方式可有效的避免空气压缩机充气时对喷管14处气流流量及压力的影响，避免波动。

真空泵的工作方式为当风洞使用前，真空泵预制将真空罐内的空气抽走，将真空罐的压力降至设计压力(真空度为0.2MPa)，即可开始进行风洞实验，实验过程中真空泵持续运作。真空系统7为本风洞驱动系统内的辅助系统，在实际测量中可以添加，也可以去除真空系统。本发明中将其描述，只为更全面的表述。

通过改变不同位置拉瓦尔喷管14的射流流量即可形成同一射流平面内不同流速的气流或整个测量空间内不同流向的气流。只开通主射流板5范围内喷管14的开口，即可形成与实验物体正面对流的气流，改变主射流板5不同位置射流口的气流流速即可模拟例如两车并行行驶时气流对汽车行驶过程中的影响；当需要模拟有侧向风对制品造成的作用时，即可开启辅射流板9的射流出口，以达到预设效果。当需要模拟例如急转弯过程中的气流对汽车行驶的影响时，也可利用本系统的原理得到。当需要模拟恶劣的温度环境中气流对汽车行驶的影响时，可通过改变加热冷却系统1在不同射流口处的温度改变气流温度来间接的得到测量数据。本系统所述的以上几种情况可组合使用，以形成符合实验要求的气流，提高实验数据的精度。

Claims (9)

1.一种阵列式多功能风洞驱动系统，其特征在于：包括控制系统、驱动系统、辅助系统和洞体四部分，所述的控制系统包括控制主机、人机交互界面、控制执行元件，所述的驱动系统包括阵列的储气罐及真空罐、大小空气压缩机、真空泵、射流板、传感器、拉瓦尔喷管，辅助系统包括加热冷却系统、润滑系统，风洞驱动系统的气罐按照阵列的方式安放在气罐架上，气罐出口经过换向阀、调压调速回路及分流回路接到拉瓦尔喷管上，气流射流出口处拉瓦尔喷管按照阵列方式安装在射流板上，射流板包括主射流板和辅射流板，拉瓦尔喷管的出口截面与其安装的射流板平行；主射流板与洞体进气截面平行，辅射流板与主射流板按照一定角度安装；大小空气压缩机的出口经过单向阀后与换向阀相连，以便对气罐充气；空气压缩机出口处安装有安全阀；驱动系统的主驱动与真空系统分别安装在洞体的两侧，真空罐按照阵列的方式安装在洞体的另一侧，并与真空泵串联，用真空泵对真空罐进行抽真空；加热冷却系统管路按照实际需求安装在气罐的周围，其管路安装在喷头周围，在同一水平位置的喷头使用同一加热冷却控制器，以维持或改变实验气流温度；压力传感器安装于气罐出口处，速度传感器分别安装在射流出口处及洞体里，与控制系统接通形成闭环控制回路。

2.根据权利要求1所述的一种阵列式多功能风洞驱动系统，其特征在于：所述的控制主机为一个微机系统，作用于本系统的所有被控元件，接收传感器和人机交互界面发出的模拟信号，处理信息并按照预设程序发布物理信号流，与其他子系统形成闭合回路。

3.根据权利要求1所述的一种阵列式多功能风洞驱动系统，其特征在于：所述的人机交互界面为一个或多个控制面板，用于人工操作；所述的控制执行元件包括各类多位多通的调压阀、调速阀、节流阀及安全阀。

4.根据权利要求1所述的一种阵列式多功能风洞驱动系统，其特征在于：所述的储气罐指各类满足国标要求的设计压力不低于15MPa不高于45MPa的储气罐，储气体积设计为单个储气罐为1.5立方米，储气罐垂直于主射流板按阵列方式排布。

5.根据权利要求1所述的一种阵列式多功能风洞驱动系统，其特征在于：所述的真空罐指真空度不小于0.2MPa的真空罐，其设计体积为6.28立方米，真空罐也按照阵列方式排布。

6.根据权利要求1所述的一种阵列式多功能风洞驱动系统，其特征在于：所述的射流板由金属材料或者高强度的高分子材料制作的板材，其分为主射流板和辅射流板，射流板上开有安装喷管的安装孔，安装孔在射流板上按照阵列方式排布。

7.根据权利要求1所述的一种阵列式多功能风洞驱动系统，其特征在于：所述的加热冷却系统指液氮冷却系统和电磁加热系统，加热冷却系统的管路安装于喷头的周围，且同一水平位置使用的是同一温度控制器，通过改变竖直方向上的温度来模拟实际的空气层温度的变化。

8.根据权利要求1所述的一种阵列式多功能风洞驱动系统，其特征在于：所述的洞体为两侧开有导流隙的钢制长方体壳。

9.根据权利要求8所述的一种阵列式多功能风洞驱动系统，其特征在于：导流隙称导流片，是安装在风洞两侧的起着组织气流、避免气流产生严重紊流现象而导致对风洞产生较大冲击的非常重要的元件。