CN216247114U - 一种同时测量气动力和表面热流的风洞试验标模 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种同时测量气动力和表面热流的风洞试验标模，包括弹身、弹芯、杆状螺纹连接件、垫片、套筒、锥套和天平；弹身内固定有弹芯，弹芯为后端开放的中空壳体机构，同轴套设在所述套筒外；套筒为后端开放的中空壳体结构，锥套安装在所述天平的前端，将天平稳固在套筒中；套筒的前端放置垫片，通过杆状螺纹连接件依次将垫片、套筒、锥套和天平固定为一体，且套筒、锥套和天平同轴；所述标模表面均匀喷涂有磷光粉末涂层，用于模型表面热流分布的测定。本实用新型提供的试验标模能在高超声速风洞一次试验过程中，同时获得模型表面热流分布和模型气动力结果，使得研究人员可以将模型表面流动信息与模型在风洞流场中感受到气动力一一对应。

Description

一种同时测量气动力和表面热流的风洞试验标模

技术领域

本实用新型属于高速风洞试验技术领域，特别涉及一种同时测量气动力和表面热流的风洞试验标模。

背景技术

在航空航天飞行器空气动力性能研究中，风洞模型试验和数值计算是最主要的两种研究方法。为了验证数值计算结果的可靠性和评估CFD(Computational FluidDynamics，计算流体动力学)对飞行器各种复杂流动现象的计算模拟能力，通常人们采用风洞模型试验数据来对比确认。然而，风洞模型试验是一种在风洞中采用模型模拟并测量作用在模型上气动力的复杂过程。因此，风洞模型试验的数据不可避免地会受到各种因素的影响而产生试验误差，如:风洞洞壁干扰、模型的相似程度、模型支架干扰、雷诺数效应、测量仪器的误差等等。为了对风洞总体性能、测试设备以及实验方法的综合性检验，研究和确认风洞模型试验的准度和可信度问题，研究人员采用一些简单外形作为试验标准外形进行风洞试验研究。国内高超声速风洞测力实验标模系列主要有HB-2标模、10°尖锥标模、9°钝锥标模、AGARD-B标模。

标模测力风洞试验一般是采用天平测量标模气动力。风洞实验时，天平承受作用在模型表面高速气流冲击载荷产生变形，粘贴在天平元件表面应变计同时发生变形，其电阻值变化由测量电路转换成电压增量，该电压增量值与天平所承受的气动力载荷大小成正比。通过事先由天平校准确定的各分量天平输出量与所测分量之间的关系(天平校准公式)，得到所测量的气动力。

磷光热图试验是在风洞试验中，将磷光材料均匀的喷涂在模型表面，选取某一波段的紫外光作为激发光源，照射具有磷光涂层的模型，使其持续发出可见光。试验开始后模型不同部位受到不同的气动加热，模型表面出现不同的温升。其表面涂层辐射出的不同可见光强度。光强的变化可以由试验图像采集设备记录并存储。根据静态校准得到的辐射光强变化与温度的对应关系，通过光强分布得到模型表面温度分布，然后由时间和模型表面温度变化的关系，根据一维半无限大假设，获得模型表面热流分布，给出模型表面流动的流态信息。

随着飞行器的发展，设计部门对飞行器的风洞试验数据精度要求越来越高，不仅要获得气动力的结果，还要求获得气动力对应的模型表面的流动特征(模型流态是层流、转捩还是湍流)。但是标模测力风洞试验和观测表面流动的磷光热图试验是两种不同类型的试验，以往都是单独进行。想要同时获得模型的气动力和表面流态，至少需要进行两次风洞试验。由于风洞试验会受到各种因素的影响，不同车次的风洞试验必然会引起气流条件一些小的偏差，这导致模型气动力的结果与表面流态结果不是一一对应的，是存在偏差的。

实践经验表明，要想同时获得模型气动力与对应的表面流态信息，需要在一次风洞试验中同时获得这两者的结果，采用信号同步技术，可以将模型气动力与对应的表面流态一一对应起来。为此，本实用新型提供了一种同时测量气动力和表面热流的风洞试验标模。

实用新型内容

为了克服现有技术中的不足，本发明人进行了锐意研究，提供了一种同时测量气动力和表面热流的风洞试验标模，能在风洞一次试验过程中，同时获得模型表面热流分布和模型气动力结果，使得研究人员可以将模型表面流动信息与模型在风洞流场中感受到气动力一一对应，从而完成本实用新型。

本实用新型提供的技术方案如下：

一种同时测量气动力和表面热流的风洞试验标模，包括弹身、弹芯、杆状螺纹连接件、垫片、套筒、锥套和天平；所述弹身内胶结固定有弹芯，弹芯为后端开放的中空壳体机构，同轴套设在所述套筒外；所述套筒为后端开放的中空壳体结构，其内部安装天平，所述锥套安装在所述天平的前端，将天平稳固在套筒中，天平用于风洞试验测量标模气动力；所述套筒的前端放置垫片，通过杆状螺纹连接件依次将垫片、套筒、锥套和天平固定为一体，且套筒、锥套和天平同轴；所述标模表面均匀喷涂有磷光粉末涂层，用于模型表面热流分布的测定。

进一步地，所述弹身采用陶瓷材料加工制作，弹身陶瓷壳体厚度不小于4mm。

进一步地，所述弹身和弹芯采用能够承受120°以上高温的胶水胶结固定。

进一步地，弹芯由头部至尾部依次包括锥形头部、小等直径柱段、过渡锥段、大等直径柱段、以及底部带槽的耳片，底部带槽的耳片固定在大等直径柱段的尾端。

进一步地，所述套筒包括等直径柱段和底部耳片，底部耳片固定在等直径柱段的尾端，套筒的等直径柱段与弹芯的大等直径柱段配合，保证两者的同轴度不大于0.03，套筒的底部耳片与的弹芯的底部带槽耳片叠合。

进一步地，所述套筒的底部耳片与弹芯的底部带槽耳片上均开设有轴向通孔，通过穿设轴向通孔的沉头螺钉将两者连接固定。

进一步地，所述套筒与弹身的底部在同一平面上。

进一步地，所述套筒的底部耳片与弹芯的底部带槽耳片位于轴向垂直方向。

进一步地，所述套筒的内腔头部形成内锥结构，天平的前端为锥面结构，套筒的内锥结构、锥套和天平的前端以锥度1：4～6的锥面进行配合。

进一步地，所述标模表面均匀喷涂的磷光粉末涂层的厚度不超过0.05mm。

根据本实用新型提供的一种同时测量气动力和表面热流的风洞试验标模，具有以下有益效果：

本实用新型提供的一种同时测量气动力和表面热流的风洞试验标模，通过结构设计，将弹身和天平连接为一体，并在弹身表面喷涂磷光粉末涂层，满足天平和磷光热图技术同时测定需求，在高超声速风洞一次试验过程中，采用天平和磷光热图技术同时测量气动力和表面热流，使用信号同步技术可以将模型表面流动特征与模型在风洞流场中感受到气动力一一对应，能够帮助研究人员更好的理解模型表面流动变化如何影响飞行器的气动力。

附图说明

图1为本实用新型中一种同时测量气动力和表面热流的风洞试验标模的装配示意图；

图2为本实用新型中一种同时测量气动力和表面热流的风洞试验标模的爆炸图；

图3为一种优选的实施方式中弹芯的结构示意图；

图4为一种优选的实施方式中套筒的结构示意图；

图5为本实用新型中一种同时测量气动力和表面热流风洞试验标模的图片；

图6为实施例1中攻角-2°下标模表面热流分布。

附图标号说明

1-弹身；2-弹芯；3-内六角圆柱头螺钉；4-垫片；5-套筒；6-锥套；7-天平；8-沉头螺钉。

具体实施方式

下面通过对本实用新型进行详细说明，本实用新型的特点和优点将随着这些说明而变得更为清楚、明确。

在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。

本实用新型提供了一种同时测量气动力和表面热流的风洞试验标模，如图1和图2所示，包括弹身1、弹芯2、杆状螺纹连接件3、垫片4、套筒5、锥套6和天平7；所述弹身1内胶结固定有弹芯2，弹芯2为后端开放的中空壳体机构，同轴套设在所述套筒5外；所述套筒5为后端开放的中空壳体结构，其内部安装天平7，所述锥套6安装在所述天平7的前端，将天平7稳固在套筒5中，天平7用于风洞试验测量标模气动力；

所述套筒5的前端放置垫片4，通过杆状螺纹连接件3如内六角圆柱头螺钉依次将垫片4、套筒5、锥套6和天平7固定为一体，且套筒5、锥套6和天平7同轴；

所述标模表面均匀喷涂有磷光粉末涂层，用于模型表面热流分布的测定。

在一种优选的实施方式中，所述弹身1采用陶瓷材料加工制作，弹身1陶瓷壳体厚度不小于4mm。本发明人了解到，目前的风洞试验标模普遍采用金属弹身，只能单独用于风洞试验测量标模气动力，无法同时进行表面热流的测量。为了降低标模表面的热传导，满足表面热流测量的要求，标模表面需要采用导热性能、比热容、密度等特性稳定的陶瓷材料来加工。为了保证标模表面的热传导足够小，陶瓷壳体必须达到一定厚度，根据大量的试验，确定陶瓷壳体厚度一般不小于4mm。

在一种优选的实施方式中，所述弹身1和弹芯2采用能够承受120°以上高温的胶水胶结固定。

在一种优选的实施方式中，如图3所示，所述弹芯2采用金属材料加工制作，弹芯2包括锥形头部、小等直径柱段、过渡锥段、大等直径柱段、以及底部带槽的耳片(如槽尺寸：长79mm×宽18mm×深4mm)，底部带槽的耳片固定在大等直径柱段的尾端，为了减轻重量，全段弹芯的内部为中空内腔结构。

在一种优选的实施方式中，如图4所示，所述套筒5包括等直径柱段和底部耳片(如耳片尺寸：长79mm×宽18mm×厚4mm)，底部耳片固定在等直径柱段的尾端，套筒5的等直径柱段与弹芯2的大等直径柱段配合，保证两者的同轴度不大于0.03，套筒5的底部耳片与的弹芯2的底部带槽耳片叠合。

进一步地，所述套筒5的底部耳片与弹芯2的底部带槽耳片上均开设有轴向通孔，通过穿设轴向通孔的沉头螺钉8将两者连接固定。

进一步地，所述套筒5与弹身1的底部在同一平面上。

进一步地，所述套筒5的底部耳片与弹芯2的底部带槽耳片位于轴向垂直方向。

在一种优选的实施方式中，所述套筒5的内腔头部形成内锥结构，天平7的前端为锥面结构，套筒5的内锥结构、锥套6和天平7的前端以锥度1：4～6的锥面进行配合。

在一种优选的实施方式中，所述标模表面均匀喷涂的磷光粉末涂层的厚度不超过0.05mm。

实施例

一种采用天平和磷光热图技术同时测量气动力和表面热流的风洞试验标模，如图1和图2所示，包括弹身1、弹芯2、内六角圆柱头螺钉、垫片4、套筒5、锥套6、天平7、沉头螺钉8。弹身采用陶瓷材料加工制作，弹身陶瓷壳体厚度为7mm。弹芯采用金属材料加工制作，弹芯的外形由锥形头部、小等直径柱段、过渡锥段、大等直径柱段、底部带槽的耳片构成(槽尺寸：长79mm×宽18mm×深4mm)。采用能承受120°高温的胶水将弹身与弹芯进行胶结固定。采用内六角圆柱头螺钉将垫片、套筒、锥套和天平进行拔紧固定，套筒包括等直径柱段和底部耳片，套筒的等直径柱段与弹芯的大等直径柱段配合，保证两者的同轴度不大于0.03，套筒的底部耳片与的弹芯的底部带槽耳片叠合。将胶结固定在一起弹身与弹芯安装在套筒上，采用两个沉头螺钉在两叠合的耳片处进行拔紧固定，要求弹身底部与套筒底部保证在同一平面上。在装配好的模型表面喷涂一层均匀的磷光粉末，静置5个小时后，等待磷光涂层粘结固化在模型表面，控制磷光粉末涂层的厚度不超过0.05mm，外观图如图5所示。

采用上述风洞试验标模进行风洞试验，同时测量标模气动力和表面热流。攻角-2°下标模表面热流分布如图6所示。

表1攻角-2°下模型的气动力结果

攻角	法向力系数	俯仰力矩系数	轴向力系数
				-2°	-0.157	-0.009	0.104

以上结合具体实施方式和范例性实例对本实用新型进行了详细说明，不过这些说明并不能理解为对本实用新型的限制。本领域技术人员理解，在不偏离本实用新型精神和范围的情况下，可以对本实用新型技术方案及其实施方式进行多种等价替换、修饰或改进，这些均落入本实用新型的范围内。本实用新型的保护范围以所附权利要求为准。

本实用新型说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (10)

1.一种同时测量气动力和表面热流的风洞试验标模，其特征在于，包括弹身(1)、弹芯(2)、杆状螺纹连接件(3)、垫片(4)、套筒(5)、锥套(6)和天平(7)；所述弹身(1)内胶结固定有弹芯(2)，弹芯(2)为后端开放的中空壳体机构，同轴套设在所述套筒(5)外；所述套筒(5)为后端开放的中空壳体结构，其内部安装天平(7)，所述锥套(6)安装在所述天平(7)的前端，将天平(7)稳固在套筒(5)中，天平(7)用于风洞试验测量标模气动力；

所述套筒(5)的前端放置垫片(4)，通过杆状螺纹连接件(3)依次将垫片(4)、套筒(5)、锥套(6)和天平(7)固定为一体，且套筒(5)、锥套(6)和天平(7)同轴；

所述标模表面均匀喷涂有磷光粉末涂层，用于模型表面热流分布的测定。

2.根据权利要求1所述的同时测量气动力和表面热流的风洞试验标模，其特征在于，所述弹身(1)采用陶瓷材料加工制作，弹身(1)陶瓷壳体厚度不小于4mm。

3.根据权利要求1所述的同时测量气动力和表面热流的风洞试验标模，其特征在于，所述弹身(1)和弹芯(2)采用能够承受120°以上高温的胶水胶结固定。

4.根据权利要求1所述的同时测量气动力和表面热流的风洞试验标模，其特征在于，弹芯(2)由头部至尾部依次包括锥形头部、小等直径柱段、过渡锥段、大等直径柱段、以及底部带槽的耳片，底部带槽的耳片固定在大等直径柱段的尾端。

5.根据权利要求4所述的同时测量气动力和表面热流的风洞试验标模，其特征在于，所述套筒(5)包括等直径柱段和底部耳片，底部耳片固定在等直径柱段的尾端，套筒(5)的等直径柱段与弹芯(2)的大等直径柱段配合，保证两者的同轴度不大于0.03，套筒(5)的底部耳片与的弹芯(2)的底部带槽耳片叠合。

6.根据权利要求5所述的同时测量气动力和表面热流的风洞试验标模，其特征在于，所述套筒(5)的底部耳片与弹芯(2)的底部带槽耳片上均开设有轴向通孔，通过穿设轴向通孔的沉头螺钉(8)将两者连接固定。

7.根据权利要求5所述的同时测量气动力和表面热流的风洞试验标模，其特征在于，所述套筒(5)与弹身(1)的底部在同一平面上。

8.根据权利要求5所述的同时测量气动力和表面热流的风洞试验标模，其特征在于，所述套筒(5)的底部耳片与弹芯(2)的底部带槽耳片位于轴向垂直方向。

9.根据权利要求1所述的同时测量气动力和表面热流的风洞试验标模，其特征在于，所述套筒(5)的内腔头部形成内锥结构，天平(7)的前端为锥面结构，套筒(5)的内锥结构、锥套(6)和天平(7)的前端以锥度1：4～6的锥面进行配合。

10.根据权利要求1所述的同时测量气动力和表面热流的风洞试验标模，其特征在于，所述标模表面均匀喷涂的磷光粉末涂层的厚度不超过0.05mm。

Images