本發(fā)明涉及航空，尤其涉及航空領(lǐng)域中的風(fēng)洞技術(shù)，特別涉及一種用于高速風(fēng)洞模型的附面層流場(chǎng)測(cè)量方法及裝置。

背景技術(shù)：

1、在高速飛行中，附面層對(duì)空氣動(dòng)力特性有著重要影響。附面層的厚度和狀態(tài)（層流或湍流）會(huì)影響表面的摩擦阻力、壓力分布和升力。理解附面層現(xiàn)象對(duì)于優(yōu)化飛行器設(shè)計(jì)、提高氣動(dòng)效率、減少阻力至關(guān)重要。例如，在超音速和高超音速條件下，附面層中的空氣流動(dòng)產(chǎn)生高熱量，可能對(duì)飛行器表面材料產(chǎn)生損害。研究附面層的熱效應(yīng)可以幫助設(shè)計(jì)有效的冷卻系統(tǒng)以及選擇耐熱材料。另外，附面層的狀態(tài)決定了流動(dòng)是否會(huì)分離。流動(dòng)分離往往會(huì)導(dǎo)致失速、飛行器穩(wěn)定性下降等問(wèn)題。通過(guò)研究附面層，可以找到有效的流動(dòng)控制方法，防止分離或者減少分離的負(fù)面影響。附面層的湍流特性也會(huì)影響飛行器的振動(dòng)和噪聲，特別是對(duì)高速飛行器，這一點(diǎn)尤其重要。研究附面層有助于降低飛行器在飛行過(guò)程中產(chǎn)生的噪音，提高舒適性并減少環(huán)境影響。

2、對(duì)附面層流場(chǎng)的研究通常依賴于高速風(fēng)洞，通常是將飛機(jī)模型或其部件，例如機(jī)身、機(jī)翼等固定在高速風(fēng)洞中，通過(guò)施加人工氣流流過(guò)飛機(jī)模型或其部件，以此模擬空中各種復(fù)雜的飛行狀態(tài)，獲取附面層的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。由于附面層的形成和發(fā)展是一個(gè)復(fù)雜的非線性問(wèn)題，尤其在高速條件下，涉及湍流、壓力梯度、熱效應(yīng)等多種因素，難以用簡(jiǎn)單模型精確描述。因此，在高速風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)中，除了需要風(fēng)洞具備精確模擬真實(shí)的溫度、壓力、速度等邊界條件之外，還需要精確的測(cè)量手段，對(duì)邊界層的厚度、速度場(chǎng)和溫度場(chǎng)進(jìn)行精確測(cè)量?，F(xiàn)有技術(shù)中，常采用激光流速儀（piv）和紅外成像技術(shù)測(cè)量風(fēng)洞中的整體流場(chǎng)，但是存在成本高昂且操作難度大的問(wèn)題。同時(shí)，由于附面層的厚度很小，在整體流場(chǎng)中所占的比例也很小，采用piv或紅外成像技術(shù)測(cè)量的附面層參數(shù)的精度不夠。

3、申請(qǐng)人之前的研究中提出了一種用于風(fēng)洞的三坐標(biāo)移動(dòng)測(cè)試裝置，其申請(qǐng)公布號(hào)為cn?102607795?a。在該研究中，申請(qǐng)人提出的方案包括x軸移動(dòng)機(jī)構(gòu)、y軸移動(dòng)機(jī)構(gòu)和z軸移動(dòng)機(jī)構(gòu)，三軸移動(dòng)機(jī)構(gòu)可以相互垂直移動(dòng)，用于測(cè)量流場(chǎng)參數(shù)的探針安裝在x軸移動(dòng)機(jī)構(gòu)上。該測(cè)量裝置的正面迎風(fēng)結(jié)構(gòu)橫跨整個(gè)風(fēng)洞，對(duì)風(fēng)洞的阻塞度很大，y軸和z軸均需要兩套機(jī)構(gòu)進(jìn)行端部支撐，很難精確的同步運(yùn)動(dòng)，三軸移動(dòng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)轉(zhuǎn)部件全部裸露在風(fēng)洞流場(chǎng)中，嚴(yán)重影響風(fēng)洞模擬真實(shí)的溫度、壓力、速度等邊界條件的精確度。另外，該測(cè)量裝置的三軸移動(dòng)機(jī)構(gòu)缺乏移動(dòng)約束機(jī)構(gòu)，特別是難以對(duì)模型的外表面變化產(chǎn)生動(dòng)態(tài)響應(yīng)，測(cè)量探針無(wú)法在附面層厚度范圍內(nèi)精確移動(dòng)，因而難以勝任附面層流場(chǎng)的動(dòng)態(tài)精確測(cè)量。該測(cè)量裝置也沒(méi)有對(duì)應(yīng)于復(fù)雜外形的模型表面附面層的測(cè)量方法，無(wú)法實(shí)現(xiàn)高速條件下對(duì)附面層流場(chǎng)的精確測(cè)量。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種用于高速風(fēng)洞模型的附面層流場(chǎng)測(cè)量方法及裝置，以減少或避免前面所提到的問(wèn)題。

2、為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提出了一種用于高速風(fēng)洞模型的附面層流場(chǎng)的測(cè)量方法，其中，所述方法包括如下步驟：將附面層流場(chǎng)測(cè)量裝置設(shè)置到高速風(fēng)洞中；所述測(cè)量裝置包括豎向移動(dòng)機(jī)構(gòu)、橫向移動(dòng)機(jī)構(gòu)以及軸向移動(dòng)機(jī)構(gòu)；軸向移動(dòng)機(jī)構(gòu)具有一根可沿其長(zhǎng)度方向伸縮的測(cè)量軸，測(cè)量軸的末端設(shè)置有用于測(cè)量附面層參數(shù)的探針以及高度檢測(cè)儀；將需要測(cè)量的模型的理論輪廓高度l輸入所述測(cè)量裝置；操縱測(cè)量裝置使所述探針沿理論輪廓高度l加上高度h的安全高度移動(dòng)一遍，同時(shí)利用高度檢測(cè)儀檢測(cè)探針距離模型的實(shí)際高度h，以l+h-h作為模型的實(shí)際輪廓高度p存入所述測(cè)量裝置；啟動(dòng)高速風(fēng)洞，使探針移動(dòng)到模型的實(shí)際輪廓高度p加上要檢測(cè)的附面層高度值t的位置測(cè)量附面層的參數(shù)，同時(shí)利用高度檢測(cè)儀實(shí)時(shí)檢測(cè)探針的動(dòng)態(tài)高度并反饋給測(cè)量裝置，測(cè)量裝置根據(jù)測(cè)量獲得的動(dòng)態(tài)高度對(duì)探針的高度進(jìn)行修正。

3、優(yōu)選地，所述測(cè)量方法進(jìn)一步包括如下步驟：使探針沿著所述安全高度移動(dòng)到要測(cè)量的位置的上方，然后利用高度檢測(cè)儀檢測(cè)探距離模型的高度，操縱測(cè)量裝置使探針降低到距離模型高度為t的位置；測(cè)量完成之后，再使探針升高到安全高度移動(dòng)到下一個(gè)要測(cè)量的位置的上方，重復(fù)上述步驟進(jìn)行測(cè)量。

4、本發(fā)明還提出了一種用于上述測(cè)量方法的附面層流場(chǎng)測(cè)量裝置，包括豎向移動(dòng)機(jī)構(gòu)、橫向移動(dòng)機(jī)構(gòu)以及軸向移動(dòng)機(jī)構(gòu)；所述豎向移動(dòng)機(jī)構(gòu)連接在風(fēng)洞中的支撐臂上；所述橫向移動(dòng)機(jī)構(gòu)支撐在豎向移動(dòng)機(jī)構(gòu)上并可在豎向移動(dòng)機(jī)構(gòu)上橫向移動(dòng)；所述軸向移動(dòng)機(jī)構(gòu)支撐在橫向移動(dòng)機(jī)構(gòu)上并可在橫向移動(dòng)機(jī)構(gòu)上沿其長(zhǎng)度方向伸縮移動(dòng)；其中，所述軸向移動(dòng)機(jī)構(gòu)具有一根可沿其長(zhǎng)度方向伸縮的測(cè)量軸，測(cè)量軸的末端設(shè)置有用于測(cè)量附面層參數(shù)的探針以及高度檢測(cè)儀。

5、優(yōu)選地，所述豎向移動(dòng)機(jī)構(gòu)包括一根電機(jī)驅(qū)動(dòng)的豎向滾動(dòng)絲杠以及兩根直角朝向布置的豎向?qū)к?；所述橫向移動(dòng)機(jī)構(gòu)上固定連接有一個(gè)與所述豎向滾動(dòng)絲杠配合的豎向絲杠螺母，所述豎向絲杠螺母可隨著所述豎向滾動(dòng)絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)而沿其上下移動(dòng)；所述橫向移動(dòng)機(jī)構(gòu)上固定連接有兩組與所述豎向?qū)к壟浜系呢Q向?qū)к壔瑝K。

6、優(yōu)選地，所述豎向移動(dòng)機(jī)構(gòu)上固定設(shè)置有豎向磁條，所述橫向移動(dòng)機(jī)構(gòu)上固定設(shè)置有檢測(cè)所述豎向磁條的豎向磁柵尺讀數(shù)頭。

7、優(yōu)選地，所述橫向移動(dòng)機(jī)構(gòu)包括一根電機(jī)驅(qū)動(dòng)的橫向滾動(dòng)絲杠以及兩根水平設(shè)置的橫向?qū)к?；所述軸向移動(dòng)機(jī)構(gòu)上固定連接有一個(gè)與所述橫向滾動(dòng)絲杠配合的橫向絲杠螺母，所述橫向絲杠螺母可隨著所述橫向滾動(dòng)絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)而沿其左右移動(dòng)；所述軸向移動(dòng)機(jī)構(gòu)上固定連接有兩根與所述橫向?qū)к壟浜系臋M向?qū)к壔瑝K。

8、優(yōu)選地，所述橫向移動(dòng)機(jī)構(gòu)上固定設(shè)置有橫向磁條，所述軸向移動(dòng)機(jī)構(gòu)上固定設(shè)置有檢測(cè)所述橫向磁條的橫向磁柵尺讀數(shù)頭。

9、優(yōu)選地，所述軸向移動(dòng)機(jī)構(gòu)包括一根電機(jī)驅(qū)動(dòng)的軸向滾動(dòng)絲杠，軸向滾動(dòng)絲杠上設(shè)置有一個(gè)可隨軸向滾動(dòng)絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)而沿其前后移動(dòng)的軸向絲杠螺母；環(huán)繞所述軸向滾動(dòng)絲杠布置有多個(gè)導(dǎo)向桿，所述導(dǎo)向桿穿設(shè)在一個(gè)與所述軸向絲杠螺母固定連接的導(dǎo)向板的導(dǎo)向孔中；所述測(cè)量軸與導(dǎo)向板固定連接。

10、優(yōu)選地，所述導(dǎo)向桿的外側(cè)設(shè)置有整流導(dǎo)向筒，所述整流導(dǎo)向筒的內(nèi)側(cè)壁設(shè)置有多個(gè)導(dǎo)向槽，所述導(dǎo)向板具有與所述導(dǎo)向槽配合的凸起。

11、優(yōu)選地，所述軸向移動(dòng)機(jī)構(gòu)的整流導(dǎo)向筒的內(nèi)側(cè)壁固定設(shè)置有軸向磁條，所述導(dǎo)向板上固定設(shè)置有檢測(cè)所述軸向磁條的軸向磁柵尺讀數(shù)頭。

12、本發(fā)明通過(guò)高度檢測(cè)儀測(cè)量的靜態(tài)輪廓為參考，在靜態(tài)輪廓的基礎(chǔ)上給探針增加一個(gè)安全高度，然后在風(fēng)洞運(yùn)轉(zhuǎn)之后，通過(guò)高度檢測(cè)儀實(shí)時(shí)檢測(cè)的輪廓，調(diào)整測(cè)量裝置的位置，可以控制探針的精確移動(dòng)，同時(shí)避免探針與模型發(fā)生碰撞。

技術(shù)特征：

1.一種用于高速風(fēng)洞模型的附面層流場(chǎng)的測(cè)量方法，其特征在于，所述方法包括如下步驟：將附面層流場(chǎng)測(cè)量裝置設(shè)置到高速風(fēng)洞中；所述測(cè)量裝置包括豎向移動(dòng)機(jī)構(gòu)、橫向移動(dòng)機(jī)構(gòu)以及軸向移動(dòng)機(jī)構(gòu)；軸向移動(dòng)機(jī)構(gòu)具有一根可沿其長(zhǎng)度方向伸縮的測(cè)量軸，測(cè)量軸的末端設(shè)置有用于測(cè)量附面層參數(shù)的探針以及高度檢測(cè)儀；將需要測(cè)量的模型的理論輪廓高度l輸入所述測(cè)量裝置；操縱測(cè)量裝置使所述探針沿理論輪廓高度l加上高度h的安全高度移動(dòng)一遍，同時(shí)利用高度檢測(cè)儀檢測(cè)探針距離模型的實(shí)際高度h，以l+h-h作為模型的實(shí)際輪廓高度p存入所述測(cè)量裝置；啟動(dòng)高速風(fēng)洞，使探針移動(dòng)到模型的實(shí)際輪廓高度p加上要檢測(cè)的附面層高度值t的位置測(cè)量附面層的參數(shù)，同時(shí)利用高度檢測(cè)儀實(shí)時(shí)檢測(cè)探針的動(dòng)態(tài)高度并反饋給測(cè)量裝置，測(cè)量裝置根據(jù)測(cè)量獲得的動(dòng)態(tài)高度對(duì)探針的高度進(jìn)行修正。

2.如權(quán)利要求1所述的測(cè)量方法，其特征在于，進(jìn)一步包括如下步驟：使探針沿著所述安全高度移動(dòng)到要測(cè)量的位置的上方，然后利用高度檢測(cè)儀檢測(cè)探距離模型的高度，操縱測(cè)量裝置使探針降低到距離模型高度為t的位置；測(cè)量完成之后，再使探針升高到安全高度移動(dòng)到下一個(gè)要測(cè)量的位置的上方，重復(fù)上述步驟進(jìn)行測(cè)量。

3.一種用于權(quán)利要求1或2的測(cè)量方法的附面層流場(chǎng)測(cè)量裝置，包括豎向移動(dòng)機(jī)構(gòu)、橫向移動(dòng)機(jī)構(gòu)以及軸向移動(dòng)機(jī)構(gòu)；所述豎向移動(dòng)機(jī)構(gòu)連接在風(fēng)洞中的支撐臂上；所述橫向移動(dòng)機(jī)構(gòu)支撐在豎向移動(dòng)機(jī)構(gòu)上并可在豎向移動(dòng)機(jī)構(gòu)上橫向移動(dòng)；所述軸向移動(dòng)機(jī)構(gòu)支撐在橫向移動(dòng)機(jī)構(gòu)上并可在橫向移動(dòng)機(jī)構(gòu)上沿其長(zhǎng)度方向伸縮移動(dòng)；其特征在于，所述軸向移動(dòng)機(jī)構(gòu)具有一根可沿其長(zhǎng)度方向伸縮的測(cè)量軸，測(cè)量軸的末端設(shè)置有用于測(cè)量附面層參數(shù)的探針以及高度檢測(cè)儀。

4.如權(quán)利要求3所述的測(cè)量裝置，其特征在于，所述豎向移動(dòng)機(jī)構(gòu)包括一根電機(jī)驅(qū)動(dòng)的豎向滾動(dòng)絲杠以及兩根直角朝向布置的豎向?qū)к?；所述橫向移動(dòng)機(jī)構(gòu)上固定連接有一個(gè)與所述豎向滾動(dòng)絲杠配合的豎向絲杠螺母，所述豎向絲杠螺母可隨著所述豎向滾動(dòng)絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)而沿其上下移動(dòng)；所述橫向移動(dòng)機(jī)構(gòu)上固定連接有兩組與所述豎向?qū)к壟浜系呢Q向?qū)к壔瑝K。

5.如權(quán)利要求4所述的測(cè)量裝置，其特征在于，所述豎向移動(dòng)機(jī)構(gòu)上固定設(shè)置有豎向磁條，所述橫向移動(dòng)機(jī)構(gòu)上固定設(shè)置有檢測(cè)所述豎向磁條的豎向磁柵尺讀數(shù)頭。

6.如權(quán)利要求3所述的測(cè)量裝置，其特征在于，所述橫向移動(dòng)機(jī)構(gòu)包括一根電機(jī)驅(qū)動(dòng)的橫向滾動(dòng)絲杠以及兩根水平設(shè)置的橫向?qū)к?；所述軸向移動(dòng)機(jī)構(gòu)上固定連接有一個(gè)與所述橫向滾動(dòng)絲杠配合的橫向絲杠螺母，所述橫向絲杠螺母可隨著所述橫向滾動(dòng)絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)而沿其左右移動(dòng)；所述軸向移動(dòng)機(jī)構(gòu)上固定連接有兩根與所述橫向?qū)к壟浜系臋M向?qū)к壔瑝K。

7.如權(quán)利要求6所述的測(cè)量裝置，其特征在于，所述橫向移動(dòng)機(jī)構(gòu)上固定設(shè)置有橫向磁條，所述軸向移動(dòng)機(jī)構(gòu)上固定設(shè)置有檢測(cè)所述橫向磁條的橫向磁柵尺讀數(shù)頭。

8.如權(quán)利要求3所述的測(cè)量裝置，其特征在于，所述軸向移動(dòng)機(jī)構(gòu)包括一根電機(jī)驅(qū)動(dòng)的軸向滾動(dòng)絲杠，軸向滾動(dòng)絲杠上設(shè)置有一個(gè)可隨軸向滾動(dòng)絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)而沿其前后移動(dòng)的軸向絲杠螺母；環(huán)繞所述軸向滾動(dòng)絲杠布置有多個(gè)導(dǎo)向桿，所述導(dǎo)向桿穿設(shè)在一個(gè)與所述軸向絲杠螺母固定連接的導(dǎo)向板的導(dǎo)向孔中；所述測(cè)量軸與導(dǎo)向板固定連接。

9.如權(quán)利要求8所述的測(cè)量裝置，其特征在于，所述導(dǎo)向桿的外側(cè)設(shè)置有整流導(dǎo)向筒，所述整流導(dǎo)向筒的內(nèi)側(cè)壁設(shè)置有多個(gè)導(dǎo)向槽，所述導(dǎo)向板具有與所述導(dǎo)向槽配合的凸起。

10.如權(quán)利要求9所述的測(cè)量裝置，其特征在于，所述軸向移動(dòng)機(jī)構(gòu)的整流導(dǎo)向筒的內(nèi)側(cè)壁固定設(shè)置有軸向磁條，所述導(dǎo)向板上固定設(shè)置有檢測(cè)所述軸向磁條的軸向磁柵尺讀數(shù)頭。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開(kāi)了一種用于高速風(fēng)洞模型的附面層流場(chǎng)測(cè)量方法及裝置，包括豎向移動(dòng)機(jī)構(gòu)、橫向移動(dòng)機(jī)構(gòu)以及軸向移動(dòng)機(jī)構(gòu)；豎向移動(dòng)機(jī)構(gòu)連接在風(fēng)洞中的支撐臂上；橫向移動(dòng)機(jī)構(gòu)支撐在豎向移動(dòng)機(jī)構(gòu)上并可在豎向移動(dòng)機(jī)構(gòu)上橫向移動(dòng)；軸向移動(dòng)機(jī)構(gòu)支撐在橫向移動(dòng)機(jī)構(gòu)上并可在橫向移動(dòng)機(jī)構(gòu)上沿其長(zhǎng)度方向伸縮移動(dòng)；軸向移動(dòng)機(jī)構(gòu)具有一根可沿其長(zhǎng)度方向伸縮的測(cè)量軸，測(cè)量軸的末端設(shè)置有用于測(cè)量附面層參數(shù)的探針以及高度檢測(cè)儀。本發(fā)明通過(guò)高度檢測(cè)儀測(cè)量的靜態(tài)輪廓為參考，在靜態(tài)輪廓的基礎(chǔ)上給探針增加一個(gè)安全高度，然后在風(fēng)洞運(yùn)轉(zhuǎn)之后，通過(guò)高度檢測(cè)儀實(shí)時(shí)檢測(cè)的輪廓，調(diào)整測(cè)量裝置的位置，可以控制探針的精確移動(dòng)，同時(shí)避免探針與模型發(fā)生碰撞。

技術(shù)研發(fā)人員：楊廣珺,蔣鋒,孫靜,耿華
受保護(hù)的技術(shù)使用者：西北工業(yè)大學(xué)太倉(cāng)長(zhǎng)三角研究院
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/2