一種產(chǎn)生高頻下游擾動的超聲速風洞試驗裝置的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明實施例公開了一種產(chǎn)生高頻下游擾動的超聲速風洞試驗裝置，涉及空氣動力學領域，能夠解決下游壓力擾動的反壓機構的擾動頻率較低的問題，還可以實現(xiàn)模擬多種形式和頻率的下游周期性擾動，滿足了激波運動特性試驗中對于常規(guī)反壓擾動和高頻擾動兼顧的需求。本發(fā)明的裝置包括噴管段(1)、等直段(2)、凸輪轉(zhuǎn)軸(3)、凸輪轉(zhuǎn)軸驅(qū)動動力裝置(4)、流道連接段(5)、密閉腔體連接段(6)、密閉軸承支撐部件(7)、上下側(cè)噴管型面(8)，壓力測點(9)、紋影觀察窗口(10)、步進電機及控制系統(tǒng)(11)，聯(lián)軸器(12)，內(nèi)撐桿(13)、滾珠軸承(14)。本發(fā)明適用于下游產(chǎn)生高頻周期性擾動的超聲速風洞實驗中。
【專利說明】
一種產(chǎn)生高頻下游擾動的超聲速風洞試驗裝置
技術領域
[0001]本發(fā)明涉及空氣動力學技術領域，尤其涉及一種產(chǎn)生高頻下游擾動的超聲速風洞試驗裝置。
【背景技術】
[0002]在超聲速、高超聲速流動中，幾何、氣動上的氣流阻礙大都會產(chǎn)生激波，與之相關的激波、激波/附面層相互作用流場是高速氣體動力學領域的一種基本流場。在實際工程應用中，激波結構同下游反壓造成的旋渦流的相互作用還是氣動噪聲的一個重要原因，另一方面還會引起結構上的疲勞破壞，將直接影響飛行器的設計性能和安全。激波、激波/附面層干擾結構下游的壓力擾動被認為是導致大尺度振蕩流態(tài)的主導因素。
[0003]目前針對下游壓力擾動對上游激波結構的風洞試驗大多是在穩(wěn)態(tài)反壓條件下進行的，少量研究考慮了下游的脈動反壓條件，也僅僅集中于較低的幾赫茲、最高十幾赫茲量級的反壓脈動頻率。而在實際工程應用中，激波下游的壓力擾動經(jīng)常會達到10Hz甚至更高頻率的工況;換言之，目前的超聲速風洞試驗裝置無法滿足更高頻率反壓擾動研究的需求，所存在的問題主要表現(xiàn)于:
[0004]其一，缺少產(chǎn)生動態(tài)變化的下游壓力擾動形式的試驗裝置;其二，現(xiàn)有的少量的脈動反壓條件下的試驗研究中反壓頻率實現(xiàn)形式為步進電機驅(qū)動反壓錐位沿流向運動或者斜板閉合形式，能實現(xiàn)的反壓擾動頻率低，僅為幾赫茲、最高十幾赫茲;其三，缺少可以實現(xiàn)較寬的反壓脈動頻率范圍的裝置。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的實施例提供一種產(chǎn)生高頻下游擾動的超聲速風洞試驗裝置，能夠產(chǎn)生動態(tài)變化的下游壓力擾動，提供高頻反壓擾動，且反壓擾動頻率范圍寬。
[0006]為達到上述目的，本發(fā)明的實施例采用如下技術方案:
[0007]—種產(chǎn)生高頻下游擾動的超聲速風洞試驗裝置，包括噴管段(1)、等直段(2)、噴管段(I)和等直段(2)產(chǎn)生超聲速流場，噴管段(I)出口與等直段(2)相連，等直段(2)下游連接流道連接段(5)，所述噴管段(I)和等直段(2)的連接處，等直段(2)和流道連接段(5)連接處均采用硅膠墊密封，確保流場壁面不漏氣，連接處平整過渡；凸輪轉(zhuǎn)軸(3)、凸輪轉(zhuǎn)軸驅(qū)動動力裝置(4)、密閉腔體連接段(6)、密閉軸承支撐部件(7)、上下側(cè)噴管型面(8)，壓力測點(9)、紋影觀察窗口(10)、步進電機及控制系統(tǒng)(11)，聯(lián)軸器(12)，內(nèi)撐桿(13)、滾珠軸承
(14)，其特征在于:
[0008]凸輪轉(zhuǎn)軸(3)—端與凸輪轉(zhuǎn)軸驅(qū)動動力裝置(4)相連接，安裝在流道連接段(5) —個側(cè)面;密閉軸承支撐部件(7)，通過內(nèi)置滾珠軸承(14)固定凸輪轉(zhuǎn)軸(3)另一端，安裝在連接段(5)的另一個側(cè)面。保證凸輪轉(zhuǎn)軸的高速穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)，且密封凸輪轉(zhuǎn)軸高速旋轉(zhuǎn)時不與外界大氣環(huán)境發(fā)生流動交換。
[0009]所述凸輪轉(zhuǎn)軸驅(qū)動動力裝置(4)包括:步進電機及控制系統(tǒng)(11)，聯(lián)軸器(12)，內(nèi)撐桿(13);步進電機及控制系統(tǒng)(11)通過聯(lián)軸器(12)、內(nèi)撐桿(13)與凸輪轉(zhuǎn)軸(3)裝配。
[0010]所述凸輪轉(zhuǎn)軸驅(qū)動動力裝置(4)通過密閉腔體連接段(6)裝配在流道連接段(5)靠外的一個側(cè)面，可保持凸輪轉(zhuǎn)軸和聯(lián)軸器高速旋轉(zhuǎn)時的密封性，不與外界大氣環(huán)境發(fā)生流動交換。
[0011 ]所述凸輪轉(zhuǎn)軸(3)的形狀是橢圓形轉(zhuǎn)軸、方形轉(zhuǎn)軸或者菱形轉(zhuǎn)軸。
[0012]所述凸輪轉(zhuǎn)軸(3)軸向長度略小于流道連接段(5)寬度。
[0013]本發(fā)明采用在超聲速流場下游側(cè)壁面安裝凸輪轉(zhuǎn)軸驅(qū)動動力裝置驅(qū)動不同大小、不同形狀截面的凸輪轉(zhuǎn)軸(3)，在流場垂直截面產(chǎn)生周期性壓力擾動，可以實現(xiàn)較寬的反壓頻率范圍(5?200Hz)的下游擾動試驗，解決了下游壓力擾動試驗的擾動頻率偏低的問題，還可以實現(xiàn)模擬多種形式和頻率的下游周期性擾動，滿足了激波運動特性試驗中對于常規(guī)反壓擾動和特殊高頻擾動兼顧的需求。
【附圖說明】
[0014]為了更清楚地說明本發(fā)明實施例中的技術方案，下面將對實施例中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其它的附圖。
[0015]圖1為本發(fā)明整體結構示意圖；
[0016]圖2為本發(fā)明整體結構主視圖；
[0017]圖3為本發(fā)明中菱形凸輪轉(zhuǎn)軸時下游產(chǎn)生周期性擾動裝置示意圖；
[0018]圖4為本發(fā)明中流道阻塞面積計算示意圖；
[0019]圖5為本發(fā)明中橢圓形凸輪轉(zhuǎn)軸時下游產(chǎn)生周期性擾動裝置示意圖；
[0020]圖6為本發(fā)明中方形凸輪轉(zhuǎn)軸時下游產(chǎn)生周期性擾動裝置示意圖。
【具體實施方式】
[0021]為使本領域技術人員更好地理解本發(fā)明的技術方案，下面結合附圖和【具體實施方式】對本發(fā)明作進一步詳細描述。本技術領域技術人員可以理解，除非另外定義，這里使用的所有術語(包括技術術語和科學術語)具有與本發(fā)明所屬領域中的普通技術人員的一般理解相同的意義。還應該理解的是，諸如通用字典中定義的那些術語應該被理解為具有與現(xiàn)有技術的上下文中的意義一致的意義，并且除非像這里一樣定義，不會用理想化或過于正式的含義來解釋。
[0022]本發(fā)明實施例第一方面，本發(fā)明的實施例提供一種產(chǎn)生高頻下游擾動的超聲速風洞試驗裝置，包括噴管段1、等直段2、噴管段I和等直段2產(chǎn)生超聲速流場，噴管段I出口與等直段2相連，等直段2下游連接流道連接段5，所述噴管段I和等直段2，等直段2和流道連接段5連接處采用硅膠墊密封，確保流場壁面不漏氣，連接處平整過渡；凸輪轉(zhuǎn)軸3、凸輪轉(zhuǎn)軸驅(qū)動動力裝置4、密閉腔體連接段6、密閉軸承支撐部件7、上下側(cè)噴管型面8，壓力測點9、紋影觀察窗口 1、步進電機及控制系統(tǒng)11，聯(lián)軸器12，內(nèi)撐桿13、滾珠軸承14，其特征在于:
[0023]凸輪轉(zhuǎn)軸3—端與凸輪轉(zhuǎn)軸驅(qū)動動力裝置4相連接，安裝在流道連接段5的一個側(cè)面;密閉軸承支撐部件7，通過內(nèi)置滾珠軸承14固定凸輪轉(zhuǎn)軸3另一端，安裝在連接段5的另一個側(cè)面。保證凸輪轉(zhuǎn)軸的高速穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)，且密封凸輪轉(zhuǎn)軸高速旋轉(zhuǎn)時不與外界大氣環(huán)境發(fā)生流動交換。
[0024]具體而言，噴管段I上游接高壓氣源，流道連接段5尾部與大氣環(huán)境或真空環(huán)境連通。當來流總壓與下游環(huán)境壓力之比達到噴管起動壓比時，氣流經(jīng)過上下側(cè)噴管型面8，在等直段2中形成超聲速流場。在等直段壁面處選擇壓力測點9、紋影觀察窗口 10對該區(qū)域流場進行參數(shù)測量。
[0025]當試驗無需下游壓力擾動時，可以將凸輪轉(zhuǎn)軸3和內(nèi)撐桿13卸掉，這樣即為一般形式的超聲速風洞試驗裝置。
[0026]在穩(wěn)態(tài)下游反壓擾動運轉(zhuǎn)時，關閉步進電機11，將凸輪轉(zhuǎn)軸3固定在某個旋轉(zhuǎn)角度的位置，在下游形成穩(wěn)定的流動阻塞，實現(xiàn)下游穩(wěn)態(tài)反壓擾動。具體穩(wěn)態(tài)反壓擾動的大小，可以通過改變不同的凸輪轉(zhuǎn)軸3固定角度來實現(xiàn)。下游流場的阻塞度跟反壓大小成正比關系，當凸輪轉(zhuǎn)軸3長軸在豎直截面時，阻塞度最大，即下游反壓最大；當凸輪轉(zhuǎn)軸3短軸在豎直截面時，阻塞度最小，即下游反壓最小。
[0027]結合以上所述裝置，本實施例的一種可能的應用場景實例，如圖2所示，采用以菱形轉(zhuǎn)軸為凸輪轉(zhuǎn)軸，當進行下游不同頻率的周期性反壓擾動試驗時，利用控制器在流場建立前設定步進電機11的轉(zhuǎn)速。
[0028]如圖3所示，根據(jù)本發(fā)明實施例第一方面的第一種可能的實現(xiàn)方式，所述凸輪轉(zhuǎn)軸驅(qū)動動力裝置4包括:步進電機及控制系統(tǒng)11，聯(lián)軸器12，內(nèi)撐桿13;步進電機及控制系統(tǒng)11通過聯(lián)軸器12、內(nèi)撐桿13與凸輪轉(zhuǎn)軸3裝配。
[0029]第一方面的第二種可能的實現(xiàn)方式中，所述凸輪轉(zhuǎn)軸驅(qū)動動力裝置4通過密閉腔體連接段6裝配在流道連接段5靠外的一個側(cè)面，可保持凸輪轉(zhuǎn)軸和聯(lián)軸器高速旋轉(zhuǎn)時的密封性，不與外界大氣環(huán)境發(fā)生流動交換。
[0030]第一方面的第一種可能或者第二種可能的實現(xiàn)方式中，所述凸輪轉(zhuǎn)軸3的形狀是橢圓形轉(zhuǎn)軸、方形轉(zhuǎn)軸或者菱形轉(zhuǎn)軸。
[0031]第一方面的第一種可能或者第二種可能的實現(xiàn)方式中，所述凸輪轉(zhuǎn)軸(3)軸向長度略小于流道連接段(5)寬度。
[0032]如圖4所示，凸輪轉(zhuǎn)軸3為菱形轉(zhuǎn)軸的情況下，菱形凸輪轉(zhuǎn)軸的半長軸為a，半短軸為b，所在截面內(nèi)流道高度為H，當步進電機11驅(qū)動凸輪轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速為恒定速度V轉(zhuǎn)/分鐘時，以長軸水平時為初始零時刻，在凸輪轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)，流道的阻塞面積S隨時間的變化關系可表達為:S = H-2bsin(tV/120Ji)奇數(shù)周期內(nèi)、S = H-2asin(tV/120Ji)偶數(shù)周期內(nèi)。
[0033]如圖3、圖5所示，當凸輪轉(zhuǎn)軸3采用橢圓形轉(zhuǎn)軸和菱形轉(zhuǎn)軸時，轉(zhuǎn)軸每旋轉(zhuǎn)一個周期內(nèi)，改變流場最大阻塞比兩次，相當于產(chǎn)生了兩個周期的下游壓力擾動;如圖6所示，當凸輪轉(zhuǎn)軸采用方形轉(zhuǎn)軸時，轉(zhuǎn)軸每旋轉(zhuǎn)一個周期內(nèi)，改變流場最大阻塞比四次，相當于產(chǎn)生四個周期的下游壓力擾動。
[0034]由于所選用的步進電機11額定轉(zhuǎn)速范圍為150?3000轉(zhuǎn)/分鐘(在高轉(zhuǎn)速時滿足帶動凸輪轉(zhuǎn)軸的扭矩需求，在低轉(zhuǎn)速時也滿足能維持凸輪轉(zhuǎn)軸在超聲速流場時旋轉(zhuǎn)時不受氣流的沖擊影響而改變轉(zhuǎn)速)，理論上可以實現(xiàn)下游轉(zhuǎn)周期擾動的頻率最高為100Hz(采用橢圓桿和菱形桿時)、200Hz(采用方形桿時)，最低下游轉(zhuǎn)周期擾動的頻率最高為5Hz(采用橢圓桿和菱形桿時)。即該套試驗裝置可以實現(xiàn)下游壓力擾動的頻率范圍為5?200Hz，維持了一個較寬的頻率變化范圍。
[0035]當需要下游不同形式的周期性反壓擾動時，可以模塊化更換凸輪轉(zhuǎn)軸3。改變凸輪轉(zhuǎn)軸3的大小和形式。其中，橢圓凸輪產(chǎn)生的是類正弦形式的壓力擾動，方形凸輪產(chǎn)生的是標準正弦形式的壓力擾動，菱形凸輪產(chǎn)生的是中心位置向下偏移后的正弦形式壓力擾動。
[0036]本發(fā)明采用在超聲速流場下游側(cè)壁面安裝凸輪轉(zhuǎn)軸驅(qū)動動力裝置驅(qū)動不同大小、不同形狀截面的凸輪轉(zhuǎn)軸3，在流場垂直截面產(chǎn)生周期性壓力擾動，可以實現(xiàn)較寬的反壓脈動頻率范圍(5?200Hz)的下游擾動試驗，解決了下游壓力擾動試驗的擾動頻率偏低的問題，還可以實現(xiàn)模擬多種形式和頻率的下游周期性擾動，滿足了激波運動特性試驗中對于常規(guī)反壓擾動和特殊高頻擾動兼顧的需求。以上所述，僅為本發(fā)明的【具體實施方式】，但本發(fā)明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本發(fā)明揭露的技術范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應涵蓋在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護范圍應該以權利要求的保護范圍為準。
【主權項】
1.一種產(chǎn)生高頻下游擾動的超聲速風洞試驗裝置，包括噴管段(I)、等直段(2)，噴管段(I)出口與等直段(2)相連，噴管段(I)和等直段(2)產(chǎn)生超聲速流場;等直段(2)下游連接流道連接段(5)，所述噴管段(I)和等直段(2)的連接處，等直段(2)和流道連接段(5)連接處均采用硅膠墊密封;凸輪轉(zhuǎn)軸(3)、凸輪轉(zhuǎn)軸驅(qū)動動力裝置(4)、密閉腔體連接段(6)、密閉軸承支撐部件(7)、上下側(cè)噴管型面(8)，壓力測點(9)、紋影觀察窗口(10)、步進電機及控制系統(tǒng)(II)，聯(lián)軸器(12)，內(nèi)撐桿(13)、滾珠軸承(14)，其特征在于:凸輪轉(zhuǎn)軸(3) —端與凸輪轉(zhuǎn)軸驅(qū)動動力裝置(4)相連接，安裝在流道連接段(5)—個側(cè)面;密閉軸承支撐部件(7)，通過內(nèi)置滾珠軸承(14)固定凸輪轉(zhuǎn)軸(3)另一端，安裝在連接段(5)的另一個側(cè)面。2.根據(jù)權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述凸輪轉(zhuǎn)軸驅(qū)動動力裝置(4)包括:步進電機及控制系統(tǒng)(11)，聯(lián)軸器(12)，內(nèi)撐桿(13);步進電機及控制系統(tǒng)(11)通過聯(lián)軸器(12)、內(nèi)撐桿(13)與凸輪轉(zhuǎn)軸(3)裝配。3.根據(jù)權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述凸輪轉(zhuǎn)軸驅(qū)動動力裝置(4)通過密閉腔體連接段(6)裝配在流道連接段(5)靠外的一個側(cè)面。4.根據(jù)權利要求2或3所述的裝置，其特征在于，所述凸輪轉(zhuǎn)軸(3)的形狀是橢圓形轉(zhuǎn)軸、方形轉(zhuǎn)軸或者菱形轉(zhuǎn)軸。5.根據(jù)權利要求2或3所述的裝置，其特征在于，所述凸輪轉(zhuǎn)軸(3)軸向長度小于流道連接段(5)寬度。
【文檔編號】G01M9/04GK105841916SQ201610365268
【公開日】2016年8月10日
【申請日】2016年5月27日
【發(fā)明人】王成鵬, 程川, 程克明, 薛龍生, 焦運, 徐培, 趙俊淇, 馬天佶
【申請人】南京航空航天大學