專利名稱：近地環(huán)境運動物體空氣動力特性實驗平臺的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種近地環(huán)境運動物體空氣動力特性實驗平臺。
背景技術(shù)：
國內(nèi)外大批學(xué)者通過數(shù)值模擬、模型實驗、全尺寸實地實車實驗等多種方法對近地運動物體空氣動力特性開展了一系列研究，取得了大量成就。目前研究近地物體空氣動力效應(yīng)的實驗裝置主要有風(fēng)洞實驗裝置和動模型實驗裝置。風(fēng)洞是進(jìn)行空氣動力學(xué)實驗的一種主要設(shè)備，絕大多數(shù)空氣動力學(xué)實驗都在各種類型的風(fēng)洞中進(jìn)行。它具有實驗理論和實驗手段成熟，測量精密，氣流參數(shù)如速度、壓力等易于控制，并且基本上不受天氣變化的影響；但是風(fēng)洞實驗對于近地運動物體有非常大的局限:首先，風(fēng)洞實驗利用相對運動的原理，只模擬了近地運動物體和空氣的相對運動，但沒有真實模擬氣流和地面，以及近地運動物體和地面之間的相對運動，導(dǎo)致產(chǎn)生新的地面附面層，而該附面層改變了列車與地面之間的流場，嚴(yán)重時附面層甚至?xí)蜎]近地運動物體模型的底部和尾部，使流場嚴(yán)重失真，測量的空氣動力系數(shù)等產(chǎn)生非常大的偏差；移動地板、抽吸裝置的使用可以在一定程度上控制風(fēng)洞實驗中地面附面層對測試結(jié)果的干擾，但這種地板結(jié)構(gòu)復(fù)雜、操作不便、帶速有限，而且，移動環(huán)帶很厚，會嚴(yán)重影響流場品質(zhì)。此外，在實際應(yīng)用中還有一個更大的問題是振動，振動幅度隨地板移動速度的增加成幾何量級增力口，將引起風(fēng)洞氣流的法向擾動，嚴(yán)重影響實驗結(jié)果的準(zhǔn)確性。其次，風(fēng)洞實驗采用天平進(jìn)行氣動力和力矩的測量，天平的支座也將改變改變了列車與地面之間的流場，使產(chǎn)生誤差；第三，近地運動物體如列車、汽車、飛機等在地面均由車輪帶動物體運動，風(fēng)洞中無法模擬車輪的轉(zhuǎn)動對流場的影響。與風(fēng)洞實驗相比:動模型實驗是用模型高速運動的方法改變其周圍流場而完成的空氣動力實驗。動模型實驗?zāi)軌蚰M物體與物體、物體與地面之間的相對運動，能真實地反應(yīng)地面效應(yīng)；它區(qū)別于風(fēng)洞實驗，又與風(fēng)洞實驗互為補充。但動模型實驗無法提供側(cè)向風(fēng)，無法完成近地運動物體在側(cè)向風(fēng)下的空氣動力特性實驗。當(dāng)高速運行的近地物體遭遇強風(fēng)環(huán)境時，空氣動力特性明顯改變。動模型實驗裝置可精確模擬相對運動但無法提供外界風(fēng)環(huán)境，從而無法模擬近地運動物體的強風(fēng)空氣動力特性。同樣，風(fēng)洞實驗可以提供強風(fēng)環(huán)境，卻又無法模擬運動物體和地面，氣流和地面的相對運動。因此，亟待研發(fā)新的近地運動物體空氣動力特性研究綜合實驗裝置。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種能夠真實地模擬運動物體、地面和環(huán)境風(fēng)三者之間的相對運動的近地環(huán)境運動物體空氣動力特性實驗平臺。本發(fā)明的目的通過下述技術(shù)方案予以實現(xiàn):
所述近地環(huán)境運動物體包括汽車、列車和飛機；所述實驗平臺包括回流式風(fēng)洞裝置、模型、模型加速裝置、模型制動裝置，風(fēng)速儀和中央控制臺，所述中央控制臺配置計算機，中央控制臺與回流式風(fēng)洞裝置的電控部分和風(fēng)速儀電連接，計算機中安裝專用軟件；
所述模型為1:8-30的近地環(huán)境運動物體的實物模型，質(zhì)量為10-40公斤；模型上安裝傳感器、天平和數(shù)據(jù)采集裝置；
在回流式風(fēng)洞裝置的氣流回路中，設(shè)置一個側(cè)風(fēng)實驗段，側(cè)風(fēng)實驗段由面對面布置的出風(fēng)口和集風(fēng)口組成，出風(fēng)口和集風(fēng)口分別連接回流式風(fēng)洞裝置風(fēng)道的出口和入口 ；在出風(fēng)口和集風(fēng)口之間的地面上設(shè)置軌道，軌道被劃分為加速段、無側(cè)風(fēng)實驗段、側(cè)風(fēng)實驗段和制動段四個區(qū)段；
所述模型加速裝置安裝在軌道的加速段，其電控部分與中央控制臺電連接；
所述模型制動裝置安裝在軌道的制動段，其電控部分與中央控制臺電連接；
啟動回流式風(fēng)洞裝置，在出風(fēng)口采用風(fēng)速儀檢測風(fēng)力達(dá)到設(shè)定要求，并穩(wěn)定一定時間后，加速裝置在加速段將模型加速到設(shè)定值時自動脫離，模型在無側(cè)風(fēng)實驗段開始無動力自由滑行，然后進(jìn)入側(cè)風(fēng)實驗段繼續(xù)滑行，模型滑行到達(dá)制動段時，制動裝置對模型實施制動減速直到停止；
在模型運行期間，傳感器、天平等工作，將接收到的壓力、氣動力信息傳遞到數(shù)據(jù)采集裝置處理并保存；
在模型處于停止?fàn)顟B(tài)時，計算機連接數(shù)據(jù)采集裝置提取實驗數(shù)據(jù)，并進(jìn)行分析處理。所述軌道為兩條，兩條軌道平行布置，兩條軌道上放置的模型的頭部相向，兩臺模型加速裝置將各自連接的模型加速到設(shè)定值時自動脫離，兩個相向而行的模型以設(shè)定的相對速度在側(cè)風(fēng)實驗段內(nèi)無動力自由滑行交會；在模型運行期間，傳感器工作，將接收到的壓力信息傳遞到數(shù)據(jù)采集裝置處理并保存。所述側(cè)風(fēng)實驗段的長度為時間總和與最大實驗速度的乘積，其計算方法:最大實驗速度為設(shè)計的最大速度，時間總和為傳感器中最慢的反應(yīng)時間的1-3倍與設(shè)定工作時間之和。所述無側(cè)風(fēng)實驗段的長度按照模型周圍空氣流場穩(wěn)定時間與設(shè)定工作時間之和乘以模型設(shè)計的最大速度來確定。所述出風(fēng)口安裝風(fēng)向?qū)Я餮b置，使出風(fēng)口的風(fēng)向與地平面平行，且與軌道的中心線形成的夾角在30度至150度之間變化。與現(xiàn)有技術(shù)相比較本發(fā)明具有以下優(yōu)點:能夠真實地模擬運動物體、地面和環(huán)境風(fēng)三者之間的相對運動，使測量更加準(zhǔn)確。運動物體有輪子支撐，不需要其它天平支座，避免了支座的干擾，使實驗精度更高。
具體實施例方式下面結(jié)合實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明:
所述近地環(huán)境運動物體包括汽車、列車和飛機；所述實驗平臺包括回流式風(fēng)洞裝置、模型、模型加速裝置、模型制動裝置，風(fēng)速儀和中央控制臺，所述中央控制臺配置計算機，中央控制臺與回流式風(fēng)洞裝置的電控部分和風(fēng)速儀電連接，計算機中安裝專用軟件；
所述模型為1:8-30的近地環(huán)境運動物體的實物模型，質(zhì)量為10-40公斤；模型上安裝傳感器和數(shù)據(jù)采集裝置； 在回流式風(fēng)洞裝置的氣流回路中，設(shè)置一個側(cè)風(fēng)實驗段，側(cè)風(fēng)實驗段由面對面布置的出風(fēng)口和集風(fēng)口組成，出風(fēng)口和集風(fēng)口分別連接回流式風(fēng)洞裝置風(fēng)道的出口和入口 ；在出風(fēng)口和集風(fēng)口之間的地面上設(shè)置軌道，軌道被劃分為加速段、無側(cè)風(fēng)實驗段、側(cè)風(fēng)實驗段和制動段四個區(qū)段；
所述模型加速裝置安裝在軌道的加速段，其電控部分與中央控制臺電連接；
所述模型制動裝置安裝在軌道的制動段，其電控部分與中央控制臺電連接；
啟動回流式風(fēng)洞裝置，在出風(fēng)口采用風(fēng)速儀檢測風(fēng)力達(dá)到設(shè)定要求，并穩(wěn)定一定時間后，加速裝置在加速段將模型加速到設(shè)定值時自動脫離，模型在無側(cè)風(fēng)實驗段開始無動力自由滑行，然后進(jìn)入側(cè)風(fēng)實驗段繼續(xù)滑行，模型滑行到達(dá)制動段時，制動裝置對模型實施制動減速直到停止；
在模型運行期間，傳感器、天平等工作，將接收到的壓力、氣動力信息傳遞到數(shù)據(jù)采集裝置處理并保存；
在模型處于停止?fàn)顟B(tài)時，計算機連接數(shù)據(jù)采集裝置提取實驗數(shù)據(jù)，并進(jìn)行分析處理。所述軌道為兩條，兩條軌道平行布置，兩條軌道上放置的模型的頭部相向，兩臺模型加速裝置將各自連接的模型加速到設(shè)定值時自動脫離，兩個相向而行的模型以設(shè)定的相對速度在側(cè)風(fēng)實驗段內(nèi)無動力自由滑行交會；在模型運行期間，傳感器工作，將接收到的壓力信息傳遞到數(shù)據(jù)采集裝置處理并保存。所述側(cè)風(fēng)實驗段的長度為時間總和與最大實驗速度的乘積，其計算方法:最大實驗速度為設(shè)計的最大速度，時間總和為傳感器中最慢的反應(yīng)時間的1-3倍與設(shè)定工作時間之和。所述無側(cè)風(fēng)實驗段的長度按照模型周圍空氣流場穩(wěn)定時間與設(shè)定工作時間之和乘以模型設(shè)計的最大速度來確定。所述出風(fēng)口安裝風(fēng)向?qū)Я餮b置，使出風(fēng)口的風(fēng)向與地平面平行，且與軌道的中心線形成的夾角在30度至150度之間變化。在以下實施例中:
1、模型為1:20的3節(jié)CRH2型的高速列車組模型，質(zhì)量為22公斤。2、側(cè)風(fēng)實驗段的長度為15米，高度為2米。3、無側(cè)風(fēng)實驗段的長度為35米，高度為2米。4、加速段和制動段各50米。實施例1:
實驗平臺包括回流式風(fēng)洞裝置、模型、模型加速裝置、模型制動裝置，風(fēng)速儀和中央控制臺，所述中央控制臺配置計算機，中央控制臺與回流式風(fēng)洞裝置的電控部分和風(fēng)速儀電連接，計算機中安裝專用軟件；
模型上安裝傳感器和數(shù)據(jù)采集裝置；
在回流式風(fēng)洞裝置的氣流回路中，設(shè)置一個側(cè)風(fēng)實驗段，側(cè)風(fēng)實驗段由面對面布置的出風(fēng)口和集風(fēng)口組成，出風(fēng)口和集風(fēng)口分別連接回流式風(fēng)洞裝置風(fēng)道的出口和入口 ；在出風(fēng)口和集風(fēng)口之間的地面上設(shè)置軌道，軌道被劃分為加速段、無側(cè)風(fēng)實驗段、側(cè)風(fēng)實驗段和制動段四個區(qū)段；
啟動回流式風(fēng)洞裝置，出風(fēng)口的風(fēng)向與地平面平行，且與軌道的中心線的夾角為90度，即:垂直風(fēng)向。出風(fēng)口的風(fēng)速為每秒46米。在出風(fēng)口采用風(fēng)速儀檢測風(fēng)力達(dá)到設(shè)定要求，并穩(wěn)定15秒后，加速裝置在加速段將模型加速到每小時200公里時自動脫離，模型在無側(cè)風(fēng)實驗段開始無動力自由滑行，然后進(jìn)入側(cè)風(fēng)實驗段繼續(xù)滑行，模型滑行到達(dá)制動段時，制動裝置對模型實施制動減速直到停止；
在模型運行期間，傳感器、天平等工作，將接收到的壓力、氣動力信息傳遞到數(shù)據(jù)采集裝置處理并保存；
在模型處于停止?fàn)顟B(tài)時，計算機連接數(shù)據(jù)采集裝置提取實驗數(shù)據(jù)，并進(jìn)行分析處理。實施例2:
與實施例1基本相同，不同的是:在出風(fēng)口安裝風(fēng)向?qū)Я餮b置，使出風(fēng)口的風(fēng)向與地平面平行，且與軌道的中心線形成的夾角為60度。也就是說，風(fēng)洞吹向模型的風(fēng)不是水平垂直的，而是水平傾斜的，這時的側(cè)風(fēng)，不僅會改變模型的側(cè)面受力，而且會改變模型運行的阻力。實施例3:
與實施例1基本相同，不同的是:在出風(fēng)口安裝風(fēng)向?qū)Я餮b置，使出風(fēng)口的風(fēng)向與地平面平行，且與軌道的中心線形成的夾角為120度。也就是說，風(fēng)洞吹向模型的風(fēng)不是水平垂直的，而是水平傾斜的，這時的側(cè)風(fēng)，不僅會改變模型的側(cè)面受力，而且會改變模型運行的阻力。本發(fā)明的方法能夠?qū)α熊?、汽車和飛機進(jìn)行近地環(huán)境的空氣動力特性模型實驗。本發(fā)明具有以下優(yōu)點:
1、能夠真實地模擬運動物體、地面、空氣和環(huán)境風(fēng)三者之間的相對運動。由于運動物體模型車以實際速度在軌道上運動，能夠真實的模擬運動物體和地面、運動物體和環(huán)境風(fēng)以及環(huán)境風(fēng)和地面之間的相對運動。而現(xiàn)有的風(fēng)洞實驗測量方法，模型不動，空氣運動，環(huán)境風(fēng)的速度與真實模型運行速度的反向速度合成的速度為氣流的速度，這樣氣流與模型軸線有一定的夾角，用于模擬模型在環(huán)境風(fēng)下的氣動特性，該方法沒有完全模擬運動物體、地面和環(huán)境風(fēng)之間的相對運動，導(dǎo)致產(chǎn)生新的非物理的地面邊界層，改變了列車地面之間的流場，嚴(yán)重時附面層甚至淹沒運動物體的尾部，使測量的氣動力系數(shù)嚴(yán)重失真，產(chǎn)生非常大的偏差。2、運動物體先經(jīng)過無橫風(fēng)實驗段，再經(jīng)過橫風(fēng)實驗段，模型和其它環(huán)境一樣，通過對比可以清楚地得到環(huán)境風(fēng)對運動物體氣動特性的影響。3、運動物體有輪子支撐，不需要其它天平支座，避免了支座的干擾，實驗精度更聞。4、平臺模擬了運動物體的輪子(列車和汽車的車輪，飛機的轉(zhuǎn)向架)的轉(zhuǎn)動對流場的影響，實驗更真實。
權(quán)利要求
1.一種近地環(huán)境運動物體空氣動力特性實驗平臺，所述近地環(huán)境運動物體包括汽車、列車和飛機；所述實驗平臺包括回流式風(fēng)洞裝置、模型、模型加速裝置、模型制動裝置，風(fēng)速儀和中央控制臺，所述中央控制臺配置計算機，中央控制臺與回流式風(fēng)洞裝置的電控部分和風(fēng)速儀電連接，計算機中安裝專用軟件；其特征在于: 所述模型為1:8-30的近地環(huán)境運動物體的實物模型，質(zhì)量為10-40公斤；模型上安裝傳感器、天平和數(shù)據(jù)采集裝置； 在回流式風(fēng)洞裝置的氣流回路中，設(shè)置一個側(cè)風(fēng)實驗段，側(cè)風(fēng)實驗段由面對面布置的出風(fēng)口和集風(fēng)口組成，出風(fēng)口和集風(fēng)口分別連接回流式風(fēng)洞裝置風(fēng)道的出口和入口 ；在出風(fēng)口和集風(fēng)口之間的地面上設(shè)置軌道，軌道被劃分為加速段、無側(cè)風(fēng)實驗段、側(cè)風(fēng)實驗段和制動段四個區(qū)段； 所述模型加速裝置安裝在軌道的加速段，其電控部分與中央控制臺電連接； 所述模型制動裝置安裝在軌道的制動段，其電控部分與中央控制臺電連接； 啟動回流式風(fēng)洞裝置，在出風(fēng)口采用風(fēng)速儀檢測風(fēng)力達(dá)到設(shè)定要求，并穩(wěn)定一定時間后，加速裝置在加速段將模型加速到設(shè)定值時自動脫離，模型在無側(cè)風(fēng)實驗段開始無動力自由滑行，然后進(jìn)入側(cè)風(fēng)實驗段繼續(xù)滑行，模型滑行到達(dá)制動段時，制動裝置對模型實施制動減速直到停止； 在模型運行期間，傳感器、天平等工作，將接收到的壓力、氣動力信息傳遞到數(shù)據(jù)采集裝置處理并保存； 在模型處于停止?fàn)顟B(tài)時，計算機連接數(shù)據(jù)采集裝置提取實驗數(shù)據(jù)，并進(jìn)行分析處理。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的實驗平臺，其特征在于:所述軌道為兩條，兩條軌道平行布置，兩條軌道上放置的模型的頭部相向，兩臺模型加速裝置將各自連接的模型加速到設(shè)定值時自動脫離，兩個相向而行的模型以設(shè)定的相對速度在側(cè)風(fēng)實驗段內(nèi)無動力自由滑行交會；在模型運行期間，傳感器工作，將接收到的壓力信息傳遞到數(shù)據(jù)采集裝置處理并保存。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的實驗平臺，其特征在于:所述側(cè)風(fēng)實驗段的長度為時間總和與最大實驗速度的乘積，其計算方法:最大實驗速度為設(shè)計的最大速度，時間總和為傳感器中最慢的反應(yīng)時間的1-3倍與設(shè)定工作時間之和。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的實驗平臺，其特征在于:所述無側(cè)風(fēng)實驗段的長度按照模型周圍空氣流場穩(wěn)定時間與設(shè)定工作時間之和乘以模型設(shè)計的最大速度來確定。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的實驗平臺，其特征在于:所述無側(cè)風(fēng)實驗段的長度按照模型周圍空氣流場穩(wěn)定時間與設(shè)定工作時間之和乘以模型設(shè)計的最大速度來確定。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的實驗平臺，其特征在于:所述出風(fēng)口安裝風(fēng)向?qū)Я餮b置，使出風(fēng)口的風(fēng)向與地平面平行，且與軌道的中心線形成的夾角在30度至150度之間變化。
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的實驗平臺，其特征在于:所述出風(fēng)口安裝風(fēng)向?qū)Я餮b置，使出風(fēng)口的風(fēng)向與地平面平行，且與軌道的中心線形成的夾角在30度至150度之間變化。
8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的實驗平臺，其特征在于:所述出風(fēng)口安裝風(fēng)向?qū)Я餮b置，使出風(fēng)口的風(fēng)向與地平面平行，且與軌道的中心線形成的夾角在30度至150度之間變化。
9.根據(jù)權(quán)利要求5所述的實驗平臺，其特征在于:所述出風(fēng)口安裝風(fēng)向?qū)Я餮b置，使出風(fēng)口的風(fēng)向與地平面平行，且與軌道的中心線形成的夾角在30度至150度之間變化。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種近地環(huán)境運動物體空氣動力特性實驗平臺，近地環(huán)境運動物體包括汽車、列車和飛機；實驗平臺包括回流式風(fēng)洞裝置、模型、模型加速裝置、模型制動裝置，風(fēng)速儀和配置有計算機的中央控制臺，中央控制臺與回流式風(fēng)洞裝置的電控部分和風(fēng)速儀電連接；模型上安裝傳感器和數(shù)據(jù)采集裝置；在回流式風(fēng)洞裝置的氣流回路中設(shè)置側(cè)風(fēng)實驗段，側(cè)風(fēng)實驗段由面對面布置的出風(fēng)口和集風(fēng)口組成；在出風(fēng)口和集風(fēng)口之間設(shè)置軌道，軌道分為加速段、無側(cè)風(fēng)實驗段、側(cè)風(fēng)實驗段和制動段；模型在加速段被加速到設(shè)定速度后自由滑行，依順序通過無側(cè)風(fēng)實驗段、側(cè)風(fēng)實驗段和制動段，期間，傳感器、天平等測試儀器獲取壓力、氣動力等信息，計算機進(jìn)行分析處理。
文檔編號G01M9/06GK103207059SQ20131015317
公開日2013年7月17日 申請日期2013年4月27日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月27日
發(fā)明者田紅旗, 梁習(xí)鋒, 楊明智, 周丹, 張健, 劉堂紅, 熊小慧, 王中鋼 申請人:中南大學(xué)