一種產(chǎn)生高頻下游擾動的超聲速風(fēng)洞試驗(yàn)裝置的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明實(shí)施例公開了一種產(chǎn)生高頻下游擾動的超聲速風(fēng)洞試驗(yàn)裝置,涉及空氣動力學(xué)領(lǐng)域,能夠解決下游壓力擾動的反壓機(jī)構(gòu)的擾動頻率較低的問題,還可以實(shí)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(yùn)動特性試驗(yàn)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(diǎn)(9)、紋影觀察窗口(10)、步進(jìn)電機(jī)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(fēng)洞實(shí)驗(yàn)中。
【專利說明】
一種產(chǎn)生高頻下游擾動的超聲速風(fēng)洞試驗(yàn)裝置
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及空氣動力學(xué)技術(shù)領(lǐng)域,尤其涉及一種產(chǎn)生高頻下游擾動的超聲速風(fēng)洞試驗(yàn)裝置。
【背景技術(shù)】
[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(guān)的激波、激波/附面層相互作用流場是高速氣體動力學(xué)領(lǐng)域的一種基本流場。在實(shí)際工程應(yīng)用中,激波結(jié)構(gòu)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(gè)重要原因,另一方面還會引起結(jié)構(gòu)上的疲勞破壞,將直接影響飛行器的設(shè)計(jì)性能和安全。激波、激波/附面層干擾結(jié)構(gòu)下游的壓力擾動被認(rèn)為是導(dǎo)致大尺度振蕩流態(tài)的主導(dǎo)因素。
[0003]目前針對下游壓力擾動對上游激波結(jié)構(gòu)的風(fēng)洞試驗(yàn)大多是在穩(wěn)態(tài)反壓條件下進(jìn)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(shí)際工程應(yīng)用中,激波下游的壓力擾動經(jīng)常會達(dá)到10Hz甚至更高頻率的工況;換言之,目前的超聲速風(fēng)洞試驗(yàn)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(yàn)裝置;其二,現(xiàn)有的少量的脈動反壓條件下的試驗(yàn)研究中反壓頻率實(shí)現(xiàn)形式為步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動反壓錐位沿流向運(yùn)動或者斜板閉合形式,能實(shí)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(shí)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(shí)施例提供一種產(chǎn)生高頻下游擾動的超聲速風(fēng)洞試驗(yàn)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(dá)到上述目的,本發(fā)明的實(shí)施例采用如下技術(shù)方案:
[0007]—種產(chǎn)生高頻下游擾動的超聲速風(fēng)洞試驗(yàn)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(diǎn)(9)、紋影觀察窗口(10)、步進(jìn)電機(jī)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(gè)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(gè)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(shí)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(jìn)電機(jī)及控制系統(tǒng)(11),聯(lián)軸器(12),內(nèi)撐桿(13);步進(jìn)電機(jī)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(gè)側(cè)面,可保持凸輪轉(zhuǎn)軸和聯(lián)軸器高速旋轉(zhuǎn)時(shí)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(shí)現(xiàn)較寬的反壓頻率范圍(5?200Hz)的下游擾動試驗(yàn),解決了下游壓力擾動試驗(yàn)的擾動頻率偏低的問題,還可以實(shí)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(yùn)動特性試驗(yàn)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(shí)施例中的技術(shù)方案,下面將對實(shí)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(shí)施例,對于本領(lǐng)域普通技術(shù)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(jié)構(gòu)示意圖;
[0016]圖2為本發(fā)明整體結(jié)構(gòu)主視圖;
[0017]圖3為本發(fā)明中菱形凸輪轉(zhuǎn)軸時(shí)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(jì)算示意圖;
[0019]圖5為本發(fā)明中橢圓形凸輪轉(zhuǎn)軸時(shí)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(shí)下游產(chǎn)生周期性擾動裝置示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0021]為使本領(lǐng)域技術(shù)人員更好地理解本發(fā)明的技術(shù)方案,下面結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述。本技術(shù)領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解,除非另外定義,這里使用的所有術(shù)語(包括技術(shù)術(shù)語和科學(xué)術(shù)語)具有與本發(fā)明所屬領(lǐng)域中的普通技術(shù)人員的一般理解相同的意義。還應(yīng)該理解的是,諸如通用字典中定義的那些術(shù)語應(yīng)該被理解為具有與現(xiàn)有技術(shù)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(shí)施例第一方面,本發(fā)明的實(shí)施例提供一種產(chǎn)生高頻下游擾動的超聲速風(fēng)洞試驗(yàn)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(diǎn)9、紋影觀察窗口 1、步進(jìn)電機(jī)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(gè)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(gè)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(shí)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(dāng)來流總壓與下游環(huán)境壓力之比達(dá)到噴管起動壓比時(shí),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(diǎn)9、紋影觀察窗口 10對該區(qū)域流場進(jìn)行參數(shù)測量。
[0025]當(dāng)試驗(yàn)無需下游壓力擾動時(shí),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(fēng)洞試驗(yàn)裝置。
[0026]在穩(wěn)態(tài)下游反壓擾動運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí),關(guān)閉步進(jìn)電機(jī)11,將凸輪轉(zhuǎn)軸3固定在某個(gè)旋轉(zhuǎn)角度的位置,在下游形成穩(wěn)定的流動阻塞,實(shí)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(shí)現(xiàn)。下游流場的阻塞度跟反壓大小成正比關(guān)系,當(dāng)凸輪轉(zhuǎn)軸3長軸在豎直截面時(shí),阻塞度最大,即下游反壓最大;當(dāng)凸輪轉(zhuǎn)軸3短軸在豎直截面時(shí),阻塞度最小,即下游反壓最小。
[0027]結(jié)合以上所述裝置,本實(shí)施例的一種可能的應(yīng)用場景實(shí)例,如圖2所示,采用以菱形轉(zhuǎn)軸為凸輪轉(zhuǎn)軸,當(dāng)進(jìn)行下游不同頻率的周期性反壓擾動試驗(yàn)時(shí),利用控制器在流場建立前設(shè)定步進(jìn)電機(jī)11的轉(zhuǎn)速。
[0028]如圖3所示,根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例第一方面的第一種可能的實(shí)現(xiàn)方式,所述凸輪轉(zhuǎn)軸驅(qū)動動力裝置4包括:步進(jìn)電機(jī)及控制系統(tǒng)11,聯(lián)軸器12,內(nèi)撐桿13;步進(jìn)電機(jī)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(shí)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(gè)側(cè)面,可保持凸輪轉(zhuǎn)軸和聯(lián)軸器高速旋轉(zhuǎn)時(shí)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(shí)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(shí)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(dāng)步進(jìn)電機(jī)11驅(qū)動凸輪轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速為恒定速度V轉(zhuǎn)/分鐘時(shí),以長軸水平時(shí)為初始零時(shí)刻,在凸輪轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)周期內(nèi),流道的阻塞面積S隨時(shí)間的變化關(guān)系可表達(dá)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(dāng)凸輪轉(zhuǎn)軸3采用橢圓形轉(zhuǎn)軸和菱形轉(zhuǎn)軸時(shí),轉(zhuǎn)軸每旋轉(zhuǎn)一個(gè)周期內(nèi),改變流場最大阻塞比兩次,相當(dāng)于產(chǎn)生了兩個(gè)周期的下游壓力擾動;如圖6所示,當(dāng)凸輪轉(zhuǎn)軸采用方形轉(zhuǎn)軸時(shí),轉(zhuǎn)軸每旋轉(zhuǎn)一個(gè)周期內(nèi),改變流場最大阻塞比四次,相當(dāng)于產(chǎn)生四個(gè)周期的下游壓力擾動。
[0034]由于所選用的步進(jìn)電機(jī)11額定轉(zhuǎn)速范圍為150?3000轉(zhuǎn)/分鐘(在高轉(zhuǎn)速時(shí)滿足帶動凸輪轉(zhuǎn)軸的扭矩需求,在低轉(zhuǎn)速時(shí)也滿足能維持凸輪轉(zhuǎn)軸在超聲速流場時(shí)旋轉(zhuǎn)時(shí)不受氣流的沖擊影響而改變轉(zhuǎn)速),理論上可以實(shí)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(shí))、200Hz(采用方形桿時(shí)),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(shí))。即該套試驗(yàn)裝置可以實(shí)現(xiàn)下游壓力擾動的頻率范圍為5?200Hz,維持了一個(gè)較寬的頻率變化范圍。
[0035]當(dāng)需要下游不同形式的周期性反壓擾動時(shí),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(biāo)準(zhǔn)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(shí)現(xiàn)較寬的反壓脈動頻率范圍(5?200Hz)的下游擾動試驗(yàn),解決了下游壓力擾動試驗(yàn)的擾動頻率偏低的問題,還可以實(shí)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(yùn)動特性試驗(yàn)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(shí)施方式】,但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此,任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi),可輕易想到的變化或替換,都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。因此,本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)該以權(quán)利要求的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種產(chǎn)生高頻下游擾動的超聲速風(fēng)洞試驗(yàn)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(diǎn)(9)、紋影觀察窗口(10)、步進(jìn)電機(jī)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(gè)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(gè)側(cè)面。2.根據(jù)權(quán)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(jìn)電機(jī)及控制系統(tǒng)(11),聯(lián)軸器(12),內(nèi)撐桿(13);步進(jìn)電機(jī)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(quán)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(gè)側(cè)面。4.根據(jù)權(quán)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(quán)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(yùn), 徐培, 趙俊淇, 馬天佶
【申請人】南京航空航天大學(xué)