本發明專利技術公開了一種具備角度調節功能的超聲速風洞試驗段調節裝置，屬于風洞試驗裝置設計領域。該裝置包括框架、彈性梁、鉸鏈軸、固定調節片、過渡調節片、轉動調節片、頂桿、弧形導軌、滾珠絲杠模組、伺服電機、減速機、拉線傳感器等?；⌒螌к壍能壍腊惭b在與框架固聯的過渡調節片上，弧形導軌的滑塊與轉動調節片連接，通過由伺服電機、減速機、滾珠絲杠模組組成的直線運動機構帶動頂桿行走，實現調節片轉動，產生可連續變化激波角的斜激波。本發明專利技術具有精確調節風洞流場的功能，可應用于激波反射、連續變馬赫數研究項目，也可用于測壓、進氣道等超聲速風洞特種試驗，有效地拓展風洞試驗的能力。
【技術實現步驟摘要】
一種具備角度調節功能的超聲速風洞試驗段調節裝置
本專利技術涉及一種具備角度調節功能的超聲速風洞試驗段調節裝置，可用于激波反射、連續變馬赫數、測壓、進氣道等超聲速風洞特種試驗項目，屬于風洞試驗裝置設計領域。
技術介紹
激波作為空氣動力學的基本物理現象，具有重要的物理意義和學術研究價值，激波反射現象作為空氣動力學重要的研究領域，在物理研究中一直受到了廣泛的關注。圖1(a)～圖1(f)是尖劈在二維流場中，來流Ma1與頭部激波的變化情況,其中，圖1(a)為當來流Ma1剛剛超過音速一點時，尖劈的前方出現一個離體激波；圖1(b)為Ma1速度繼續上升，離體激波向尖劈靠攏，發生彎曲；圖1(c)為Ma1速度繼續上升，激波從離體位置突然貼到尖劈前緣，形成斜激波AN；圖1(d)為Ma1速度繼續上升，激波AN的β角隨之減小。與此相對應的關系還有：圖1(e)為對應一定的Ma1，存在一個最大的尖劈角δmax，若尖劈角δ＜δmax，就形成一道貼在尖劈前緣的斜激波AN；圖1(f)為若尖劈角δ＞δmax，就形成一道立在尖劈前緣的弓形離體激波；對于圖1(c)、圖1(d)、圖1(f)的情況，激波后氣體的速度方向變化量為δ，即氣流方向與尖劈斜面平行，激波后馬赫數和激波角可依據完全氣體的斜激波公式計算：式中：Ma1＝來流馬赫數Ma2＝激波后馬赫數δ＝尖劈角β＝激波角γ＝比熱比，對于空氣取為1.40對于圖1(a)、圖1(b)、圖1(e)的情況，整個流場的計算很復雜，無法采用確切的計算公式計算激波后馬赫數和激波角，需要用計算流體力學計算或通過風洞試驗來驗證。尖劈放在超聲速風洞中的示意如圖2(a)和圖2(b)所示。(a)當來流Ma1的馬赫數足夠大，產生原生激波AN，氣流折轉δ角后速度變為Ma2，但仍然是超聲速的。原生激波AN達到風洞壁后，N點的洞壁也相當于一個δ角的尖劈，只要Ma2不太低，氣流又會產生一道斜激波NQ，經過NQ以后的氣流Ma3就和洞壁平行了。激波NQ稱為激波AN的反射波，這種反射稱為在直壁上的規則反射。(b)如果Ma2不夠大，第一道激波不可能伸到洞壁，可以沒有第二道斜激波，這時的反射波系如圖示意，N點是幾個激波的會合點，這相當于產生離體激波的情況。此外，還有各種類型激波的相交、反射等問題，稱之為激波的不規則反射。激波反射問題廣泛存在于超聲速飛行器布局、發動機進氣道等工程應用方面。在研究此類問題時，一般采用測力、測壓方法，配合以紋影、油流等觀測手段，來研究特定模型比較宏觀的激波反射問題。關于激波反射形成流場的邊界條件、內部結構分布等機理性的研究，雖然取得了不少認識，但仍然有有一些物理問題等待解決。如圖3示意的一種激波反射的典型內部流場，可以看到流動產生了明顯分離，激波與邊界層之間的相互作用形成了復雜流場。如圖4示意的激波反射現象分類，可以看出激波反射的外在表現形式也多種多樣。研究者在研究激波反射的道路上，不斷地深化和拓展認識，圖4的分類內容也在不斷地充實和豐富。研究激波反射的流場的邊界條件、內部結構分布等機理性問題，通過計算流體力學的方法全面計算很復雜也十分困難，需要設計各種類型的試驗方案研究。研究激波反射應用的一個例子是飛行器的結構設計。如果圖4示意的流場作用在飛行器表面，會造成飛行器表面結構的持續抖振，如果設計不當，飛行器表面結構有可能產生疲勞震動破壞，或大振幅振蕩破壞。針對研究激波反射的機理性問題，常用的風洞測量技術是在風洞支架上安裝不同尖劈角δ的模型，通過紋影等手段觀察激波結構。這種方法存在著不足，第一是超聲速氣流的馬赫數間隔最小為0.25，還沒有達到研究激波反射問題所需要的馬赫數步長精度；第二是模型的尖劈角δ的變化是有步長跨度的，連續變化尖劈角δ的機構受限于模型體積無法實現。
技術實現思路
本專利技術解決的技術問題是：克服現有技術的不足，提供一種具備角度調節功能的超聲速風洞試驗段調節裝置，該裝置可通過改變調節片的角度，制造出在一定角度和速度范圍內連續可控的超聲速氣流，為研究激波反射的原理創造試驗條件。本專利技術的技術解決方案是：一種具備角度調節功能的超聲速風洞試驗段調節裝置，該調節裝置包括轉動調節片、過渡調節片、弧形導軌、彈性梁、頂桿、拉線傳感器、橫梁、鉸鏈軸、框架、固定調節片和直線運動機構；其中，彈性梁固定安裝在風洞試驗段的底部位置，框架一端固定在彈性梁上，另一端通過鉸鏈軸與風洞擴開角機構相連；過渡調節片和固定調節片與框架固定連接；橫梁固定在風洞試驗段的底部位置；轉動調節片一端通過弧形導軌與過渡調節片連接，另一端通過頂桿與安裝在橫梁上的直線運動機構相連，直線運動機構通過頂桿帶動轉動調節片相對于過渡調節片一端旋轉；拉線傳感器主體固定在過渡調節片的側壁上，拉線端固定在轉動調節片端部，通過測量轉動調節片端部的位移換算成為轉動調節片相對于過渡調節片的角度，直線運動裝置調節轉動調節片相對于過渡調節片的角度至所需要的角度。所述過渡調節片及固定調節片通過壓緊的方式與框架固定連接。所述直線運動機構包括滾珠絲杠模組、減速機、伺服電機，伺服電機與減速機連接形成驅動源，減速機與滾珠絲杠模組配合連接，將電機的轉動轉為滾珠絲杠模組滑塊的直線運動。所述頂桿、拉線傳感器、橫梁、直線運動機構均位于風洞試驗支架的一側，與風動測試支架不在同一個垂直平面內。所述轉動調節片與過渡調節片的夾角最大時，頂桿與滾珠絲杠模組遠離弧形導軌方向的夾角接近于90度，但不超過90度。本專利技術與現有技術相比的有益效果是：(1)、本專利技術現有超聲速試驗段的壁板是固定的，本專利技術在超聲速試驗段的壁板上安裝轉動調節片，通過轉動調節片轉動形成的角度，可以得到超聲速風洞試驗所需的特殊流場：首先是實現超聲速馬赫數1.5～4.5范圍內的氣流速度連續變化，其次是實現研究激波反射所需要的連續變化尖劈角δ；(2)、本專利技術最大程度地保留了原有風洞壁板的結構，在轉動調節片為0°的時候，與原有風洞的內壁完全一致，不妨礙風洞開展其他試驗；(3)、本專利技術的過渡調節片及固定調節片在框架上的固定方式為壓緊，可提高調節片安裝固定的效率；(4)、本專利技術頂桿的瞬時角速度方向始終與轉動調節片轉動方向一致，并且頂桿的瞬心位置始終不超過頂桿上端在直線運動機構運動方向的垂直投影，保證了轉動調節片與滾珠絲杠模組(8)的滑塊位置具有唯一的對應關系；(5)、本專利技術轉動調節片位于最大轉角的位置時，氣動力最大，而此時頂桿與的滾珠絲杠模組(8)角度μ接近90°，直線運動機構的直線驅動力最大程度地轉化為轉動調節片圍繞轉心轉動所需的轉矩，對于整套機構而言，雖然此時的氣動力很大但伺服電機所需提供的驅動力很小，從而有效減小了伺服電機的功率和體積。(6)、本專利技術頂桿、拉線傳感器、橫梁、滾珠絲杠模組、減速機、伺服電機均位于風洞試驗支架的一側，與風動測試支架不在同一個垂直平面內，確保了轉動調節片與支架可同時運動而不會發生干涉。附圖說明圖1(a)為來流馬赫數剛過音速，尖劈前方產生離體激波的示意圖；圖1(b)為來流馬赫數剛過音速且稍大于圖1(a)的來流馬赫數，尖劈前方離體激波發生彎曲的示意圖；圖1(c)為來流馬赫數繼續上升，尖劈前方激波從離體位置突然貼到尖劈前緣，形成斜激波AN的示意圖；圖1(d)為來流馬赫數繼續上升，激波AN的β角相對于圖1(c)的β角減小的示意圖本文檔來自技高網...
【技術保護點】
一種具備角度調節功能的超聲速風洞試驗段調節裝置，其特征在于：包括轉動調節片(1)、過渡調節片(2)、弧形導軌(3)、彈性梁(4)、頂桿(5)、拉線傳感器(6)、橫梁(7)、鉸鏈軸(11)、框架(12)、固定調節片(13)和直線運動機構；其中，彈性梁(4)固定安裝在風洞試驗段的底部位置，框架(12)一端固定在彈性梁(4)上，另一端通過鉸鏈軸(11)與風洞擴開角機構相連；過渡調節片(2)和固定調節片(13)與框架(12)固定連接；橫梁(7)固定在風洞試驗段的底部位置；轉動調節片(1)一端通過弧形導軌(3)與過渡調節片(2)連接，另一端通過頂桿(5)與安裝在橫梁(7)上的直線運動機構相連，直線運動機構通過頂桿(5)帶動轉動調節片(1)相對于過渡調節片(2)一端旋轉；拉線傳感器(6)主體固定在過渡調節片(2)的側壁上，拉線端固定在轉動調節片(1)端部，通過測量轉動調節片(1)端部的位移換算成為轉動調節片(1)相對于過渡調節片(2)的角度，直線運動裝置調節轉動調節片(1)相對于過渡調節片(2)的角度至所需要的角度。
【技術特征摘要】
1.一種具備角度調節功能的超聲速風洞試驗段調節裝置，其特征在于：包括轉動調節片(1)、過渡調節片(2)、弧形導軌(3)、彈性梁(4)、頂桿(5)、拉線傳感器(6)、橫梁(7)、鉸鏈軸(11)、框架(12)、固定調節片(13)和直線運動機構；其中，彈性梁(4)固定安裝在風洞試驗段的底部位置，框架(12)一端固定在彈性梁(4)上，另一端通過鉸鏈軸(11)與風洞擴開角機構相連；過渡調節片(2)和固定調節片(13)與框架(12)固定連接；橫梁(7)固定在風洞試驗段的底部位置；轉動調節片(1)一端通過弧形導軌(3)與過渡調節片(2)連接，另一端通過頂桿(5)與安裝在橫梁(7)上的直線運動機構相連，直線運動機構通過頂桿(5)帶動轉動調節片(1)相對于過渡調節片(2)一端旋轉；拉線傳感器(6)主體固定在過渡調節片(2)的側壁上，拉線端固定在轉動調節片(1)端部，通過測量轉動調節片(1)端部的位移換算成為轉動調節片(1)相對于過渡調節片(2)的角度，直線運動裝置調節轉動調節片(1)相對于過渡調節片(2)的...
【專利技術屬性】
技術研發人員：袁雄，楊輝，李世強，
申請(專利權)人：中國航天空氣動力技術研究院，
類型：發明
國別省市：北京,11
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