一种主动旋转式气流场试验系统

1.本发明涉及实验流体力学与空气动力学技术领域，特别涉及一种主动旋转式气流场试验系统。


背景技术：

2.各类装置在低温、低气压、覆冰、大雾、沙尘等复杂环境中的高速运动是极为常见工况，如高铁车顶的各类高压设备，飞机机翼及进气口部件，风力发电机叶片等等。与此同时，高速运动装置的空气动力学性能及其与环境适应性检测直接关乎到相关装置与设备的定型设计以及投产后的安全稳定运行状况。
3.目前设计、运行和维护中，检测装置在高速气流中运行性能的唯一方法是风洞试验。但是，传统风洞建立的成本高，占地面积大，运行消耗的功率以兆瓦级计算，运行维护困难，并且耗费大量的物力、财力和人力。同时对于实际运行中装备的复杂环境工况，如高铁牵引机车车顶高压设备支柱绝缘子在大雾、沙尘环境下的高速运行，飞行器在高空低温、低气压下的高速运行，风洞试验无能为力。
4.因此，亟需提出一种新的气流场试验方法，以较低成本实现装置在高速气流中运行性能的检测，推动飞行器、高铁、风电等高速运动设备检测与制造的发展。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本发明的目的在于提供一种主动旋转式气流场试验系统，该系统中通过特定结构的均流加速涵道保证试验段内的流场均质。而且，通过该系统，能够对应使用一种新的气流场试验方法，以较低成本实现装置在高速气流中运行性能的检测，推动飞行器、高铁、风电等高速运动设备检测与制造的发展。
6.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
7.一种主动旋转式气流场试验系统，包括均流加速涵道和用于控制所述均流加速涵道绕中心轴线转动的旋转机构，所述均流加速涵道包括依次连通的收缩段、试验段和扩散段，其中：
8.所述收缩段的截面面积沿进风方向逐渐减小；
9.所述试验段为圆筒型通风结构，用于放置试品；
10.所述扩散段的截面面积沿进风方向逐渐增大；
11.所述圆筒型通风结构的所有中心平面中，与所述中心轴线垂直的中心平面为第一基准面，所述收缩段、所述试验段和所述扩散段均为以所述第一基准面为对称中心面的对称结构；
12.所述圆筒型通风结构的所有中心平面中，与所述中心轴线平行的中心平面为第二基准面，所述收缩段的进风端口被所述第二基准面划分为相对靠近所述中心轴线的进风内侧边和相对远离所述中心轴线的进风外侧边，所述进风内侧边的中点到所述第二基准面的距离为所述进风内侧边中任一点到所述第二基准面的距离中的最大值，所述进风外侧边的
中点到所述第二基准面的距离为所述进风外侧边中任一点到所述第二基准面的距离中的最大值b，b＜a。
13.可选地，在上述主动旋转式气流场试验系统中，还包括均流蜂窝器，所述均流蜂窝器为圆形板状结构，其圆形端面上设置有多个通风孔；
14.所述均流蜂窝器嵌套设置在所述收缩段和所述试验段的相接处，在与所述中心轴线垂直且逐渐远离所述中心轴线的方向上，所述均流蜂窝器的厚度逐渐增大。
15.可选地，在上述主动旋转式气流场试验系统中，所述扩散段的出风端口被所述第二基准面划分为相对靠近所述中心轴线的出风内侧边和相对远离所述中心轴线的出风外侧边，所述出风内侧边的中点到所述第二基准面的距离为所述出风内侧边中任一点到所述第二基准面的距离中的最大值c，所述出风外侧边的中点到所述第二基准面的距离为所述出风外侧边中任一点到所述第二基准面的距离中的最大值d，d＜c。
16.可选地，在上述主动旋转式气流场试验系统中，所述旋转机构包括旋转主轴、圆形导轨、传动连杆、第一滑台，其中：
17.所述旋转主轴位于所述圆形导轨的圆心；
18.所述传动连杆与所述旋转主轴垂直固连；
19.所述第一滑台与所述圆形导轨配合，且与所述传动连杆固连；
20.所述均流加速涵道与所述第一滑台固连。
21.可选地，在上述主动旋转式气流场试验系统中，还包括第二滑台和动平衡装置，其中：
22.所述动平衡装置与所述第二滑台固连；
23.所述第二滑台与所述圆形导轨配合，所述第二滑台和所述第一滑台分别固连设置在所述传动连杆的两端。
24.可选地，在上述主动旋转式气流场试验系统中，所述圆形导轨包括同轴布置且形状相同的第一圆形导轨和第二圆形导轨，其中：
25.所述第一圆形导轨和所述第二圆形导轨分别设置有所述第一滑台，两个所述第一滑台之间固连设置有第一支撑杆，所述均流加速涵道通过第一支撑架固连设置在所述第一支撑杆的径向外侧。
26.可选地，在上述主动旋转式气流场试验系统中，所述第一圆形导轨和所述第二圆形导轨分别设置有所述第二滑台，每个所述第二滑台分别设置有所述动平衡装置。
27.可选地，在上述主动旋转式气流场试验系统中，所述第一圆形导轨和所述第二圆形导轨分别设置有所述第二滑台，两个所述第二滑台之间固连设置有第二支撑杆，所述动平衡装置通过第二支撑架固连设置在所述第二支撑杆的径向外侧。
28.可选地，在上述主动旋转式气流场试验系统中，所述第一支撑杆和所述第二支撑杆均为绝缘支撑杆。
29.可选地，在上述主动旋转式气流场试验系统中，还包括用于形成密闭试验空间的密封罩体。
30.从上述技术方案可以看出，本发明提供的主动旋转式气流场试验系统中，不仅通过旋转机构为试品提供高速运行环境，而且，所采用的均流加速涵道具有特定结构，能够抵消试品旋转运动时内外圈速度差异，保证试验段内的流场均质，从而使试品周围流场更接
近实际产品工作环境，有助于提高实验精度。通过该主动旋转式气流场试验系统，能够对应使用一种新的气流场试验方法，以较低成本实现装置在高速气流中运行性能的检测，推动飞行器、高铁、风电等高速运动设备检测与制造的发展。
附图说明
31.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
32.图1为本发明第一具体实施例提供的均流加速涵道和旋转机构的组合结构俯视图；
33.图2为本发明第一具体实施例提供的安装有均流蜂窝器和试验件的均流加速涵道的轴测图；
34.图3为本发明第一具体实施例提供的安装有均流蜂窝器和试验件的均流加速涵道的主视图；
35.图4为本发明第一具体实施例提供的安装有均流蜂窝器和试验件的均流加速涵道的俯视图；
36.图5为本发明第一具体实施例提供的安装有均流蜂窝器和试验件的均流加速涵道的左视图；
37.图6为本发明第一具体实施例提供的均流蜂窝器的结构示意图；
38.图7为本发明第一具体实施例提供的主动旋转式气流场试验系统的整体结构示意图；
39.图8为本发明第一具体实施例提供的旋转机构和均流加速涵道的组装结构主视图；
40.图9为本发明第二具体实施例提供的主动旋转式气流场试验系统的整体结构示意图。
具体实施方式
41.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
42.第一具体实施例
43.请参阅图1，本发明第一具体实施例提供了一种主动旋转式气流场试验系统，该系统主要包括均流加速涵道2和旋转机构。均流加速涵道2用于放置试品，并为试品提供试验环境；旋转机构用于控制均流加速涵道2绕中心轴线l0(即图1中的旋转主轴8的中心轴线)转动，以通过圆周驱动的方法令均流加速涵道2及其内部的试品高速移动，形成相对试验速度。
44.具体地，请参阅图1至图4，均流加速涵道2包括依次连通的收缩段21、试验段22和
扩散段23。其中：
45.收缩段21的截面面积沿进风方向逐渐减小，该截面是指收缩段21中与通风方向垂直的截面；
46.试验段22为圆筒型通风结构，用于放置试品，收缩段21和扩散段23分别位于试验段22的两端；
47.扩散段23的截面面积沿进风方向逐渐增大，该截面是指收缩段21中与通风方向垂直的截面。
48.而且，请参见图3至图5：
49.试验段22的所有中心平面中，与中心轴线l0垂直的中心平面为第一基准面s1，收缩段21、试验段22和扩散段23均为以第一基准面s1为对称中心面的对称结构；
50.圆筒型通风结构的所有中心平面中，与中心轴线l0平行的中心平面为第二基准面s2，收缩段21的进风端口被第二基准面s2划分为相对靠近中心轴线l0的进风内侧边211和相对远离中心轴线l0的进风外侧边212，进风内侧边211的中点到第二基准面s2的距离为进风内侧边211中任一点到第二基准面s2的距离中的最大值a，进风外侧边的中点到第二基准面s2的距离为进风外侧边中任一点到第二基准面s2的距离中的最大值b，b＜a。
51.当均流加速涵道2绕中心轴线l0转动时，虽然由于进风外侧边212的线速度大于进风内侧边211的线速度，容易导致试品绕中心轴线l0高速旋转运动时其内外圈速度存在差异。但是，由于均流加速涵道2被第二基准面s2划分的两部分并不对称，其进风内侧边211与第二基准面s2包围形成的进风面积大于进风外侧边212与第二基准面s2包围形成的进风面积，即收缩段21被设计成内外侧不对称的进风结构，其旋转内侧的开口面积大于旋转外侧的开口面积。因此，通过进风内侧边211进入均流加速涵道2内的气流逐渐汇聚，流速也会相对加快，从而更加接近通过进风外侧边212进入均流加速涵道2内的气流速度，有助于试品周围气流速度均匀，更接近实际产品工作环境。
52.可见，本发明第一具体实施例提供了一种主动旋转式气流场试验系统中，不仅通过旋转机构为试品提供高速运行环境，而且，所采用的均流加速涵道2具有特定结构，能够抵消试品旋转运动时内外圈速度差异，保证试验段22内的流场均质，从而使试品周围流场更接近实际产品工作环境，有助于提高实验精度。通过该主动旋转式气流场试验系统，能够对应使用一种新的气流场试验方法，以较低成本实现装置在高速气流中运行性能的检测，推动飞行器、高铁、风电等高速运动设备检测与制造的发展。
53.进一步地，均流加速涵道2内设置有均流蜂窝器24，均流蜂窝器24为圆形板状结构，其圆形端面上设置有多个通风孔。
54.优选地，如图2至图6中所示，均流蜂窝器24嵌套设置在收缩段21和试验段22的相接处。而且，在与中心轴线l0垂直且逐渐远离中心轴线l0的方向上，均流蜂窝器24的厚度逐渐增大。从而，在与中心轴线l0垂直且逐渐远离中心轴线l0的方向上，均流蜂窝器24上的通风孔长度逐渐加长，较长的通风孔对气流具有一定的引流和阻流的作用，较短的通风孔也具有引流作用，但对气流速度影响较小。从而可见，均流蜂窝器24为非均匀蜂窝均流器，放置在均流加速涵道收缩段尾部，能够进一步对进入试验段的气流进行均质，弥补试品旋转运动时内外圈气流速度差异，校正气流方向，降低气流湍流度，有利于保证试验段22内的流场均质。可见，均流加速涵道2和均流蜂窝器24均能够优化试品周围试验流场品质。
55.具体地，在上述主动旋转式气流场试验系统中，扩散段23的出风端口被第二基准面s2划分为相对靠近中心轴线l0的出风内侧边231和相对远离中心轴线l0的出风外侧边232，出风内侧边231的中点到第二基准面s2的距离为出风内侧边231中任一点到第二基准面s2的距离中的最大值c，出风外侧边232的中点到第二基准面s2的距离为出风外侧边232中任一点到第二基准面s2的距离中的最大值d，d＜c。从而有利于抵消试品旋转运动时内外圈速度差异，保证试验段22内的流场均质。
56.具体地，请参见图1，在上述主动旋转式气流场试验系统中，旋转机构包括旋转主轴8、圆形导轨4、传动连杆9、第一滑台31。其中：旋转主轴8位于圆形导轨4的圆心；传动连杆9与旋转主轴8垂直固连；第一滑台31与圆形导轨4配合，且与传动连杆9固连；均流加速涵道2与第一滑台31固连。
57.具体地，第一滑台31设置在圆形导轨4上，与圆形导轨4滑动配合或滚动配合。当驱动旋转主轴8绕自身轴线转动时，则通过传动连杆9驱动第一滑台31带着均流加速涵道2沿圆形导轨4做圆周运动。均流加速涵道2做圆周运动的过程中，上述第二基准面s2始终保持与中心轴线l0平行。
58.进一步地，在上述主动旋转式气流场试验系统中，还包括第二滑台32和动平衡装置5。其中：动平衡装置5与第二滑台32固连；第二滑台32与圆形导轨4设置在圆形导轨4上，与圆形导轨4滑动配合或滚动配合，第二滑台32和第一滑台31分别固连设置在传动连杆9的两端。
59.在具体实施例中，请参见图7和图8，圆形导轨4包括同轴布置且形状相同的第一圆形导轨41和第二圆形导轨42。其中：
60.第一圆形导轨41和第二圆形导轨42分别设置有第一滑台31，两个第一滑台31之间固连设置有第一支撑杆61，均流加速涵道2通过第一支撑架固连设置在第一支撑杆61的径向外侧；
61.而且，第一圆形导轨41和第二圆形导轨42分别设置有第二滑台32，两个第二滑台32之间固连设置有第二支撑杆62，动平衡装置5通过第二支撑架固连设置在第二支撑杆62的径向外侧。
62.具体地，第一支撑杆61和第二支撑杆62均为绝缘支撑杆。
63.具体实施时，上述主动旋转式气流场试验系统中还包括用于形成密闭试验空间的密封罩体1。也就是说，实际应用时，可结合密闭空间内复杂环境营造实现复杂环境流场试验条件。流场试验时，缩比试品放置在试验段22中，均流加速涵道2和试品一同在密闭试验空间中高速旋转。
64.具体地，密封罩体1的密闭空间中可模拟雾霾、沙尘、冰冻、雨雪、高低温、高低气压等环境及其组合，结合上述措施，实现复杂环境气流场试验条件，环境模拟具体方法不受限制。
65.具体实施时，旋转主轴8通过驱动电机7驱动转动，驱动电机7位于旋转主轴8的底端。但是，上述高速圆周运动的具体驱动形式可以有多种实现方式，本发明对此不作具体限定。
66.综上，本发明第一具体实施例提供的主动旋转式气流场试验系统，在试验过程中所形成的试验流场品质满足基本气流场试验要求，且可实现复杂环境气流场试验条件；同
时基于该方法的试验装置精简，建造、运行成本低，与传统风洞相比具有显著经济优势。
67.第二具体实施例
68.请参见图9，本发明第二具体实施例提供了一种主动旋转式气流场试验系统，其与上述第一具体实施例的区别仅在于：第一圆形导轨41和第二圆形导轨42分别设置有第二滑台32，每个第二滑台32分别设置有动平衡装置5。
69.最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
70.本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
71.对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。