一种双圆弧风洞拐角导流片气动优化方法、导流片及风洞与流程

1.本发明属于航天航空工程领域，具体涉及一种双圆弧风洞拐角导流片气动优化方法、导流片及风洞。


背景技术：

2.随着民用航空产业的蓬勃发展，飞行器适航取证对气动噪声水平的要求也越加严苛。气动声学风洞作为气动噪声研究的主流试验设备，进入了建设高潮期。
3.风洞拐角导流片主要应用于低速回流式风洞，作用是提高拐角位置的流场品质，减小风洞的流动损失。在气动声学风洞中，风洞拐角导流片还有一个重要的作用：作为消声部件降低风洞内传播的噪声水平。
4.常规风洞中常用的拐角导流片型式有弧板式、sa翼型式以及双圆弧型式。由于气动声学风洞对导流片的消声要求，导流片需要一定的厚度来填充吸声材料，因此双圆弧型式是更为适合的。同时为了提高消声效果，导流片安装的弦长间距比需要提高。如图1和图3所示，常规使用时，双圆弧风洞拐角导流片弦长间距比(c/d)在1.4～2.5，在气动声学风洞中，双圆弧拐角导流片的弦长间距比会提高到3.5～5，如图2和图4所示。弦长间距比的提高使得导流片数量增加，相邻导流片之间的相对距离减小，这将使得气流流经导流片时的最大速度增大，同时导流片对气流的导向作用增强。参考图4，相同导流片安装角α下，大弦长间距比时，导流片出口气流偏离拐角下游风洞轴线方向，导致导流片下游流动损失增加，流场品质下降，同时造成额外的气动噪声。
5.因此期待一种双圆弧风洞拐角导流片气动优化设计方法，能够解决采用大弦长间距比安装时，所导致的前缘气流加速严重，以及出口气流方向过度偏转的问题。


技术实现要素：

6.本发明的目的是提出一种双圆弧风洞拐角导流片气动优化方法，能够达到降低导流片前缘最大速度，纠正出口气流方向，同时不过度增加额外结构长度的目的。
7.为了实现上述目的，本发明提供了一种双圆弧风洞拐角导流片气动优化方法，所述双圆弧导流片具有给定的大弦长间距比，所述双圆弧导流片具有圆弧形的迎风面和背风面，所述迎风面和背风面的尾缘处均为弧线，其特征在于，所述方法包括：
8.获取所述双圆弧导流片尾缘后方的出口气流偏折角度θ，所述气流偏折角度θ为导流片下游风洞轴线方向与导流片出口气流方向的夹角；
9.基于所述气流偏折角度θ，优化所述导流片的尾缘构型，使所述尾缘的迎风面由弧线转变为第一直线，所述尾缘的背风面由弧线转变为第二直线，所述第一直线和所述第二直线的交点作为所述尾缘的顶点；
10.旋转所述导流片，以将所述导流片的安装角增加设定角度，并使导流片出口气流方向与拐角下游风洞轴线方向平行，所述安装角为导流片弦长方向与拐角上游风洞轴线方向的夹角。
11.可选方案中，所述优化所述导流片的尾缘包括：
12.在所述尾缘的迎风面上确定第一优化点，使得经过所述第一优化点的导流片的内切线与下游风洞轴线方向的夹角为β，所述β与所述气流偏折角度θ满足设定相关度；
13.在所述尾缘的迎风面上确定第二优化点，使所述第一优化点和所述第二优化点的连线与所述拐角对角线方向平行，所述拐角对角线方向为相邻两片所述导流片尾缘顶点连线方向；
14.所述内切线和经过所述第二优化点的所述导流片的外切线分别为所述第一直线和所述第二直线。
15.可选方案中，所述设定相关度为：0.5θ≤β≤2.5θ。
16.可选方案中，所述气流偏折角度的获取方法包括：通过模拟仿真获取或者根据经验值估算获取。
17.可选方案中，所述弦长间距比为3.5-5。
18.可选方案中，所述β＝θ，所述旋转所述导流片包括：将所述导流片朝导流片安装角增大的方向旋转的角度为θ。
19.本发明还提供了一种双圆弧风洞拐角导流片，所述导流片具有大弦长间距比，所述导流片通过上述的方法设计而成。
20.可选方案中，所述弦长间距比为3.5-5。
21.本发明还提供了一种气动声学风洞，所述气动声学风洞包括风洞拐角，所述风洞拐角处设有上述的双圆弧风洞拐角导流片。
22.本发明的有益效果在于：
23.本发明通过对导流片尾缘的气动型线进行修改，将原拐角导流片尾缘处的弧线改成直线，减弱了导流片尾缘对气流方向的偏转作用，优化了大弦长间距比时双圆弧拐角导流片的出口气流方向场，同时导流片弦长变化不大，不会过度增加导流片结构长度。通过调整导流片安装角，使得相邻两片导流片形成的气流通道在前缘附近变宽，降低了最大气流速度，能够减小导流片摩擦阻力以及降低流动噪声。
24.本发明具有其它的特性和优点，这些特性和优点从并入本文中的附图和随后的具体实施方式中将是显而易见的，或者将在并入本文中的附图和随后的具体实施方式中进行详细陈述，这些附图和具体实施方式共同用于解释本发明的特定原理。
附图说明
25.通过结合附图对本发明示例性实施例进行更详细的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显。
26.图1示出了小弦长间距比双圆弧导流片安装在风洞拐角中的一具体实施案例。
27.图2示出了大弦长间距比双圆弧导流片安装在风洞拐角中的一具体实施案例。
28.图3示出了常规风洞中小弦长间距比双圆弧拐角导流片(以两片导流片示意导流片之间的相对位置)。
29.图4示出了气动声学风洞中大弦长间距比双圆弧拐角导流片。
30.图5示出了双圆弧风洞拐角导流片在大弦长间距比时，解决出口气流过度偏折的一种方法。
31.图6示出了双圆弧风洞拐角导流片在大弦长间距比时，解决出口气流过度偏折的另一种方法。
32.图7示出了根据本发明一实施例的双圆弧风洞拐角导流片气动优化方法示意图。
33.图8示出了根据本发明一实施例的双圆弧风洞拐角导流片旋转示意图 (虚线为旋转前，实线为旋转后)。
34.图9示出了根据本发明一实施例的双圆弧风洞拐角导流片优化前后对比示意图。
具体实施方式
35.下面将更详细地描述本发明。虽然本发明提供了优选的实施例，然而应该理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了使本发明更加透彻和完整，并且能够将本发明的范围完整地传达给本领域的技术人员。
36.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
37.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
38.针对背景技术中，双圆弧风洞拐角导流片在大弦长间距比时，出口气流过度偏折的情况，目前常采用两种方法解决。
39.方法1，如图5所示，通过减小导流片安装角α(导流片安装角为导流片弦长方向与上游风洞轴线方向的夹角)，将出口气流方向调整为沿风洞管道轴向。该方法只考虑了出口气流的调整，没有考虑在安装角调整之后，导流片前缘气流受到的影响。随导流片安装角调整，两块导流片之间形成的气流通道发生了变化，导流片安装角变小之后，导流片前缘附近的气流通道变窄，导致该段气流加速，随之带来的是流动阻力损失的增加以及流动噪声的增大。
40.方法2，如图6所示，该方法保持导流片前缘位置不变，将导流片后缘部分直线延长，在导流片尾部形成一个较长的近似等截面的通道，该通道轴线方向与下游风洞轴线方向一致，以此将导流片出口气流方向纠正到沿下游风洞轴线方向。该方法需要较长的直线延长段来修正出口气流方向，造成阻力损失的增加以及制造安装成本的提高。同时该方法忽略了在导流片弦长间距比增大后，导流片前缘附近气流被加速的影响。
41.现有方法均只是简单的对导流片出口气流方向进行纠正，对导流片前缘恶化的气动特性没有进行优化，甚至进一步加剧了恶化。
42.为了解决采用大弦长间距比安装时，所导致的前缘气流加速严重，以及出口气流过度偏折的问题。达到降低导流片前缘最大速度，纠正出口气流方向，同时不增加额外结构长度的目的。本发明一实施例提供了一种双圆弧风洞拐角导流片气动优化方法，参考图2，图7至图9，图2示出了大弦长间距比双圆弧导流片安装在风洞拐角中的一具体实施案例。所述双圆弧导流片具有给定的大弦长间距比，所述双圆弧导流片具有圆弧形的迎风面和背风
面，所述迎风面和背风面的尾缘处均为弧线，所述方法包括：
43.获取所述双圆弧导流片尾缘后方的出口气流偏折角度θ，所述气流偏折角度θ为导流片下游风洞轴线方向与导流片出口气流方向的夹角；
44.基于所述气流偏折角度θ，优化所述导流片的尾缘构型，使所述尾缘的迎风面由弧线转变为第一直线，所述尾缘的背风面由弧线转变为第二直线，所述第一直线和所述第二直线的交点作为所述尾缘(新的导流片尾缘) 的顶点；
45.旋转所述导流片，以将所述导流片的安装角增加设定角度，并使出口气流方向与下游风洞轴线方向平行，所述安装角为导流片弦长方向与拐角上游风洞轴线方向的夹角。
46.具体地，本实施例中，双圆弧导流片的弦长间距比为3.5-5。对于给定的大弦长间距比(如在气动声学风洞设计中，根据对拐角导流片提出的降噪指标可以给定需要的导流片弦长及间距，由此得到需要的弦长间距比)，对应着一个气流偏折角度θ，该角度可以根据数值模拟仿真结果得出，或者根据经验值进行估算获得。
47.本实施例中，优化所述导流片的尾缘包括：在所述尾缘的迎风面上确定第一优化点，使得经过所述第一优化点的导流片的内切线与下游风洞轴线方向的夹角为β，所述β与所述气流偏折角度θ满足设定相关度(如 0.5θ≤β≤2.5θ)；在所述尾缘的迎风面上确定第二优化点，使所述第一优化点和所述第二优化点的连线与所述拐角对角线方向平行，所述拐角对角线方向为相邻两片所述导流片(未优化前的导流片)尾缘顶点的连线方向；所述内切线和经过所述第二优化点的所述导流片的外切线分别为所述第一直线和所述第二直线。
48.具体地，根据第一步得到的气流偏折角θ对双圆弧风洞拐角导流片进行尾缘的几何优化。经过该步骤的优化，导流片尾缘对气流方向的偏转作用减弱。
49.1、在导流片尾缘迎风面上寻找第一优化点7，使得过第一优化点7的导流片内切线6与下游风洞轴线2方向的夹角为θ(在其他实施例中，该夹角的范围取值为0.5θ至2.5θ)。内切线6(第一直线)即为导流片尾缘迎风面的气动优化型线。
50.2、在导流片尾缘背风面寻找第二优化点8，过第二优化点8的导流片外切线5(第二直线)即为导流片尾缘背风面的气动优化型线。过第一优化点7做拐角对角线方向9的平行线10，直线10与导流片背风面的相交点即为第二优化点8。背风面气动型线3和迎风面气动型线4为尾缘优化后的新的导流片气动型线。
51.由上步得到的尾缘优化设计后的新的导流片，接下来调整导流片前缘位置。如图8所示，将该导流片以旋转基点12顺时针方向旋转角度θ(使出口气流方向11与拐角下游风洞轴线方向2平行)，此时导流片安装角增大，导流片前缘附近相邻导流片之间的流道相比之前扩张了，最大气流速度减小，流场得到优化。
52.本实施例中提供的第一优化点7和第二优化点8的确定以及旋转角度的确定均不是唯一的。如确定第一优化点7时可以取内切线6与下游风洞轴线方向的夹角为2θ，第二优化点8的位置也可靠前或靠后，旋转角度也可以根据其他参数调整(只需保证旋转后导流片出口气流方向11与下游风洞轴线方向2平行)。因此实际第一优化点7、第二优化点8及导流片旋转角度这三个优化参数有多种组合形式，本实施例只是提供了一种较为简明的参数确定方案。
53.本发明方法对大弦长间距比的双圆弧拐角导流片进行了气动优化。通过对导流片尾缘的气动型线的修改，将原拐角导流片尾缘处的弧线改成直线，使得导流片尾缘对气流
方向的偏转作用减弱，优化了大弦长间距比时双圆弧拐角导流片的出口气流方向场，同时未大量增加导流片结构长度。通过增大导流片安装角，使得相邻导流片所形成的气流通道在导流片前缘附近变宽，降低了导流片间的最大气流速度，能够减小导流片摩擦阻力以及降低流动噪声。与现有方法相比，本发明方法不仅解决了导流片出口气流方向的问题，同时优化了导流片前缘附近的流场，并且不会过度增加导流片结构长度。
54.以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。