一种S型流道流动控制变参数测试系统的制作方法

一种s型流道流动控制变参数测试系统
技术领域
1.本实用新型涉及主动流动控制技术领域，尤其是一种s型流道流动控制变参数测试系统。


背景技术：

2.随着战斗机设计技术的提高，现代战斗机的生存能力受到的关注日益增加，而隐身性能是当中不可忽视的一项。发动机作为战斗机热量主要排放部件，对其部件的遮蔽程度将很大程度影响到隐身性能，s形进气道因其独特的构造可以对发动机叶片进行一定程度的遮挡，可以有效降低可供雷达监测的反射面，所以成为了该课题的解决方案之一且已在诸多研制中的隐身战斗机，无人机等多处中得到了广泛应用。
3.然而，研究中发现s形进气道的几何特征也使其内部流场趋于复杂。在大曲率弯曲段会存在强逆压梯度最终导致流动分离现象，随之而来可能会使进气道出口截面总压恢复系数降低，从而减小发动机整体的有效推力。同时，该流动分离现象还将造成进气道出口截面出现较大的总压畸变以及二次旋流，这可能诱使发动机发生喘振。为了提高发动机工作范围和工作效率，进而提升战机性能，非常有必要对s形进气道的分离流动进行有效控制，通过被动或主动流动控制手段改善进气道出口的流场品质。
4.最常见的被动流动控制方案是涡流发生器，其在管道中合适的位置将自发诱导产生的漩涡等一系列流体结构与边界层相互作用，这将加剧边界层内部能量的交换，从而达到抑制边界层分离的目的。然而该种控制方法，虽然结构简单，但是一般只在特定的一些工况下表现良好。而主动流动控制方案，结构会相对而言更加复杂，但是其能够根据实际工况所需进行主动调节，有着良好的变工况性能，故对于运行工况多变的战斗机而言，合理设计的主动流动控制方案是比较理想可行的控制方案。
5.主动流动控制需要引入外界扰动和能量注入，与稳态吹气/吸气方法相比，基于周期性非稳态激励的主动流动控制方法效率更高，以附加动量系数来计算，其效率可以提升两个数量级，这在各种领域内的应用研究中都得到了验证。这些周期性非稳态的扰动由各种激励器产生，比较典型的激励器有合成射流激励器，等离子体激励器，流体振荡器等等。但是航空发动机内的工作条件恶劣，对所有零部件的可靠性要求极高，使用非稳态流动控制的难点就在于缺乏结构简单、可靠性高的激励器。
6.流体振荡器是一种在入口输入给定压力气源，在出口产生周期性振荡射流的主动控制装置。由于其无可移动部件、结构简单、出口设流动量大、自激振荡、自激维持等优点，极大地引起了研究人员的兴趣。
7.目前有关射流振荡器的测试及分析更多的应用于外流中，然而，对于s型进气道内部分离流动方面的控制问题，振荡射流器的应用及测试方案还有待进一步完善。由于流体振荡器本身的出口尺寸小，影响区域有限，而受控制的区域相比之下一般较大。为了将流体振荡器应用到实际的流动分离控制场景当中，需要在被控制的流动区域内布置一系列的流体振荡器阵列。由此，就在被控制区域的表面形成了一系列的离散型周期性的振荡射流激
励。将流体振荡器的内部流道与进气道的壁面设计相结合，从外部或者航空发动机内引入高压气源，通过调节流体振荡器流道进口处的压力，在振荡器出口处形成所需的振荡射流工作频率和幅值，由此将会在不增加现有飞机结构复杂性、不降低其可靠性和安全性的前提下，同时实现飞机飞行阻力和进气道尺寸的降低，以及发动机工作裕度的大幅提高。基于自激发振荡射流主动激励的s型进气道内流动分离主动控制技术同时结合了主动流动控制效率高，以及被动流动控制可靠性高/安全性高的优点，以被动控制的形式获得了主动控制的良好效果。能够显著降低s型进气道流动损失，提高发动机进口气流品质，同时兼顾了安全性、可靠性以及系统结构的复杂性，在实际工程应用上具有广阔的前景。
8.在s型进气道内部流动的主动调节控制效果，跟射流激励的位置、激励的角度、激励器的分布位置、激励器的个数、激励射流的速度和频率密切相关。但是流体振荡器的设计几何结构一旦确定，当工作介质特性不变时，其随进口压力变化的频率响应特性、速度响应特性也随之确定。只能通过调节进口压力，来调节激励速度和激励频率。为了定量研究以上不同激励参数对s型进气道/流道内流动品质的影响，需要进行大量的参数化实验研究，除了激励速度和频率外，还包括射流激励位置、激励角度、激励器个数、激励器分布位置的影响。每组参数的组合都需要s型进气道壁面上加工出多个流体振荡器的复杂流道，这就导致试验成本过高、试验周期过长。


技术实现要素：

9.为了解决现有技术中存在的不足，本技术提出了一种s型流道流动控制变参数测试系统，通过模块化设计能够满足多种设计参数及加工精度要求，提高便利性的同时保证试验本身的准确性。
10.本实用新型所采用的技术方案如下：
11.一种s型流道流动控制变参数测试系统，包括：
12.弯曲段，
13.设置在弯曲段的可更换插板，所述可更换插板可拆卸安装在弯曲段；
14.在待测试位置处的可更换插板上设置安装槽；
15.安装在安装槽内的可更换流体振荡器，所述可更换流体振荡器与安装槽之间可拆卸连接，所述可更换流体振荡器的射流出口朝向弯曲段内部流道；
16.设置在弯曲段两端的平直段，所述平直段与弯曲段内部平滑连接。
17.进一步，所述弯曲段上每个位置处的可更换插板都备有多块，一部分可更换插板上不开设安装槽，在另一部分可更换插板上的不同位置开设安装槽。
18.进一步，在所述弯曲段设置单个待测试位置，或多个测试位置。
19.进一步，所述可更换流体振荡器包括连接部，以及连接部上部的上凸部，上凸部为带有斜坡的凸块；可更换流体振荡器内振荡器阵列的射流出口设置在上凸部的上表面。
20.进一步，所述安装槽为与上凸部相配合的带斜坡槽，上凸部与安装槽扣合连接；连接部与可更换插板之间通过连接件可拆卸连接。
21.进一步，相邻所述可更换插板之间、可更换插板与相邻平直段之间均设计为相互配合的阶梯状，再利用连接件可拆卸连接。
22.进一步，所述可更换流体振荡器内设置振荡器阵列，振荡器阵列射流喷射方向与
内部流道之间夹角为α，α取值范围为15
°
至90
°
。
23.进一步，不同射流角度的振荡器阵列的射流出口位置相同。
24.进一步，所述振荡器阵列采用松弛型振荡器、音波型振荡器、康达扫掠型振荡器或射流耦合型振荡器。
25.进一步，所述可更换流体振荡器由振荡器安装侧和盖板构成，振荡器安装侧7设置振荡器阵列，振荡器安装侧与盖板之间固定连接。
26.进一步，所述可更换流体振荡器是采用cnc精密机械加工成型、一体化3d打印成型、或其他成型方式。
27.有益效果
28.1、本实用新型提出的一种s型流道流动控制变参数测试系统，采用可更换插板与可更换流体振荡器阵列的双重可更换结构；其中，通过改变可更换插板上扣合槽的位置，就可以改变振荡器的激励位置，从而研究主动激励位置对控制效果的影响。即仅仅通过更换插板，只要保证扣合槽的形状部件，就可以在不改变原有s型流道结构，以及振荡器阵列的结构的前提下，研究不同重新激励位置参数对主动控制的影响。实现多变量的研究，节约参数研究的成本，提高经济性与实验效率。
29.在同一个可更换插板上，通过改变不同流体振荡器阵列，即改变不同阵列上流体振荡器个数、振荡器大小、振荡器分布间距、振荡器类型、不同射流激励角度等，从而研究不同激励参数对流动控制效率的影响规律。
30.2、可更换插板与s型流道之间采用阶梯状扣合方式连接，扣合面采用密封圈和紧固螺栓连接密封，从而避免因加工误差和安装精度导致的气体泄漏。
31.3、激励器阵列与插板通过带有斜坡的扣合槽扣合连接，斜坡结构能够实现激励器阵列的快速扣合，保证狭小体积内实现大角度振荡器的安装。振荡器阵列与可更换插板扣合面设计并非垂直，而是使用依据控制射流角度而确定的斜坡设计，可以方便快速拆装，同时减小安装缝隙，避免气体泄漏。
32.4、为了研究振荡器射流方向与来流方向夹角的影响，需要制造不同倾斜角度的流体振荡器阵列，本技术中不同射流类型、不同射流角度的可更换流体振荡器与插板上安装槽的装配面一致；保证不同角度阵列的出口射流位置一致。
33.5、本测试系统通过模块化设计能够满足多种设计参数及加工精度要求，提高便利性的同时保证试验本身的准确性。
34.6、通过沉头螺栓对激励器进行对称紧固与密封，使之可以实现多种角度的激励器控制试验，并且减小了加工误差的影响以及加工缺陷对结果的影响，同时不再对试验段材料有特定要求，金属加工或是3d打印零件均可达到较为理想的效果。
附图说明
35.图1是本实用新型s型流道流动控制变参数测试系统结构示意图；
36.图2是可更换插板结构示意图；
37.图3是可更换激励器结构示意图；
38.图4是可更换激励器、可更换插板与s型流道壁面之间的装配示意图；
39.图5是可更换激励器结构示意图；
40.图6是45
°
角可更换激励器结构示意图；
41.图7是90
°
角可更换激励器结构示意图；
42.图8是45
°
角可更换激励器结构和90
°
角可更换激励器叠合状态图；
43.图9是可更换激励器与可更换插板装配示意图；
44.图10是可更换激励器内部的振荡器阵列示意图；
45.图11是四种不同构型的流体振荡器阵列；(a)松弛型振荡器；(b)音波型振荡器；(c)康达扫掠型振荡器；(d)射流耦合型振荡器；
46.图12是可更换流体振荡器从外部固定连接、从内部固定连接部位示意图；
47.图中，1、弯曲段，2、进口平直段，3、出口平直段，4、可更换插板，4a、第一可更换插板，4b、第二可更换插板，5、安装槽，6、可更换流体振荡器，6-1、上凸部，6-2、连接部，6-3下凸部，6-4、射流出口，6-5、外连接孔，6-6、内连接孔，7、振荡器安装侧，8、盖板,9、振荡器，10、沉头孔。
具体实施方式
48.为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
49.针对现有技术中存在的不足，本技术设计出如图1所示的一种s型流道流动控制变参数测试系统，该系统包括弯曲段1和平直段连接而成。
50.在本实施例中，将s型流道的截面设计为矩形，但是不局限于该形状，也可以是圆形等多种形状。
51.在本实施例中以截面为矩形的s型流道做进一步说明：
52.平直段包括进口平直段2和出口平直段3，进口平直段2和出口平直段3的最外侧分别设置法兰，进口平直段2通过法兰风洞来流，为s型流道流动控制实验提供实验所需来流条件；出口平直段3利用法兰分别与输出管路连接。
53.进口平直段2和出口平直段3分别设置在弯曲段1的两侧，弯曲段1与进口平直段2、出口平直段3构成的内部流道平滑连接。弯曲段1为实验段，产生流动分离及流向涡旋等流动结构。
54.更具体地，弯曲段1可采用金属、有机玻璃板等多种材料，采用机械加工、激光切割等多种方式进行加工。
55.弯曲段1是由多块可更换插板4平滑连接形成s型流道。从图1来看，弯曲段1上下部分的可更换插板4是带有弧度的，像上部分的两块可更换插板4是反向弯曲的，由此连接后形成s型，下部分的两块可更换插板4同样设计，上下两部分连接形成的s型相互平行，形成s型流道。沿着流动方向，相互连接的两块可更换插板4之间需要平滑连接，以保证流道内部是光滑的。侧壁的可更换插板4也是s型的。
56.本技术所设计的系统是为了能够实现对s型进气道内部流动的主动调节控制效果进行测试，由于影响主动调节控制效果的因素跟射流激励的位置、激励的角度、激励器的分布位置、激励器的个数、激励射流的速度和频率密切相关。因此为了能够在同一个测试系统中实现对上诉参数的改变及定量研究，本技术在弯曲段1设计出可更换插板4。结合图4，相
邻可更换插板4之间、可更换插板4与相邻平直段之间均设计为相互配合的阶梯状，利用阶梯状结构相互配合，能够在快速定位的同时，利用如螺钉等连接件从外部将可更换插板4可拆卸安装。如图4中可更换插板4左端与进口平直段2之间的连接部位均为阶梯状，相互配合后再用螺钉从外部进行锁紧，当需要更换可更换插板4时，直接可以拆卸。可更换插板4右端与另一块可更换插板4连接部位同样设计为阶梯状，相互配合后再用螺钉从外部进行锁紧。螺钉从外部锁紧的好处是便于安装，同时螺钉不能延伸至内部流道，保证了内部流道的平滑。
57.本技术在可更换插板4上设置安装槽5，可更换流体振荡器6安装在安装槽5上，可更换流体振荡器6的射流出口6-4朝向流道内设置。为了能够实现可更换流体振荡器6的可以更换，本技术中可更换流体振荡器6是可拆卸的安装在安装槽5内，以便于更换不同射流类型、不同射流角度的可更换流体振荡器6。
58.更具体地，为了能够改变可更换流体振荡器6的测试位置，弯曲段1上每个位置处的可更换插板4都备有多块，一部分可更换插板4上不开设安装槽5，在另一部分可更换插板4上的不同位置开设安装槽5。当需要改变测试位置时，仅需要更换一片具有不同安装槽5位置的可更换插板4即可。例如图1中，上部分的第一可更换插板4a的最上部开设有安装槽5，当需要测试第一可更换插板4a其他位置时，只需要更换另一块不同位置开设安装槽5的第一可更换插板4a即可，以改变可更换流体振荡器6的测试位置，其他部位同理。由于本技术中通过可更换插板以及更换可更换流体振荡器6就可以实现对测试位置、射流类型、射流角度的调节，测试系统的整体结构是不变化的，不需要对每种改变而设计出现测试系统，所以能够降低试验成本，且通过快速更换，能够进行多次试验，缩短了试验周期。
59.更具体地，本系统还可以同时对多个位置进行测试，例如图1中，可以同时将上部的第一可更换插板4a，下部的第二可更换插板4b均换成带有安装槽5的，安装槽5内装上可更换流体振荡器6；就可以同时在第一可更换插板4a，下部的第二可更换插板4b处进行测试。
60.更具体地，当需要在同一测试位置处对不同射流类型、不同射流角度的可更换流体振荡器6进行测试时，则需要更换不同射流类型、不同射流角度的可更换流体振荡器6；但是需要保证更换前后可更换流体振荡器6的射流出口6-4位置相同。针对该问题，本技术是通过优化可更换流体振荡器6与安装槽5的结构实现。结合附图2和3，安装槽5为带斜坡槽，安装槽5的剖面为梯形，可更换流体振荡器6与安装槽5的连接部为上凸部6-1，上凸部6-1是一个带斜坡的立方体，通过上凸部6-1斜坡面与安装槽5斜坡面的配合，可以实现两者之间的快速定位。同时，不同射流类型、不同射流角度的可更换流体振荡器6的射流出口6-4位置相同；如图9所示，所有可更换流体振荡器6的射流出口6-4的中心线距离安装槽5的后缘(以流动方向分为前缘、后缘)距离都相同。
61.更具体地，可更换流体振荡器6与安装槽5所在的第一可更换插板4a之间可拆卸连接。如图5所示，可更换流体振荡器6包括连接部6-2，以及连接部6-2上部的上凸部6-1，连接部6-2与可更换插板4之间通过螺钉等连接件可拆卸连接。下凸部6-3内部为振荡器阵列。
62.更具体地，可更换流体振荡器6是双层装配式，可更换流体振荡器6由振荡器安装侧7和盖板8构成，振荡器安装侧7设置振荡器阵列如图10所示，振荡器安装侧7与盖板8之间固定连接。
63.更具体地，可更换流体振荡器6可以采用cnc精密机械加工成型、一体化3d打印成型、或其他成型方式。
64.更具体地，振荡器阵列可以采用如图11所示的松弛型振荡器、音波型振荡器、康达扫掠型振荡器或射流耦合型振荡器。振荡器阵列的结构尺寸、排列间距在该设计方案下可扩展性更强。对于需要精密加工的振荡器阵列可以采用金属加工、3d打印等多种方式进行。与传统实验方案相比减小了精密加工结构的体积，避免了大型结构件加工精度不足的缺陷，保证了与加工精度较低的流道结构配合实验的精度。
65.更具体地，振荡器阵列的射流角度是振荡器阵列射流喷射方向与来流方向具有夹角α，α可在15—90度之间变化，α角的变化会产生不同流动控制效果。如图6、7、8所示，其中，图6所示的是45
°
倾角阵列，图7是90
°
倾角阵列，为了清楚展示不同射流角度的可更换流体振荡器6的射流出口6-4位置相同，结合图8所示，将图6和图7两种可更换流体振荡器6重合示意，可以看出两种可更换流体振荡器6的上凸部6-1是完全重合的。
66.更具体地，对于可更换流体振荡器6的安装，在实际的装配过程中可以根据可更换流体振荡器6的安装位置、可更换流体振荡器6的结构不同，对于可更换流体振荡器6与可更换插板4之间采用不同的连接方式，根据可更换流体振荡器6与可更换插板4之间之间连接件的安装方向可以分为为从外部固定连接、从内部固定连接这两种形式。
67.针对如图6、7所示的两种可更换流体振荡器6，如果可更换流体振荡器6的连接部6-2的宽度足够，且连接部6-2与所要安装处的可更换插板4之间可以很好的贴合，如图12中a区域；对于a区域处可更换流体振荡器6与可更换插板4之间通过连接件连接如螺栓，螺栓从整个流道的外部朝向流道内部连接，螺栓依次穿过连接部6-2上的外连接孔6-5、可更换插板4处的连接孔实现对这两者的连接；连接部6-2上均匀布置多个上述外连接孔6-5，同样通过螺栓从外内部安装；此时，可更换插板4上与外连接孔6-5相对应的连接孔为盲孔，即螺栓不能延伸至流道内，可以保证流道的光滑性。
68.但是对于连接部6-2的宽度不够紧固件的安装，且连接部6-2与所要安装处的可更换插板4之间具有弧度，不能很好的贴合如图12中b区域(或者图6中左侧的连接部6-2，从紧固件外向内的安装条件)，这种情况下，如果b区域还是采用如a区域处从外向内的连接方式，就会导致b区域处连接部6-2不能在四周均布连接件，非对称螺栓紧固容易导致缝隙和局部变形，这些缝隙与局部变形同样会导致气体泄漏、流场畸变等多种问题，影响实验结果。针对一问题，本实用新型对b区域，采用从流道的内部朝向流道外部安装连接件。在b区域处可更换插板4位于流道内的表面上开设多个沉头孔10如图9所示，沉头孔10沿射流出口6-4侧边沿均匀设置多个；在连接部6-2上均匀布置多个内连接孔6-6，内连接孔6-6与沉头孔10一一对应；在安装时，连接件如螺栓从沉头孔10插入与沉头孔10对应的内连接孔6-6，实现可更换插板4与可更换流体振荡器6之间的连接。由于沉头孔10是开设可更换插板4位于流道内的表面上，沉头孔10会破坏流道的光滑度，为了保证b区域处流道的光滑度，故在螺栓安装后，使用石膏等材料作为填料，对沉头孔10填平。
69.另外，连接部6-2同一侧处开设的内连接孔6-6与外连接孔6-5需要错开一定距离，不能重叠，如图3中左侧所示，图3仅给出了左侧连接部6-2上内连接孔6-6与外连接孔6-5的示意，在实际使用时，右侧连接部6-2上内连接孔6-6与外连接孔6-5也可以如此设置。
70.上述可更换流体振荡器6与可更换插板4的连接方式，可以很好地平衡振荡器阵列
两侧的应力，避免翘曲、缝隙和局部变形，从而保证主流动的特性。在主流道一侧安装紧固螺栓后使用密封胶等填充物填充螺栓孔，可以避免流场受到局部缝隙和变形的影响。
71.以上实施例仅用于说明本实用新型的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本实用新型的内容并据以实施，本实用新型的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本实用新型所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本实用新型的保护范围之内。