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半模型试验

(2020-04-11 02:58:53) 百科综合
半模型试验

半模型试验

半模型试验是指在风洞中使用被对称平面所平分的半个模型进行的试验。其特点是没有支架干扰,又可增大试验雷诺数。常用于测压、进气道和纵向测力计算。

半模型试验可以在不增加模型加工及试验成本的基础上增加雷诺数,可以较全模模拟更加细节的部位,无支架干扰;但缺点是半模的机身对称面流动和实际不符,半模机身及内侧机翼与风洞洞壁的干扰较全模大

基本介绍

  • 中文名:半模型试验
  • 外文名:half-model test
  • 套用学科:流体力学与飞行力学
  • 实验类型:风洞试验的一种
  • 特点:没有支架干扰,可增大试验雷诺数
  • 作用:测压、进气道和纵向测力计算

风洞试验

风洞实验是指流体力学方面的风洞实验指在风洞中安置飞行器或其他物体模型,研究气体流动及其与模型的相互作用,以了解实际飞行器或其他物体的空气动力学特性的一种空气动力实验方法。
风洞实验的基本原理是相对性原理和相似性原理。根据相对性原理,飞机在静止空气中飞行所受到的空气动力,与飞机静止不动、空气以同样的速度反方向吹来,两者的作用是一样的。但飞机迎风面积比较大,如机翼翼展小的几米、十几米,大的几十米(波音747是60米),使迎风面积如此大的气流以相当于飞行的速度吹过来,其动力消耗将是惊人的。根据相似性原理,可以将飞机做成几何相似的小尺度模型,气流速度在一定範围内也可以低于飞行速度,其试验结果可以推算出其实飞行时作用于飞机的空气动力。
为研究各部件的贡献和干扰,除採用全模和部件组拆实验外,更精确的方法是在模型内安装多台天平,同时测量全机和部件的气动力。对于有对称面的飞行器,在绕流对称的条件下,可以洞壁或反射平板为对称面,取模型的一半做实验。这种实验称为半模型试验。

研究背景

根据飞行器流动左右对称的原理,可通过半模型实验来研究全模型某些气动特性。半模型实验与全模型实验相比较,具有模型大(在相同的试验段尺寸下),实验雷诺数高,模型加工容易,无尾支干扰,模型接近洞壁有利于测压线路的铺设,有利于特种实验装置的安装等特点,目前已广泛套用于测力、压力分布、铰链力矩、喷流、外挂、颤振、抖振、动导等实验。因此,近年来半模型实验的自适应壁风洞技术极受重视,英、法、德、美竞相研究并发展了相应的洞壁调整方案,但是这些方案都需获取风洞上、下壁及侧壁上详细的壁压信息,要求有大量的壁压测量点,计算程式複杂,计算工作量大,洞壁自适应过程需多步调整。此外,洞壁上流动参数扰动在某些区域很小,测量结果相对误差较大,所以对实验设备容量和精度要求很高,并妨碍生产率的提高。

简介

在风洞中使用被对称平面所平分的半个模型进行的试验。其特点是没有支架干扰,又可增大试验雷诺数。常用于测压、进气道和纵向测力计算。
半模型试验通常採用附面层垫板使得模型远离风洞壁面来减小洞壁对模型的干扰,有研究表明垫板厚度约在2b(b为空风洞核心段附面层位移厚度)模拟效果较好,且升力係数随着垫板厚度的增加而增加。NASA亦有研究表明垫板厚度在模型半展长的3%模拟效果较好。从各垫板高度下机翼各剖面的压力分布和全模对比来看,垫板高度的增加使得整个上翼面流速增加,从而升力係数增加。
因此半模型试验应着重选择合适的垫板高度,因为较高或较低的垫板高度会使得垫板影响较大或机身进入附面层影响区从而带来模拟的差异。同时儘可能模拟对称面及内侧机翼的流动,消除或减弱机头前方马蹄涡对下游区的影响。

研究现状

半模试验模拟主要包括减弱边界层对模型的影响如反射板研究,半模垫板高度研究、半模垫板前缘外形研究及减小模对称面处洞壁边界层厚度如边界层吹吸(主动控制)研究。国外对半模试验模拟较系统的研究报导可追溯到九十年代初,国内研究报导稍晚,研究内容和万法和国外类似。MILHOLENIIWE等的研究结果表明垫板厚度从b至15b变化过程中,升力係数单调增加且在垫板厚度2b处与全模数据吻合较好。分析其原因为垫板厚度增加使得整个上翼面流速增加,从而上翼面吸力增加,而垫板厚度小于2b时,上翼面流速降低相应吸力减小。ELIASSON P认为机翼展向交叉流是半模数据不模拟的一个重要因素。对称面机身压力分布也是半模模拟的一项参考因素,垫板高度会使得机身对称面上表面加速,吸力增加;对于沿流向剖面採用机身对称面外形的垫板,其和洞壁边界层相互干扰使得在垫板前缘上游处形成马蹄涡,对于全模则不会有,有研究表明对垫板机头处向内侧倒圆角可以减弱或消除马蹄涡的不利影响,从而使得半模和全模数据吻合较好。但也有学者通过选择合适的2D垫板高度可以获得和较好的模拟结果。前述减弱边界层与机身干扰的方法是增加高度使得机身远离洞壁,另外一种方法是在上游吹除下游吸附以减弱边界的影响,结果表明升力係数及俯仰力矩係数都有不同程度的增加,尤其是俯仰力矩係数增加较为明显。

优缺点

半模型试验可以在不增加模型加工及试验成本的基础上增加雷诺数,可以较全模模拟更加细节的部位,无支架干扰;但缺点是半模的机身对称面流动和实际不符,半模机身及内侧机翼与风洞洞壁的干扰较全模大,因此如何使得半模对称面、机身及内侧机翼的流动更加接近实际情况是国内外研究的核心内容。

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