一种抑制开口射流风洞低频压力脉动的喷口角涡发生器的制作方法

本发明涉及一种喷口角涡发生器，具体是一种抑制开口射流风洞低频压力脉动的喷口角涡发生器，属于风洞实验技术领域。

背景技术：

由于射流边界的剪切层(kelvin-helmholtz)不稳定，自由射流会在喷口下游一定距离因剪切层失稳而产生大尺度涡结构。这些涡结构与开口射流风洞试验段下游的收集器及其反射的压力脉动相互作用，导致试验段流场产生低频压力脉动。低频压力脉动破坏流场品质，严重影响试验模型的空气动力学和气动声学测量的精准度。为了在开口射流风洞中开展高质量的空气动力学和气动噪声试验研究，控制射流风洞的低频振荡，得到相对稳定的流场和声场测试环境，就显得尤为重要。除此之外，低频压力脉动引起的流场和洞体结构振荡以及涡-声间的相互作用都会造成能量损失，因此消弱或抑制低频压力脉动，对节约能源以及提高开口射流风洞能量利用效率也具有积极意义。

现有技术中，对低频压力脉动的控制措施主要包括两种方式。

一种是：收集器结构形状优化；其控制原理是通过改变收集器几何尺寸和形状等，降低收集器与大尺度涡结构相互作用产生的压力波动。该方式的难点和缺陷在于设计困难、工程量大，特别是对已经建成的风洞而言，改变收集器结构和形状往往受到洞体结构限制。

另外一种是：在射流喷口安装涡流发生器(传统的涡流发生器多为矩形或三角形的二维扰流片，以及立方体、三角锥等三维涡流发生器)；其控制原理是通过产生小尺度涡，促使剪切层转捩为湍流，而湍流可以抑制剪切层大尺度结构的形成，进而抑制低频压力脉动。如图1为现有技术中在矩形开口射流风洞喷口处，安装有等距交错的扰流体(喷口下壁不分布)，如图2所示为现有技术中在矩形开口射流风洞喷口处，安装有连续排列的三角形状扰流体(喷口下壁不分布)。这类涡流发生器带来的弊端有：1)不管是扰流片还是扰流体，外形上棱角棱边较多，带来自身高频噪声，严重影响声学测量；2)周向分布的方式和安装数目较多(喷口一周约安装20～30个)，不但使试验测量段层流核心面积缩小、破坏了流场品质，比如使方向场、湍流度增大等，严重影响空气动力学测量，而且叠加的高频噪声更严重；3)材质多为金属，安装复杂，对现有风洞喷口存在一定的破坏；4)还有一类为柔性材质，受风载后易破损，且自身易受迫振动，高频噪声强烈。总的来说，该类方式存在以下缺点：一是控制效果有限，并不能大幅度地降低低频压力脉动幅值；二是传统的涡流发生器使得转捩后的射流边界层具有更高的流动混合效率，射流边界扩张速度更快，因而可用于试验的层流核心部分的面积将会缩小；三是涡流发生器导致流动转捩后产生高频噪声，对声学测量带来不利影响。除此之外，随着测试手段的增强，以及受试设计对测试指标要求的提高，既有的涡流发生器控制手段已不能满足先进航空器/高速列车/汽车等对高精度、高质量测试结果的需求。

技术实现要素：

针对上述现有技术存在问题，本发明提供一种抑制开口射流风洞低频压力脉动的喷口角涡发生器，通过对涡流发生器的外形设计和分布方式改变，能够在大幅度降低风洞低频压力脉动的同时，不缩小试验的层流核心面积，并且不增加高频背景噪声。

本发明通过以下技术方案来实现上述目的：一种抑制开口射流风洞低频压力脉动的喷口角涡发生器，包括喷口，所述喷口的每个壁上固定安装有两个扰流体；其中，所述扰流体是由矩形的扰流体底面、两个扰流体侧面和流向表面组成的圆弧状结构。

进一步，所述喷口由四个壁组成，每个壁的两个端头各安装有一个扰流体。

进一步，所述流向表面为曲面结构。

进一步，所述流向表面为翼型曲面结构。

进一步，所述扰流体侧面和流向表面接触处设置有倒角。

进一步，所述扰流体侧面和流向表面呈直角相接。

进一步，所述扰流体、流向表面、喷口和倒角之间的尺寸关系为：

l1＝l5×(0.5～1)；

l2＝l4×(0.02～0.1)；

l3＝l1×(0.05～0.2)；

r1＝l1×(1.5～3)；

r2＝l3×(0.001～0.5)；

其中，扰流体底面长为l1，宽为l2；扰流体底面至所述流向表面最高处高度为l3；流向表面曲面半径为r1；倒角半径为r2；l4为喷口宽度，l5为喷口深度，l6为喷口高度。

进一步，所述扰流体前端与所述喷口出口距离为l7，所述扰流体侧面与相邻所述喷口的侧壁的距离为l8，安装于所述喷口侧壁上的扰流体侧面与相邻喷口壁的距离为l9；

它们之间的尺寸关系为：

l7＝l5×(0～0.1)；

l8＝l4×(0.02～0.1)；

l9＝l6×(0.02～0.1)；

其中，l4为喷口宽度，l5为喷口深度，l6为喷口高度。

本发明的有益效果是：该角涡发生器对喷口气流进行了长距离的边角导流，改变了涡流的方向，破坏了因剪切层失稳而产生的大尺度涡结构，在很大程度上抑制了低频压力脉动，能够大幅度的降低风洞低频压力脉动；该角涡发生器采用了流向表面呈长曲面和倒角设计，避免了外形上多棱多角带来的高频噪声，不会增加高频背景噪声；角涡发生器安装于喷口的四个壁的端部位置，即四壁相接触位置，使喷口上下左右4个壁的主体部分保留原貌，避免了喷口周向大量扰流体对试验测量段流场品质的破坏；能够保证不缩小试验的层流核心面积；该角涡发生器安装简单不易受损，能够获得高精度和高质量的测试结果。

附图说明

图1为现有技术中风洞喷口矩形涡流发生器；

图2为现有技术中风洞喷口三角形涡流发生器；

图3为本发明角涡发生器整体结构示意图；

图4为本发明角涡发生器安装在喷口主视结构示意图；

图5为本发明的扰流体结构示意图；

图6为本发明的扰流体主视结构示意图；

图7为本发明的扰流体俯视结构示意图；

图8为本发明主体外壳截面示意图；

图9为实施例中安装角涡发生器前后的压力脉动系数cp对比；

图10为实施例中安装角涡发生器前后的远场背景噪声spl对比；

图11为实施例中安装角涡发生器前后的湍流度对比；

图12为涡流发生器在喷口周向分布的安装正视图；

图13为实施例中喷口周向分布和角部分布涡发生器的压力脉动系数cp对比；

图14为实施例中安装柔性扰流片和角涡发生器的试验段中心静压脉动系数cp对比；

图15为实施例中安装导流单元和角涡发生器的远场背景噪声spl对比；

图中：1、扰流体，2、喷口，11、扰流体底面，12、流向表面，13、倒角，14、扰流体侧面。

具体实施方式

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。

如图3所示：一种抑制开口射流风洞低频压力脉动的喷口角涡发生器，该角涡发生器是基于对扰流体的外形设计和分布方式的重新设计，并将安装于喷口内的所有扰流体

形成的一种装置，称之为角涡发生器。

该角涡发生器包括喷口2，所述喷口2由四个壁围成，四个壁的端部首尾相接，从而形成两端开口的长方体状结构。

如图4所示：喷口2的四个壁上均固定安装有两个扰流体1，具体而言是每一个壁的两个端头位置各安装一个扰流体1。所述扰流体1包括一个矩形状的扰流体底面11、两个扰流体侧面14和一个流向表面12，换言之，如图5所示，所述扰流体1由扰流体底面11、扰流体侧面14和流向表面12组成了一个圆弧状结构。

所述流向表面12可以是曲面结构，也可以是翼型曲面结构。

所述扰流体1上可以没有倒角(所述扰流体侧面和流向表面呈直角相接)，也可以设置倒角，倒角位于所述扰流体侧面14和流向表面12的接触处。

扰流体11的外形设计：如图3、图4、图6至图8，所述扰流体11、流向表面2、喷口1和倒角13之间的尺寸关系为：

l1＝l5×(0.5～1)；

l2＝l4×(0.02～0.1)；

l3＝l1×(0.05～0.2)；

r1＝l1×(1.5～3)；

r2＝l3×(0.001～0.5)；

其中，扰流体底面长为l1，宽为l2；扰流体底面至所述流向表面最高处高度为l3；流向表面曲面半径为r1；倒角半径为r2；l4为喷口宽度，l5为喷口深度，l6为喷口高度。

角涡发生器在喷口的安装分布方式设计：如图3和图4所示，所述扰流体1前端与所述喷口2出口距离为l7，所述扰流体侧面14与相邻所述喷口2的侧壁的距离为l8，安装于所述喷口2侧壁上的扰流体侧面14与相邻喷口2壁的距离为l9；

它们之间的尺寸关系为：

l7＝l5×(0～0.1)；

l8＝l4×(0.02～0.1)；

l9＝l6×(0.02～0.1)；

其中，l4为喷口宽度，l5为喷口深度，l6为喷口高度。

通过图9可知：未安装涡流发生器的喷口与安装有角涡发生器的喷口前后的压力脉动系数cp对比，角涡发生器对喷口气流进行了较长距离的导流，改变了原涡流方向，破坏了因剪切层失稳而产生的大尺度涡结构，在很大程度上抑制了低频压力脉动。

通过图10可知：安装角涡发生器前后的远场背景噪声spl对比，角涡发生器抑制效果明显，尤其是风洞常用风速也是压力脉动强烈的风速60m/s～70m/s范围，远场低频压力脉动降幅达70％～80％，由于角涡发生器的流体表面呈长曲面和去棱角设计，避免了外形上多棱多角带来的高频噪声，并且安装角涡发生器后背景噪声并未明显增加。

通过图11可知：由于角涡发生器只在喷口角部分布，共安装8个，使喷口上下左右4个壁的主体部分保留原貌，避免了喷口周向大量扰流体对试验测量段流场品质的破坏。由图中可见，安装角涡发生器后在常用风速50m/s～70m/s范围内湍流度整体上减小了，尤其是在试验测量中心位置(轴向5m处)。

如图12所示：涡流发生器在喷口的周向分布方式；如图13所示，周向分布方式与角部分布方式的试验段远场压力脉动系数cp。可见，与周向分布相比，角涡发生器的角部分布方式，使压力脉动强烈的风速60m/s～70m/s范围的低频压力脉动明显减弱。另外，由于涡流发生器的安装数目大幅减少，对试验段流场品质和声场品质影响明显减小。

如图14所示：喷口分别安装柔性扰流片和角涡发生器的试验段中心静压脉动系数cp对比。可见，与安装柔性扰流片相比，安装角涡发生器后，明显降低了试验段中心的静压脉动。另外，避免了柔性材料自身易振动而激发其它频段脉动的缺点。

如图15所示：喷口安装射流导流单元和角涡发生器的远场背景噪声spl。可见，与安装导流单元相比，安装角涡发生器后，大幅降低了远场背景噪声，降幅达5～10db。

以上所举实施例为本发明的较佳实施方式，仅用来方便说明本发明，并非对本发明作任何形式上的限制，任何所属技术领域中具有通常知识者，若在不脱离本发明所提技术特征的范围内，利用本发明所揭示技术内容所做出局部更动或修饰的等效实施例，并且未脱离本发明的技术特征内容，均仍属于本发明技术特征的范围内。