Please wait a minute...
工程设计学报
工程设计学报  2024, Vol. 31 Issue (4): 521-528    DOI: 10.3785/j.issn.1006-754X.2024.04.125
整机和系统设计     
面向航空风洞地面效应模拟的高速移动带地板装置的设计
李朋春(),刘军民,周德开(),李隆球
哈尔滨工业大学 机电工程学院，黑龙江 哈尔滨 150001
Design of high-speed moving belt device for ground effect simulation in aviation wind tunnel
Pengchun LI(),Junmin LIU,Dekai ZHOU(),Longqiu LI
School of Mechatronics Engineering, Harbin Institute of Technology, Harbin 150001, China
 全文: PDF(3104 KB)   HTML
摘要：

研究飞行器在运行过程中的地面效应对其研制具有重要意义。目前国内广泛采用固定地板模拟技术，而黏性附面层的存在导致风洞模拟试验与真实情况严重不符。为此，研制了一种4.0 m×3.4 m的大幅面高速移动带地板模拟装置。采用单电机驱动的主从动辊带动移动带，使其上表面的线速度与风洞来流速度一致，从而消除附面层，准确模拟地面效应。提出了大长径比主从动辊分段加工方法，并采用过盈装配连接方式实现外筒与芯轴的连接，避免了常规焊接手段引起的热变形，显著减小了移动带在高速运行下的不平衡量；设计了快速伺服纠偏系统，使移动带偏移量保持在5 mm以内，并结合分布式控制系统，实现了移动带地板装置各系统的稳定运行；在地面测试中，移动带线速度可稳定在54 m/s左右，速度误差为0.25%左右，且移动带整体振动量抑制在0.1 mm左右。所研制的移动带地板装置成为国内最大的地面效应模拟装备之一，在风洞地面效应模拟与测试中具有广阔的应用前景。
关键词： 航空;  飞行器;  风洞;  地面效应;  移动带地板装置    
Abstract:

It is of great significance to study the ground effect of aircraft during its operation. Due to the existence of viscous boundary layer, the wind tunnel simulation test by fixed floor simulation technology widely used in China is seriously inconsistent with the real situation. Therefore, a high-speed moving belt simulation device with large scale of 4 m × 3.4 m was developed. Driven by a single motor, the master and slave rolls drived the moving belt to make its upper surface linear velocity consistent with the wind tunnel flow velocity, which eliminated the boundary layer to accurately simulate the ground effect. The segmented machining method of the master and slave rolls with large length-diameter ratio was proposed, and the connection between the outer cylinder and the mandrel was realized by the interference assembly connection, which avoided the thermal deformation caused by conventional welding method, and significantly reduced the unbalance of the moving belt under high-speed operation. The fast servo correction system was designed to keep the offset of the moving belt within 5 mm. Combined with the distributed control system, the stable operation of each system of the moving belt device was realized. In the ground test, the linear speed of the moving belt could be stabilized at about 54 m/s with a speed error of about 0.25%, and the overall vibration of the moving belt was inhibited at about 0.1 mm. The moving belt device developed becomes one of the largest ground effect simulation equipment in China and has broad application prospects in wind tunnel ground effect simulation and testing.
Key words: aviation    aircraft    wind tunnel    ground effect    moving belt device
收稿日期: 2024-03-25 出版日期: 2024-08-26
CLC:  V 211.752  
基金资助: 国家自然科学基金资助项目(52125505)
通讯作者: 周德开     E-mail: lpc2zx@163.com;dekaizhou @hit.edu.cn
作者简介: 李朋春（1995—），男，博士生，从事机器人技术、机电一体化装备等研究，E-mail: lpc2zx@163.com
服务　　
把本文推荐给朋友
加入引用管理器
E-mail Alert
RSS
作者相关文章　　
李朋春
刘军民
周德开
李隆球

引用本文:

李朋春,刘军民,周德开,李隆球. 面向航空风洞地面效应模拟的高速移动带地板装置的设计[J]. 工程设计学报, 2024, 31(4): 521-528.

Pengchun LI,Junmin LIU,Dekai ZHOU,Longqiu LI. Design of high-speed moving belt device for ground effect simulation in aviation wind tunnel[J]. Chinese Journal of Engineering Design, 2024, 31(4): 521-528.

链接本文:

https://www.zjujournals.com/gcsjxb/CN/10.3785/j.issn.1006-754X.2024.04.125    或    https://www.zjujournals.com/gcsjxb/CN/Y2024/V31/I4/521

图1  移动带地板装置的组成
图2  移动带地板装置驱动系统的组成
图3  大长径比主从动辊分段设计
图4  移动带地板装置纠偏系统设计
图5  温度传感器布置方式
图6  多路冷却盘路布置方式
图7  移动带地板装置控制系统设计
图8  驱动系统性能分析结果
图9  纠偏系统性能测试结果
图10  移动带地板装置实物图
图11  移动带地板装置的动平衡测试曲线
1 明强，魏然，贾丹，等. 地面结冰气象条件模拟控制技术研究［J］.航空制造技术，2014，57（9）：77-79. doi：10.3969/j.issn.1671-833X.2014.09.013
MING Q， WEI R， JIA D， et al. Research on ground freezing weather conditions simulating control technology［J］. Aeronautical Manufacturing Technology， 2014， 57（9）： 77-79.
doi: 10.3969/j.issn.1671-833X.2014.09.013
2 SEREEZ M， ABRAMOV N， GOMAN M G. Impact of ground effect on airplane lateral directional stability during take-off and landing ［J］. Open Journal of Fluid Dynamics， 2018， 8（1）： 1-14.
3 SUP M B， CHUL C Y. A study on perception and reaction of ground effect during landing of large airplanes［J］. Journal of the Korean Society for Aviation and Aeronautics， 2018， 26（1）： 1-9.
4 NICOLOSI F， CORCIONE S， VECCHIA P D. Commuter aircraft aerodynamic characteristics through wind tunnel tests［J］. Aircraft Engineering and Aerospace Technology， 2016， 88（4）： 523-534.
5 王继明. 地效对飞机气动特性的影响研究［J］. 民用飞机设计与研究， 2016（1）： 56-57.
WANG J M. The study of the ground effects on the aircraft aerodynamic characteristics［J］. Civil Aircraft Design and Research， 2016（1）： 56-57.
6 黄文涛，向阳，王笑，等. 基于翼尖涡物理特征的诱导阻力减阻机制实验研究［J］.实验流体力学，2017，31（5）：53-59.
HUANG W T， XIANG Y， WANG X， et al. Experimental study on drag-reduction mechanisms based on the physical characteristic of tip vortex［J］. Journal of Experiments in Fluid Mechanics， 2017， 31（5）： 53-59.
7 谢今明，张扬军，涂尚荣. 地面效应对汽车外部流动的影响［J］.机械工程学报，2003，39（3）： 58-61. doi：10.3901/jme.2003.03.058
XIE J M， ZHANG Y J， TU S R. Numerical simulation study of ground effects on flow field around vehicle bodies［J］. Journal of Mechanical Engineering， 2003， 39（3）： 58-61.
doi: 10.3901/jme.2003.03.058
8 李潜. 地面效应对飞机动稳定性的影响［C/OL］//大型飞机关键技术高层论坛暨中国航空学会2007年学术年会论文集.［2024-03-15］. .
LI Q. The influence of ground effects on aircraft dynamic stability［C/OL］//Collected Papers of the High Level Forum on Key Technologies of Large Aircraft and the 2007 Academic Annual Conference of the Chinese Aviation Society.［2024-03-15］. .
9 DEGRAZIA G A， BODMANN B E J， WITTWER A R， et al. Wind tunnel experiments with neutral and convective boundary layer stabilities［J］. American Journal of Environmental Engineering， 2018， 8（4）： 154-158.
10 杨炯，梁鉴，李征初. 活动地板关键技术研究［J］.实验流体力学，2008，22（4）：68-71. doi：10.3969/j.issn.1672-9897.2008.04.015
YANG J， LIANG J， LI Z C. Key technical research on developing moving belt ground proximity［J］. Journal of Experiments in Fluid Mechanics， 2008， 22（4）： 68-71.
doi: 10.3969/j.issn.1672-9897.2008.04.015
11 SARDOU M. “Reynolds Effect” and “Moving Ground Effect” tested in a quarter scale wind tunnel over a high speed moving belt［J］. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics， 1986， 22（2/3）： 245-270.
12 BURGIN K， ADEY P C， BEATHAM J P. Wind tunnel tests on road vehicle models using a moving belt simulation of ground effect［J］. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics， 1986， 22（2/3）： 227-236.
13 KĘDZIERSKI Ł， KRYSZTOFIAK G， PRASKI R， et al. Low speed wind tunnel moving ground test bed design［J］. Flow Measurement and Instrumentation， 2024， 96： 102540.
14 SCHEPERS J G， BOORSMA K， MUNDUATE X. Final results from Mexnext-I： Analysis of detailed aerodynamic measurements on a 4.5 m diameter rotor placed in the large German Dutch wind tunnel DNW［J］. Journal of Physics： Conference Series， 2014（1）： 12-89.
15 HERMANS C， HEGEN S. DNW innovations in wind tunnel testing： New moving belt system for large low speed facility［J］. CEAS Aeronautical Journal， 2018， 9（2）： 283-290.
16 EDIRISINGHE R， MAYORAL S. On the mechanical design of the rolling road addition to the CSUF wind tunnel［C］//WCX SAE World Congress Experience， Detroit， Michigan， USA， April 9-11， 2019. doi：10.4271/2019-01-0651 .
doi: 10.4271/2019-01-0651
17 韩子健，彭俊，胡宗民，等. JF-12激波风洞在火星进入环境下的运行特性［J］.航空学报，2021， 42（3）： 124129-1）-（124129-12）. doi：10.7527/S1000-6893.2020.24129
HAN Z J， PENG J， HU Z M， et al. Operating characteristics of JF-12 shock tunnel in Mars entry tests［J］. Acta Aeronauticaet Astronautica Sinica， 2021， 42（3）： 124129-1）- （124129-12）.
doi: 10.7527/S1000-6893.2020.24129
18 刘云峰，汪运鹏，苑朝凯，等. JF12长实验时间激波风洞10°尖锥气动力实验研究［J］.气体物理，2017，2（2）：1-7. doi：10.19527/j.cnki.2096-1642.2017.02.001
LIU Y F， WANG Y P， YUAN C K， et al. Aerodynamic force measurements of 10° half-angle cone in JF12 long-test-time shock tunnel［J］. Physics of Gases， 2017， 2（2）： 1-7.
doi: 10.19527/j.cnki.2096-1642.2017.02.001
19 都鹏杰. FL-61风洞壳体有限元分析与气压试验［J］.科学技术与工程，2017，17（8）：303-306.
DU P J. FEM analysis and gas pressure intensity test of FL-61 wind tunnel［J］. Science Technology and Engineering， 2017， 17（8）： 303-306.
20 李征初，杨炯，梁鉴，等. ⌀3.2m风洞活动地板系统研制［J］.实验流体力学，2011，25（4）：89-93.
LI Z C， YANG J， LIANG J， et al. Development of moving belt floor in ⌀3.2m wind tunnel［J］. Journal of Experiments in Fluid Mechanics， 2011， 25（4）： 89-93.
21 胡天勇. 低速风洞活动地板关键技术研究［D］. 长沙：国防科学技术大学， 2007. doi：10.2514/6.2008-3704
HU T Y. The research of the crucial technology for the moving belt ground plane in low speed wind tunnel［D］. Changsha： National University of Defense Technology， 2007.
doi: 10.2514/6.2008-3704
[1] 张卫国,李国强,宋奎辉,阎旭,赵亮亮. 旋翼翼型高速风洞动态试验装置研制[J]. 工程设计学报, 2022, 29(4): 500-509.
[2] 郑雨辰, 鞠锋, 王旦, 孙敬滨, 王亚明, 陈柏. 航空发动机叶片检测机器人的设计与控制研究[J]. 工程设计学报, 2021, 28(5): 625-632.
[3] 叶锦涛, 刘凤丽, 郝永平, 刘双杰, 郭梦辉, 冯卓航. 一种超低空飞行的仿生扑翼飞行器的设计及分析[J]. 工程设计学报, 2021, 28(4): 473-479.
[4] 吴波, 张丰华, 田沣, 醋强一. 航空电子模块储热器工作时间预测[J]. 工程设计学报, 2021, 28(1): 48-55.
[5] 周超, 王阳, 芮晓明. 500 kV输电线路跳线风偏有限元分析与试验研究[J]. 工程设计学报, 2020, 27(6): 713-719.
[6] 陈静, 侯伟, 周毅博, 王修专, 储松林. 增材制造使能的航空发动机复杂构件快速研发[J]. 工程设计学报, 2019, 26(2): 123-132.
[7] 李彦奎, 吕彦明, 倪明明. 基于正交试验的航空叶片精锻模具磨损分析[J]. 工程设计学报, 2017, 24(6): 632-637.
[8] 姚灵灵，贺乃宝，高 倩，宋 伟. 四旋翼飞行器的新型自适应离散滑模控制[J]. 工程设计学报, 2015, 22(6): 602-606.
[9] 邱明星. 外部设计技术发展及计算机辅助设计的应用[J]. 工程设计学报, 2005, 12(5): 257-261.