中汽中心气动声学风洞先进设备(一)——移动测试系统(Traversing system)

2020-02-08 11:49:36·  来源:中汽中心空气动力学实验室  
 
移动测试系统(Traversing system)是一种能够在三维空间中实现高精度定位功能的设备,如图1所示,在风洞测试段内移动测试系统通常以天平转盘中心为系统原点,可
移动测试系统(Traversing system)是一种能够在三维空间中实现高精度定位功能的设备,如图1所示,在风洞测试段内移动测试系统通常以天平转盘中心为系统原点,可实现X,Y,Z三个方向的移动和定位,其可定位的三维空间范围主要集中在转盘上部空间。该系统底部留有安装接口,主要用于为多种流体测试仪器(如:热线探针、压力探头、麦克风等)提供精准定位,如此便可测得汽车周围或风洞中指定位置的流场信息。
图1. 风洞移动测试系统
 
一. 移动测试系统简介
图2为中汽中心气动-声学风洞移动测试系统,主要包括:①Y-rail ②X-beam ③ X-carriage ④ Z-carriage ⑤ Z-arm ⑥ rotational unit ⑦驱动电机 ⑧控制系统。
图2. 中汽中心气动-声学风洞移动测试系统
图3. 移动测试系统主要结构示意图
 
1. Y-rail:两条Y轨分别与驻室顶部的两根混凝土主梁相连接,整个系统近30吨重量都是通过Y-rail传递到混凝土梁上。其方向与气流方向(X向)垂直,可看做是整个移动测试系统的Y轴,Y向可移动范围为-7m~7m。Y-rail的安装精度对于整个系统所能达到的测量精度十分关键,为此Y-rail采用多段轨道的设计方案,每段轨道又由多个可实现X/Y/Z三个方向微调的构件组成,如此在安装的过程中需要根据平整度测量结果不断调整每个构件的位置,进而实现在如此大的跨度范围内仍能保证mm级的平整度。
2. X-beam:X-beam是移动测试系统中尺寸最大、重量最重的一根钢梁,在满足刚性要求的前提下需要使其重量最小化以提高系统固有频率,其方向与气流的方向平行,可看做是整个移动测试系统的X轴。X-beam悬挂在Y-rail上,驱动电机安装在X-beam上,如此在驱动电机的作用下X-beam可以实现在Y-rail上的移动,即Y向的移动,移动范围为-7m~7m。
3. X-carriage:X-carriage是依附在X-beam上的活动部件,上面装有驱动电机,在电机的驱动作用下x-carriage可以实现在X-beam的移动,即X向移动,移动范围:-5m~15m(以转盘中心为0点)。
4. Z-carriage:Z-carriage依附在X-carriage上,上面装有驱动电机,在驱动电机作用下Z-carriage可以在X-carriage上实现垂向移动,即z向移动,移动范围为5m。
5. Z-arm:Z-arm连接在Z-carriage,可随Z-carriage一起移动。测试时Z-arm是需要进入到流场的部件,为了尽可能的减少其对流场的扰动,Z-arm特意设计成流线型,如此气流流过Z-arm表面时可最大程度的保持层流状态,减少因流动分离而产生的扰动和噪声。此外Z-arm的材质为碳纤维,可以在保证足够刚性的前提下减轻重量,进而保证系统的固有频率能维持在一个较高的水平。Z-arm的底部预留有安装接口,流体测试仪器可以直接安装在Z-arm底部。
6. rotational unit:rotational unit可看做是对移动测试系统自由度的一个扩展,如图3所示,它可以实现俯仰角(+/-30°)、偏航角(+/-90°)、滚转角(+/-90°)的调整。使用时rotational unit安装在z-arm底部,各种探针可安装rotational unit上,对汽车周围流场如车轮附近、汽车底部等不易到达的位置进行测量时,rotational unit的便捷性便会体现出来。
图4. rotational unit
 
总体上讲,要实现高精度定位整个移动测试系统需要具有足够的刚性,尤其是在起风有气流扰动的情况下,仍能保证没有大的偏移量,同时也要尽可能地提高系统的固有频率(提高刚性,减少系统重量),避免发生共振。一般气流的频率在10Hz以内,本系统的固有频率在12Hz以上。
 
以下是中汽中心气动声学风洞移动测试系统的主要技术指标:

二、移动测试系统在风洞中的应用
 
下面简单列举一下移动测试系统与各种测试仪器配合使用去获得风洞流场信息的几个应用案例。
1. 如图5所示【1】,在移动测试系统上安装这种总压探针,可以测量流场某一截面上的压力分布情况。
图5. 测量流场某一截面上的压力信息
2. 如图6所示【1】,将热线风速仪探针安装到移动测试系统上,可以进行一些瞬态流场信息的测量。
图6. 流场湍流度信息测量
3. 如图7所示【1】,移动测试系统配合多孔探针使用可进行气流偏角的测量。
图7. 流场中气流偏角的测量
4. 如图8所示【2】,对于轮胎附近气流比较紊乱的地方,可以选用能测量较大气流偏角的多孔探针进行压力测量。
图8. 轮胎周围流场测量
5. 如图9所示【3】,在移动测试系统底部也可以安装这种同时集成了多个探针的耙子,可同时测量多个点的压力,大大提高了测试效率。
图9. Probe Rake. 
参考文献:
【1】Edward Duell, Amir Kharazi and SamMuller”The BMW AVZ Wind Tunnel Center” SAE Technical Paper2014-01-0118, 2010, doi: 10.4271/2010-01-0118.
【2】James, M., Watkins, S., and Watts,M., "The Effect of Upstream Turbulence on an Exposed Wheel Wake," SAETechnical Paper 2014-01-0616, 2014, doi:10.4271/2014-01-0616.
【3】McKillen, J., Walter, J. and Geslin, M., "The Honda R&DAmericas Scale Model Wind Tunnel," SAEInt. J. Passeng. Cars - Mech.Syst. 5(1):2012, doi:10.4271/2012-01-0301. 
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