孔壁开闭比连续可调实验装置方案选择

3.0 闻远设计 2024-02-13 20 4 1.21MB 15 页 15光币

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孔壁开闭比连续可调实验装置方案选择

2.1.1 橡胶鼓包方案选择

橡胶体的设计应在壁板的尺寸限制条件下开展，满足壁板孔、槽通流面积变化的要

求，并能够形成良好的流线型外形，在相同充气压力下变形形状固定可重复。

槽壁和孔壁橡胶体变形体沿流向分为 12 区域，每个区域长度为 150mm，宽度为

600mm，每个区域的橡胶体压力独立控制，在同一个区域内橡胶体压力控制相同，变形相同。

橡胶体材料的研制要开展配方研究与实验验证。橡胶体材料的优化设计方案包括以

下内容：

1. 橡胶体主要物性指标的确定：根据橡胶体使用过程中充气压力、对变形恢复速度

及变形率的要求，通过有限元分析确定橡胶体的硬度、10%、20%、50%、100%等定伸应力、

最大伸长率、拉伸强度、气密性等物理机械性能指标，为后面橡胶体的配方优化提供依据。

2. 橡胶主体材料的确定：由于橡胶体的使用温度不高，使用介质不苛刻，因此对橡

胶材料耐高温、耐腐蚀、耐臭氧等的要求不是很高，但对加压下的保气能力和变形恢复能

力要求较高，因此考虑选择强度高、弹性好的天然橡胶或对气体密封性比较好的（卤化）

丁基橡胶为橡胶基体材料，根据其保气能力和变形恢复能力的实验结果确定使用的橡胶种

类。

3. 橡胶体硫化体系的确定。根据确定的橡胶主体材料选择合适的硫化体系及硫化体

系中各种组分的用量配比，保证硫化胶的交联密度能够满足定伸应力、强度、伸长率及弹

性变形恢复的要求。

4. 橡胶体补强体系的确定。除了硫化体系，补强剂也能影响硫化胶的硬度、定伸、

强度、弹性等性能。优化补强剂的种类，包括炭黑的粒径、结构度和用量，使橡胶体满足

定伸应力、强度、伸长率及弹性变形恢复的要求。

5. 橡胶体防护体系的确定。橡胶体需要具备一定的抗疲劳性能，因此需要优化防老

剂的种类和用量，使橡胶满足反复变形且性能保持率高的要求。

6. 橡胶体增塑体系的确定。通过增塑体系调整硫化胶的硬度和定伸应力，使之变形

量与相应的充气压力相适应，并保证混炼胶具有良好的加工成型性能。

7. 将配方优化得到的橡胶体性能。用计算机仿真软件进行使用过程受力、变形分析

及疲劳寿命预测，将分析与预测的结果反馈，进行配方的微调，直到达到满意的结果。

橡胶体方案设计（包括橡胶体结构形式及几何尺寸选择、充放气位置选择、保压保

形方案等）要开展单孔和单槽实验验证，根据实验结果优化设计方案，直至满足指标要求。

橡胶体方案要综合考虑壁板的加工工艺的可实现性，并为壁板结构设计提供输入。

2.1.2

孔壁开闭比连续可调装置

如图 2.1 所示，可变形橡胶体孔壁结构有孔壁基板、嵌入式橡胶体总成、橡胶通气通

道等组成，通过在孔壁（槽壁）的上下壁板的孔（槽）内安装橡胶体，橡胶体嵌在孔的壁

面内，不充气时橡胶体与孔的内壁面是平齐或在壁面里面，保证不占用通孔（槽）的面积

然后通过向橡胶体体内充气实现橡胶体变形，使橡胶体所在部分的孔径（槽宽）逐渐减小

放气时逐渐收缩回原状。孔（槽）沿流向横截成几个区域，每个区域压力单独控制，即变

形单独控制，但所有区域橡胶体可同时进行控制变形。

图2.1 可变形橡胶体孔壁结构

2.1.3 流场自动寻优

控制系统

本系统的控制对象为试验段的流场，主要是通过控制壁板上槽/孔的开合度影响流场

变化。试验段的气流通过壁板的孔和槽流出试验段，流量的变化使得气流加速并形成试验

所需要的一定流速的流场。控制对象的输出为流场品质参数，流场的品质主要由马赫数梯

度、马赫数均方根误差和马赫数最大偏差表征，试验段核心流马赫数数分布情况采用轴向

探测管进行测量。控制对象的输入为壁板上的开孔/槽。

在跨声速风洞中，通过控制试验段开槽/孔的开闭改变气体流量，进而实现试验所需

的流场。风洞流场的品质与开闭比和通气面积相关，并且在不同风速下，需要调整开槽/孔

的开闭使得流场品质在每个模拟速度下达到最优。因此，本项目控制系统的目标主要有：

1、对橡胶体变形进行精准控制，以消除气流扰动对槽/孔开合度的影响；

2、通过实时调整槽/孔的开闭，实现不同模拟速度下流场品质的最优化。

橡胶通气口

嵌入式橡

胶体总成

异形橡胶体

孔壁基板

2.1.4 总体布局设计

装配好的模块化孔壁开闭比连续可调装置由孔壁基板、孔壁盖板、可变形橡

胶体、铜套、O型圈、通气连接头（直通快拧、铜管焊接）紧固螺丝等组成。首先

将可变形橡胶体和铜套按照一定方向镶嵌牢固，将装配好的橡胶镶嵌体按照倾斜

方向正确安装压平，然后将对应位置的 O型圈放入沉槽中，依次重复以上装配

步骤，直至将所有的橡胶体装整完毕，最后将孔壁盖板按照正确的位置关系和基

板固定，在进行螺丝紧固时注意，先从中间开始初步紧固，沿着四周方向依次有

序紧固，避免由于紧固不均匀导致盖板变形或者密封不严格等，最后还是从中间

开始依次沿四周进行最后的紧固。完成壁板的装配之后，经由事先准备好的气管

或者铜管 8 个为一组有序进行安装或焊接。再进行保压测试，确保试件稳定可靠。

其装配方式和组成如图 2.2 所示。

2.2

开闭比连续可调实验装置布局图

2.2 研究内容和关键技术

2.2.1 孔壁板设计

孔壁板材质选用 6MnR 钢材，分为基板和盖板，其中样板基板厚度25mm，

盖板7mm。为了设计按装方便，盖板选材在不影响实验要求的情况下可以考虑设

计二套方案为紫铜板。

紫铜板力学性能:

抗拉强度:≥315

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摘要：

孔壁开闭比连续可调实验装置方案选择2.1.1橡胶鼓包方案选择橡胶体的设计应在壁板的尺寸限制条件下开展，满足壁板孔、槽通流面积变化的要求，并能够形成良好的流线型外形，在相同充气压力下变形形状固定可重复。槽壁和孔壁橡胶体变形体沿流向分为12区域，每个区域长度为150mm，宽度为600mm，每个区域的橡胶体压力独立控制，在同一个区域内橡胶体压力控制相同，变形相同。橡胶体材料的研制要开展配方研究与实验验证。橡胶体材料的优化设计方案包括以下内容：1.橡胶体主要物性指标的确定：根据橡胶体使用过程中充气压力、对变形恢复速度及变形率的要求，通过有限元分析确定橡胶体的硬度、10%、20%、50%、100%等定伸...

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