适用于大孔隙度圆盘结构的测试平台设计

摘要：近年来，以风为传播媒介的植物种子得到仿生学界的重点关注，如蒲公英种子、婆罗门参。这类结构均具有大孔隙度的结构特征，对这种大孔隙度圆盘结构的研究，有望开发出新型的仿生学飞行器。现阶段，学界对此类结构的探究主要聚焦于数值模拟，及借助粒子图像测速（PIV）技术剖析在垂直风洞中的流场特征，然而，当前尚未构建起用于测量该结构在风洞中所受气动力数据的专用装置。鉴于此，本文围绕实现此类模型气动力精确勘测的技术展开深入探索。针对该问题，设计了一种小型低速测试平台。

关键词：大孔隙度；圆盘结构；测试平台；设计

随着仿生领域的发展，以风为媒介的植物种子受关注，其属大孔隙度圆盘结构。能够在湍流下长时间保持稳定，且最大程度地延迟下降时间以进行长距离传播[1-4]。这为小型、轻型飞行器的研究提供了新的思路[5]。2018年，Cummins有对蒲公英种子的飞行测试，并将简化过的冠毛模型固定在垂直风洞中进行了粒子图像测速法（PIV）实验。在蒲公英的冠毛上方发现了一个分离的涡环。该涡环与模型的孔隙度密切相关。2019年浙大申请了仿蒲公英飞行器的相关专利。鉴于此类结构无专用气动力测试装置，本文提出面向该结构的测试平台技术 。

一、测试平台的设计

圆盘带孔结构的飞行机制主要源于分离涡环所产生的阻力，蒲公英是典型的圆盘带孔结构，分离涡环在垂直气流的影响下得以产生，阻力具体由产生的两个对称分离涡环发挥作用[6]， 根据相对性原理，风扇位于平台底部，产生向上的气流作用于模型，固定在平台上方测力天平是平台的核心部件，通过柔性丝线将模型悬挂至流场中。环形导流盘可将经过模型的气流引导至周向减少对流场、天平测量数据的干扰。

二、六分量天平的设计

多分量测力天平使用时各分量有干扰耦合，需对力与力矩机械、电气分解。机械分解靠特殊结构，电气分解靠应变片与电桥。本文六分量盒式天平含浮动框等，经弹性连杆、S 型传感器分别实现两种分解。天平结构如图1所示。

数据采集系统主要功能是将电阻应变片因变形产生的电阻变化通过惠斯顿电桥、放大器、数据采集卡，显示至计算机上为电压变化，并通过软件内部计算，最终呈现出力的变化。本文采用商用小电压变送器（2-3），可以将微小的直流电流输入，根据所设计的测量天平，输出范围在-10V～10V，放大倍数为500倍，输出的电压输送给软件，经过处理后在可视化窗口显示对应力值大小。

通过对天平的受力分析，可以看出设计的弹性连杆能够大大降低各分量之间的耦合，最大应力集中在弹性连杆柔性铰链与传感器处，最大为 54.2，远小于材料的屈服强度1574。可以认为模型设计合理。

三、导流盘的设计

参考风洞拐角处对导流片的安装设计[6]，将扩张比定义为出口截面面积与进口截面面积的比值，本文设计的导流盘的扩张比为1。通过CATIA进行三维模型设计，导入SPACECLAIM进行前处理，增加边界条件，通过Fluent meshing进行非结构六面体网格划分。为排除网格数量对结果的影响，对网格进行无关性验证，分别采用了350万、492万、530万、580万网格量对同一个模型进行了数值计算，对比速度云图可知，492万的网格量已满足计算。

四、测试平台实验

实物模型的细杆由轻木制作，通过CATIA分别绘制出0.46、0.69、0.80、0.89不同孔隙度的模型，将细杆尺寸生成图纸导入激光切割机，切割出42根尺寸一致的细杆与中心圆盘连接，通过胶水进行粘连固定。实物模型如图5所示。将不同孔隙度模型（0.46、0.69、0.80、0.89）置入测试平台，依次改变流场速度（图6）。得到不同孔隙度随速度变化阻力曲线图（图7）。

五、结论

本文设计一款小型低速的垂直风洞。主要结论如下：1） 根据模型所需测量得气动数据，设计了一种应变式六分量盒式天平，通过弹性连杆上的柔性铰链在结构上实现了机械分解；2） 参考风洞导流盘的设计，提出一种导流盘的设计，可以将向上的气流均匀向四周散开。并通过FLUENT数值计算，优化了导流片的安装角。

参考文献：

[1]Holm，L.G.John Wiley & Sons：Natural Histories and Distribution[J].ew York：World Weeds，1997.

[2]J.C.Sheldon，F.M.Burrows.The dispersal effectiveness of the achene-pappus units of selected Compositae in steady winds with convection[J].New Phytologist，1973，72（3）：665-675.

[3]Seale M，Nakayama N.From passive to informed：mechanical mechanisms of seed dispersal[J].New Phytologist，2020，225.

[4]Ran N，Katul G G，Horn H S，et al.Mechanisms of long-distance dispersal of seeds by wind.[J].Nature，2002，418（6896）：409-13.

[5]C.Middleton.Dandelion seeds are optimized for wind-based travel[J].Physics today，2019，72（1）：17-18.

[6]刘沛清，陈阅，张瑾等.拐角扩张比与导流片安装角对BHAW风洞流场品质影响的数值研究[J].空气动力学学报.2023，41（09）.

【作者简介】屈宵（1999.01-），男，汉族，河南南阳市人，沈阳航空航天大学航空宇航学院硕士研究生在读，主要研究方向：飞行器气动与总体设计。