CN105043711B - 一种兼容多喷管的风洞扩压器及风洞扩压方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种兼容多喷管的风洞扩压器及风洞扩压方法；所述风洞扩压器由依次相连的收集器(1)、收缩段(2)、第二喉道(3)和扩张段(4)组成；所述收集器包括收集口(11)、直筒段(12)、第一支架(13)、导轨(14)和驱动装置(15)；在更换不同尺寸喷管时，第二喉道、收缩段、第二喉道和扩张段都保持不变，通过更换不同口径的收集口及调整直筒段(12)相对收缩段(2)的位置使得在收集器内形成超音速满流，从而实现多个不同尺寸喷管的兼容；从而解决高温超声速风洞多个不同尺度喷管的状态兼容问题。不但降低了风洞的建设成本，而且使得风洞更便于使用。

Description

一种兼容多喷管的风洞扩压器及风洞扩压方法

技术领域

本发明涉及一种风洞扩压器及风洞扩压方法。

背景技术

风洞是能人工产生和控制气流，以模拟飞行器或物体周围气体的流动，并可量度气流对物体的作用以及观察物理现象的一种管道状试验设备。扩压器的作用是通过一定的激波系将喷管喷出的超声速流转变为亚声速流或马赫数较低的气流，尽可能的提高扩压效率、提高排气能力，从而减轻后面排气***的负担，同时也有利于超声速喷管的起动，并能够节约能源。扩压器一般由收集器、收缩段、第二喉道和扩张段四部分组成。第二喉道是指扩压器中收缩段和扩张段中间的等直段，一般是扩压器中截面最小的部位；第二喉道是风洞领域的常规术语，是相对于风洞的第一喉道而言的，第一喉道是指风洞加热器用来产生超音速的喉道。

高温燃气超音速风洞利用喷管出口的高温超音速气流对模型进行热考核，不同的喷管出口直径对应不同的模拟状态，该风洞需要兼容多套不同口径的超音速喷管。常规的扩压器兼容喷管的方法是根据喷管口径更换对应直径的扩压器第二喉道，在更换第二喉道时，与之衔接的收集器、收缩段和扩压段的尺寸也随之改变，这种方式可以获得较好的扩压器效率，但相应制造成本较高，并且互换使用不方便。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种成本低、使用方便的风洞扩压器及扩压方法，能够实现高温燃气超声速风洞多个不同尺度喷管的状态兼容，保证了试验舱内形成均匀的高品质燃气流场。

本发明包括如下技术方案：

一种兼容多喷管的风洞扩压器，所述风洞扩压器由依次相连的收集器、收缩段、第二喉道和扩张段组成，所述收集器用于收集喷管喷出的气体，其特征在于，所述收集器包括收集口、直筒段、第一支架、导轨和驱动装置；收集口为喇叭形，收集口前端直径比后端直径大，收集口前端直径根据喷管直径确定，收集口后端与直筒段前端相连；第一支架上端与直筒段前端固定连接，第一支架下端安装在导轨上，第一支架能够在驱动装置的驱动下相对导轨滑动；直筒段后端***收缩段，直筒段能够相对收缩段滑动。

收集口前端直径是所对应的喷管直径的1.2倍。

直筒段内径是最大喷管直径的1.15倍。

所述第二喉道的直径为最大喷管直径。

收缩段包括直筒形外套部分和圆锥台形收缩部分；直筒段后端***直筒形外套部分的前端，直筒段能够相对收缩段直筒形外套部分滑动；直筒形外套部分的后端与圆锥台形收缩部分固定连接。

在直筒段的后端与直筒形外套部分之间环向设置12组弹簧片。

利用上述风洞扩压器进行多喷管兼容的方法，在更换不同尺寸喷管时，第二喉道、收缩段、第二喉道和扩张段都保持不变，通过更换不同口径的收集口及调整直筒段相对收缩段的位置使得在收集器内形成超音速满流，从而实现多个不同尺寸喷管的兼容。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

本方法在首次采用固定二喉道，通过调整收集器来实现同一套风洞兼容多套不同口径的喷管，并应用于高温燃气流超音速风洞，即使用一个扩压器本体，不同的工作状态通过更换相应的收集器收集口和收集器滑动的方式来提高扩压器效率，实现了不同的燃气流环境下试验舱压力与喷管出口静压良好匹配，保证了试验舱内形成均匀的高品质燃气流场，解决高温超声速风洞多个不同尺度喷管的状态兼容问题；和传统风洞相比，降低了制造成本，同时风洞的使用更加方便。

附图说明

图1为本发明扩压器示意图；

图2为本发明收集器结构示意图；

图3为本发明收集器与收缩段组装示意图；

图4为本发明收集器与收缩段的接口示意图；

图5为第二喉道示意图；

图6为调整收集器的模拟流场，图6a的喷管出口直径为340mm，图6b的喷管出口直径为500mm，图6c的喷管出口直径为740mm。

具体实施方式

下面就结合附图对本发明做进一步介绍。

风洞扩压器的基本示意图如图1所示，主要由收集器1、收缩段2、第二喉道3、扩张段4组成，其作用是提高扩压效率、提高排气能力。收集器1如图2所示，主要是收集喷管喷出的超音速燃气，使其顺利进入扩压器中；收缩段2主要是通过减小面积来实现超音速气流的减速增压；第二喉道3是一个等直径的直筒段，如图5所示，超音速气流在第二喉道中通过一系列激波串实现减速增压，并在第二喉道出口附近转变为亚音速气流；扩张段4是通过增大面积来实现亚音速气流的减速增压。扩压器中直接影响试验舱压力的两个因素是第二喉道的尺寸和收集器的尺寸及位置。

第二喉道和喷管出口的面积比对扩压器性能有直接的影响。为此根据本试验台喷管出口的气流参数，进行详细的气动计算，可以得到第二喉道的尺寸。某一截面的最大流量与截面积及驻点压力成正比，与驻点温度的平方根成反比。为保证风洞不发生堵塞，在任意时刻第二喉道的最大流量均应不小于该时刻喷管的流量。扩压器第二喉道尺寸按照下式确定。

式(2)中A₁、A₂分别是喷管面积和第二喉道的面积，m是燃气流量，q是流量函数，K是和燃气性质相关的常数，η是小于1的常数，P₁表示喷口出口的压力，P₂表示第二喉道的压力，T^*表示总温；考虑到正激波后至扩压段的粘性压力损失，式中波后总压乘以一个小于1的压力恢复系数。这样就可以得到对应于喷管的第二喉道的尺寸，由于第二喉道的尺寸固定，因此选取对应于最大喷管的第二喉道尺寸作为固定第二喉道的尺寸。也可以根据工程经验，直接将第二喉道的直径(D)设计为最大喷管直径(D_max)。

当超音速气流未在收集器内形成满流时，扩压器第二喉道直径对试验舱的影响较大，而当收集器形成超音速满流时，收集器收集口的口径和距离则会对舱压产生直接的影响。根据工程经验，收集器收集口的直径D₁和喷管出口直径D₂的关系是：D₁＝1.2D₂。因此，在固定扩压器第二喉道的情况下，可以通过对收集器口径和位置的调节来实现对舱压的控制，从而得到不同环境的燃气流场。

对于不同的尺度的喷管，在扩压器中固定了第二喉道的尺寸，这样降低了扩压器的效率，同时也会影响试验舱内的压力；因此在本发明创造性发现中采用更换相应的收集器收集口和收集器滑动的方式来调整试验场的压力，保证得到高品质的燃气流场。

如图2所示，收集器包括收集口11、直筒段12、第一支架13、导轨14和驱动装置15。收集口为喇叭形。收集口11前端直径比后端直径大，收集口11前端直径根据喷管直径确定，收集口11后端与直筒段12前端相连。优选地，喇叭口入口直径是喷管直径的1.2倍。直筒段12内径是最大喷管直径的1.15倍。更换不同尺寸的喷管时，收集口入口直径根据喷管口径进行调整，后部与直筒段相连尺寸不变，即喇叭口后部不变，入口及开口角度调整；从而实现试验舱压力和喷管出后静压的匹配。第一支架13上端与直筒段12前端固定连接，第一支架13下端安装在导轨14上，第一支架13能够在驱动装置15的驱动下相对导轨14滑动。

如图3所示，收缩段2包括直筒形外套部分21和圆锥台形收缩部分22；直筒段12后端***直筒形外套部分21，直筒段12能够相对收缩段2直筒形外套部分21滑动，从而可实现收集器的相对滑动。直筒形外套部分21的后端与圆锥台形收缩部分22前端固定连接，第二支架用于支撑圆锥台形收缩部分22；圆锥台形收缩部分22的前端直径比后端直径大。

如图4所示，在直筒段12的后端与直筒形外套部分21之间环向设置12组弹簧片16，目的是使收集器移动时，既能起到导向作用，又能防止由于加工误差、热变形等因素引起之间出现抱死现象。

根据收集口距离喷口的气动要求，以及试验区域的要求，可以得到收集器的移动范围。例如：本发明中收集口距离喷管出口的最小和最大距离分别为1.0m和2.9m，因此移动距离为1.9m。优选地，所述第一支架13为两个，安装在两条平行的直线导轨上，所述驱动装置15采用电机驱动滚珠丝杠副可实现收集器前后移动，满足喷管互换及各种不同模型的需求。

扩压器第二喉道直径700mm，更换Φ740/Φ500/Φ340的喷管时，分别调整收集器入口直径为Φ880/Φ560/Φ400，马赫云图如图6所示。通过模拟结果可看出，流场可顺利建立，舱压与喷管出口压力匹配良好。这种更换方案可最大程度共用扩压器，减少建设经费。

本发明未详细说明部分属本领域技术人员公知常识。

Claims (5)

1.一种兼容多喷管的风洞扩压器，所述风洞扩压器由依次相连的收集器(1)、收缩段(2)、第二喉道(3)和扩张段(4)组成，所述收集器(1)用于收集喷管喷出的气体，其特征在于，所述收集器包括收集口(11)、直筒段(12)、第一支架(13)、导轨(14)和驱动装置(15)；收集口(11)为喇叭形，收集口(11)前端直径比后端直径大，收集口(11)前端直径根据喷管直径确定，收集口(11)前端直径是所对应的喷管直径的1.2倍，收集口(11)后端与直筒段(12)前端相连，直筒段(12)内径是最大喷管直径的1.15倍，所述第二喉道(3)的直径为最大喷管直径；第一支架(13)上端与直筒段(12)前端固定连接，第一支架(13)下端安装在导轨(14)上，第一支架(13)能够在驱动装置(15)的驱动下相对导轨(14)滑动；直筒段(12)后端***收缩段(2)，直筒段(12)能够相对收缩段(2)滑动；

收集口(11)距离喷管出口的最小和最大距离分别为1.0m和2.9m。

2.如权利要求1所述的兼容多喷管的风洞扩压器，其特征在于：收缩段(2)包括直筒形外套部分(21)和圆锥台形收缩部分(22)；直筒段(12)后端***直筒形外套部分(21)的前端，直筒段(12)能够相对收缩段(2)直筒形外套部分(21)滑动；直筒形外套部分(21)的后端与圆锥台形收缩部分(22)固定连接。

3.如权利要求2所述的兼容多喷管的风洞扩压器，其特征在于：在直筒段(12)的后端与直筒形外套部分(21)之间环向设置12组弹簧片(16)。

4.如权利要求1所述的兼容多喷管的风洞扩压器，其特征在于：所述风洞扩压器用于高温燃气超音速风洞。

5.利用权利要求1所述的风洞扩压器进行多喷管兼容的方法，其特征在于，在更换不同尺寸喷管时，收缩段(2)、第二喉道(3)和扩张段(4)都保持不变，通过更换不同口径的收集口及调整直筒段(12)相对收缩段(2)的位置使得在收集器内形成超音速满流，从而实现多个不同尺寸喷管的兼容。