CN106401796B - 一种激波管 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激波管，包括被驱动段中用以供实验气体流通的矩形管道，所述矩形管道在宽度和高度方向上分别设置有宽度收缩段和高度收缩段，实现三维收缩的激波增强效果；所述收缩段都具有基于激波动力学理论设计的二维收缩型线，使平面激波经过收缩段的可控增强之后，还能恢复为平面波面形状，并且波后没有明显扰动。上述激波管，可以准确且高效地提高初始入射激波的强度，其空间利用率高，可行性好，能够较容易的模拟强激波和高温高压环境。

Description

一种激波管

技术领域

本发明涉及流体力学技术领域，特别涉及一种激波管。

背景技术

激波管是产生激波并利用运动激波压缩被驱动段气体以模拟所需工况的一种实验装置。当前，无论是利用激波压缩获得高速飞行器所需的高焓流动，还是利用激波开展燃料自点火特性研究等科学技术领域，都会遇到如何产生和准确控制强激波的问题。

在现有中，有些学者指出：在激波管中提高激波强度的方法主要是增大驱动段与被驱动段气体的压比或声速比。然而，单纯的依靠增大压比和声速比，在激波管中所能产生的激波强度有限，特别是当被驱动段不能抽真空时，这种限制尤为突出。

除此之外，还有些学者根据激波动力学理论，设计的壁面能够使较小强度的入射平面激波在收缩管道中连续增强，然后仍然以平面形状进入较小截面直管段传播，从而得到强度增大的平面激波。然而，这种壁面仅在管道高度方向上进行汇聚，对激波管的空间利用率较低，其激波增强的能力也受到一定的限制。特别是，当作为实验段的较小截面直管段的管道高度不能缩小时，就需要大幅提高收缩段的初始管道高度。如果被驱动段采用轴对称或者三维的壁面收缩型线，首先需要严格地推导出轴对称或者三维激波动力学理论，其过程复杂而且难度较大；即使得到了轴对称或者三维激波动力学理论，由于轴对称或者三维收缩管道固有的聚焦效应对扰动很敏感，在壁面收缩型线的设计和实际加工过程中，一旦激波面上出现不理想的扰动，很容易在管道中心汇聚增强为强扰动间断，甚至出现马赫反射等复杂干扰现象，导致激波增强过程难以控制。因此，需要挖掘二维壁面收缩型线的潜力，进一步提升其激波增强的能力。

发明内容

本发明的目的是提供一种激波管，该激波管可以准确且高效地提高初始入射激波的强度，使激波管能够较容易的模拟强激波和高温高压环境。

为实现上述目的，本发明提供一种激波管，包括被驱动段中供实验气体流通的矩形管道，所述矩形管道在长度方向上分别设置有相互连通的宽度收缩段和高度收缩段。

相对于上述背景技术，本发明提供的激波管，在被驱动段的矩形管道中，在宽度和高度方向上分别设置宽度收缩段和高度收缩段；宽度收缩段和高度收缩段作为相互连通的两段，能够大幅度地增加矩形管道的面积收缩比，准确且高效地提高激波的增强效果；如此设置的激波管，其空间利用率高，可行性好，使激波管能够较容易的模拟强激波和高温高压环境。

优选地，所述宽度收缩段靠近所述矩形管道的进口端，且所述高度收缩段靠近所述矩形管道的出口端；或者，

所述宽度收缩段靠近所述矩形管道的出口端，并且所述高度收缩段靠近所述矩形管道的进口端。

针对具有矩形管道的激波管，可以首先在宽度方向上收缩，然后在高度方向上进行收缩；除此之外，还可以先在高度方向上收缩，然后在宽度方向上收缩；可以根据实际需要选择上述的两种方式之一。

优选地，所述宽度收缩段和所述高度收缩段分别至少设置一段，使所述的矩形管道在宽度上和高度上分别至少进行一次收缩；所述的收缩段都具有基于激波动力学设计的二维收缩型线，使平面激波经过一段收缩段的可控增强之后，恢复为平面波面形状，并且波后没有明显扰动；增强后的平面激波在下一段收缩段，仍然可以进行可控增强，最后得到激波强度显著增加的平面激波。

优选地，还包括：

用以与上游法兰相连的第一矩形壁，包括位于左右两侧的第一侧壁以及位于上下两端的第一上下壁；

与所述第一矩形壁相连、且具有所述宽度收缩段的宽度收缩管壁，且所述上游法兰、所述第一矩形壁、与所述宽度收缩段的管道同轴；

与所述宽度收缩管壁相连、且具有所述高度收缩段的高度收缩管壁，所述宽度收缩段末端连接所述高度收缩段的入口；并且所述宽度收缩段末端的尺寸与所述高度收缩段的入口尺寸相同；

设置于所述高度收缩段末端、且与下游法兰相连的第二矩形壁，且所述下游法兰、所述第二矩形壁、与所述高度收缩段末端的管道同轴；

所述第二矩形壁包括位于左右两侧的第二侧壁以及位于上下两端的第二上下侧壁。

优选地，所述宽度收缩段包括截面尺寸恒定的宽度收缩缓冲段以及宽度收缩型线段，且所述缓冲段靠近所述上游法兰；所述高度收缩段包括靠近所述宽度收缩型线段的高度收缩型线段，所述高度收缩型线段的末端设置截面尺寸恒定的高度收缩缓冲段。

优选地，所述宽度收缩型线段上下或者左右对称，所述高度收缩型线段上下或者左右对称。

优选地，所述宽度收缩段和所述高度收缩段同轴设置。

优选地，所述宽度收缩管壁与所述第一矩形壁之间可拆卸连接；所述高度收缩管壁与所述第二矩形壁之间可拆卸连接。

优选地，所述第一矩形壁的外周设置宽度收缩段盖板，所述第二矩形壁的外周设置高度收缩段盖板。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例所提供的激波管的原理图；

图2为本发明实施例所提供的激波管的展向剖视结构示意图；

图3为本发明实施例所提供的激波管的法向剖视结构示意图。

其中：

附图1中：1-入口截面、2-宽度收缩管道、3-中间截面、4-高度收缩管道、5-出口截面；

附图2中：101-上游法兰、102-第一侧壁、104-宽度收缩管壁、105-宽度收缩段盖板、106-宽度收缩型线段、111-第二侧壁、113-下游法兰；

附图3中：101-上游法兰、103-第一上下壁、107-高度收缩型线段、108-高度收缩管壁、109-高度收缩段盖板、110-观察窗、112-第二上下侧壁、113-下游法兰。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为了使本技术领域的技术人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

请参考图1、图2和图3，图1为本发明实施例所提供的激波管的原理图；图2为本发明实施例所提供的激波管的展向剖视结构示意图；图3为本发明实施例所提供的激波管的法向剖视结构示意图。

本发明提供的一种激波管，包括被驱动段中供实验气体流通的一段矩形管道，如现有技术。

本发明的核心在于，矩形管道设置有宽度收缩段和高度收缩段；如说明书附图1所示，激波管包括尺寸较大的入口截面1，宽度收缩管道2，中间截面3，高度收缩管道4，尺寸较小的出口截面5。

尺寸较大的入口截面1是被驱动段管道的初始尺寸，宽度和高度都较大，可以为40mm×70mm；中间截面3是第一次收缩后的管道尺寸为4mm×70mm；尺寸较小的出口截面5是再次收缩后的管道尺寸为4mm×8mm；宽度收缩管道2和高度收缩管道4都包含二维壁面收缩型线，分别使矩形管道的宽度和高度不断减小。宽度收缩管道2即为宽度收缩段，高度收缩管道4即为高度收缩段；上述管道尺寸还可以根据实际需要而定，并不限于本文所述。

其工作原理为：初始入射激波由入口截面1进入宽度收缩管道2中，随着管道宽度的不断缩小，激波的强度逐步增加，然后以平面形状传播到中间截面3；增强后的平面激波进入高度收缩管道4中，随着管道高度的不断缩小，激波也随之进一步增强，最终以平面形状进入到宽度和高度都较小的出口截面5，从而得到强度显著增大的平面激波。

上述仅仅给出先进行宽度收缩再进行高度收缩的一种具体实施方式；除此之外，本发明还可以先对矩形管道的高度进行收缩再对宽度收缩，本发明不再赘述。即，上文给出了宽度收缩段靠近矩形管道的进口端，且高度收缩段靠近矩形管道的出口端这一实施方式，还可以将宽度收缩段靠近矩形管道的出口端，并且高度收缩段靠近所述矩形管道的进口端。

上述给出了利用一次宽度收缩段以及一次高度收缩段进行激波的情形；针对不同实际需要，还可以设置两段或两段以上的宽度收缩段，对气流进行两次宽度方向的收缩；与之类似地，高度收缩段的个数也可以设置为两段或两段以上；如此设置，实现了三维收缩的激波增强效果，进一步利用管道空间，大幅度提高矩形管道的面积收缩比。

说明书附图2与附图3分别示出了激波管的展向剖视结构示意图和法向剖视结构示意图；可以看出，上游法兰101与第一矩形壁连接，宽度收缩管壁104连接第一矩形壁，并且宽度收缩管壁104内具有宽度收缩段；上游法兰101、第一矩形壁、与宽度收缩段的管道同轴；高度收缩管壁108与宽度收缩管壁104连接，且高度收缩管壁108具有高度收缩段；宽度收缩段末端连接高度收缩段的入口；并且宽度收缩段末端的尺寸与高度收缩段的入口尺寸相同；还包括设置于高度收缩段末端、且与下游法兰113相连的第二矩形壁，下游法兰113、高度收缩段的管道同轴。

矩形管道的初始宽度和高度分别为40mm和70mm。入射激波马赫数为4.3，经过宽度收缩管壁104的汇聚增强，激波马赫数增加到6.7，矩形管道的宽度减小到4mm；接着，增强后的平面激波进入高度收缩管壁108，进一步汇聚增强到激波马赫数10.2，矩形管道的高度减小到8mm。管道在高度上的收缩比为8.75，在宽度上的收缩比为10，两者共同作用实现了收缩比为87.5的激波增强效果，由此可见，本发明方法大幅度提高了激波的增强效果。观察窗110可以用来观察高度收缩段中的激波运动和气流变化；除此之外，宽度收缩管壁104与第一矩形壁之间还可以可拆卸连接；高度收缩管壁108与第二矩形壁之间可以可拆卸连接。

其工作原理为：上游法兰101与激波管的被驱动段连接，激波管实验开始后，被驱动段中产生一道平面激波并向下游传播。接着激波传播到第一侧壁102，进入宽度收缩管壁104，使初始平面运动激波经过收缩段的平滑变形和强度逐步增加后，再以平面形状进入高度收缩管壁108，使激波再次平滑变形同时强度继续增强，最后进入宽度和高度都减小的第二上下侧壁112，得到强度显著增大的平面激波。

宽度收缩段包括截面尺寸恒定的宽度收缩缓冲段以及宽度收缩型线段106，且缓冲段靠近上游法兰101；高度收缩段包括靠近宽度收缩型线段106的高度收缩型线段107，高度收缩型线段107的末端设置截面尺寸恒定的高度收缩缓冲段。

针对宽度收缩段和高度收缩段的末端矩形管道的尺寸，其宽度和高度根据实际实验的需要而定，但是都不宜太小以削弱和避免出现明显的壁面粘性效应；矩形管道的宽度也不宜太大，以免流场显示中有明显的三维效应。

矩形管道在宽度和高度上设置宽度收缩段和高度收缩段，两个收缩段都采用二维壁面收缩型线，即宽度收缩型线段106和高度收缩型线段107，使矩形管道在宽度和高度分别进行收缩；上述宽度收缩型线段106可以为上下或者左右对称，高度收缩型线段107上下或者左右对称。上述两个收缩型线段对初始激波马赫数的变化不应太敏感，在精度要求不高时，同一条壁面收缩型线可以适用于一系列的初始激波马赫数。

基于激波动力学理论，可以设计出宽度收缩型线段106和高度收缩型线段107，设计方法参考下文所述；收缩型线段的上下壁面收缩型线对称，单侧壁面包括凹形曲线段，斜直线段和凸形曲线段，线段之间平滑连接。激波的形状在收缩段起始位置和终点位置是平直形，斜直线段上是圆弧形。在凹形曲线段管道中先是两个对称单波区，之后是双波区，它们的边界是第一个扰动与中轴线的交点到斜直线段的两个端点；斜直线段管道中都是双波区；在凸形曲线段先是双波区，然后是两个对称单波区，它们的边界是斜直线段的两个端点到最后一个扰动与中轴线的交点。

给定起始位置的初始运动激波马赫数，激波管初始高度，终点位置的出口高度，斜直线段与水平方向的汇聚角，以及实验气体的比热比；最终得到壁面的二维收缩型线上各点的坐标。二维收缩型线的具体设计步骤为：1)得到收缩段的出口位置激波马赫数；2)从收缩段的起点到斜直线段，以及从收缩段的终点到斜直线段，两个方向同时进行分析，在单波区得到斜直线段两个端点处的激波马赫数和坐标；3)进一步得到斜直线段两个端点处圆柱形激波面上各点的激波马赫数、坐标位置和激波角；4)求出双波区任一点的激波马赫数、坐标位置以及激波角；5)在单波区迭代求出凹形曲线段和凸形曲线段上任一点的坐标，从而得到收缩段的壁面收缩型线；6)取前一收缩段的出口位置激波马赫数作为新的初始激波马赫数，并根据前一收缩段的几何参数，再次执行上述1)至5)的设计步骤，即可获得后一收缩段的壁面收缩型线。当然，对于本领域技术人员来说，上述二维收缩型线还可以采用其他设置方式，本文不再赘述。

本发明的宽度收缩段和所述高度收缩段同轴设置，如说明书附图2与附图3所示。针对收缩段在矩形管道外侧的连接方式，第一矩形壁的外周设置宽度收缩段盖板105，第二矩形壁的外周设置高度收缩段盖板109。第一矩形壁可以包括位于左右两侧的第一侧壁102以及位于上下两端的第一上下壁103；第二矩形壁包括位于左右两侧的第二侧壁111以及位于上下两端的第二上下侧壁112。当然，根据实际需要，收缩段在矩形管道外侧还可以有其他的连接方式，本发明不再赘述。

本发明提供的激波管，矩形管道的宽度和高度方向分别进行面积收缩，空间利用率高，大幅度提高了激波管被驱动段的面积收缩比；在宽度方向和高度方向的收缩段都采用二维壁面收缩型线，可行性较高；本发明提供的激波管实现了三维收缩的激波增强效果，准确且高效地提高入射激波强度，使激波管能够较容易的模拟强激波和高温高压环境；矩形管道便于进行流场显示，特别是后一收缩段的展向距离较小，流场显示中的三维效应明显减弱。

需要说明的是，在本说明书中，诸如第一和第二之类的关系术语仅仅用来将一个实体与另外几个实体区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体之间存在任何这种实际的关系或者顺序。

以上对本发明所提供的激波管进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (9)

1.一种激波管，包括被驱动段中用以供实验气体流通的矩形管道，其特征在于，所述矩形管道在长度方向上分别设置有相互连通的宽度收缩段和高度收缩段。

2.根据权利要求1所述的激波管，其特征在于，所述宽度收缩段靠近所述矩形管道的进口端，且所述高度收缩段靠近所述矩形管道的出口端；或者，

所述宽度收缩段靠近所述矩形管道的出口端，且所述高度收缩段靠近所述矩形管道的进口端。

3.根据权利要求1所述的激波管，其特征在于，所述宽度收缩段和所述高度收缩段分别设置至少一段，以实现所述矩形管道在宽度上和高度上分别至少进行一次收缩；所述宽度收缩段和所述高度收缩段均具有基于激波动力学设计、用以供平面激波经过所述宽度收缩段和所述高度收缩段的可控增强之后能够恢复为平面波面形状的二维收缩型线，并且波后没有明显扰动。

4.根据权利要求1所述的激波管，其特征在于，还包括：

用以与上游法兰(101)相连的第一矩形壁，包括位于左右两侧的第一侧壁(102)以及位于上下两端的第一上下壁(103)；

与所述第一矩形壁相连、且具有所述宽度收缩段的宽度收缩管壁(104)，且所述上游法兰(101)、所述第一矩形壁、与所述宽度收缩段的管道同轴；

与所述宽度收缩管壁(104)相连、且具有所述高度收缩段的高度收缩管壁(108)，所述宽度收缩段末端连接所述高度收缩段的入口；并且所述宽度收缩段末端的尺寸与所述高度收缩段的入口尺寸相同；

设置于所述高度收缩段末端、且与下游法兰(113)相连的第二矩形壁，且所述下游法兰(113)、所述第二矩形壁、与所述高度收缩段的管道同轴；

所述第二矩形壁包括位于左右两侧的第二侧壁(111)以及位于上下两端的第二上下侧壁(112)。

5.根据权利要求4所述的激波管，其特征在于，所述宽度收缩段包括截面尺寸恒定的宽度收缩缓冲段以及宽度收缩型线段(106)，且所述缓冲段靠近所述上游法兰(101)；所述高度收缩段包括靠近所述宽度收缩型线段(106)的高度收缩型线段(107)，所述高度收缩型线段(107)的末端设置截面尺寸恒定的高度收缩缓冲段。

6.根据权利要求5所述的激波管，其特征在于，所述宽度收缩型线段(106)上下或者左右对称，所述高度收缩型线段(107)上下或者左右对称。

7.根据权利要求1～6任意一项所述的激波管，其特征在于，所述宽度收缩段和所述高度收缩段同轴设置。

8.根据权利要求4～6任意一项所述的激波管，其特征在于，所述宽度收缩管壁(104)与所述第一矩形壁之间可拆卸连接；所述高度收缩管壁(108)与所述第二矩形壁之间可拆卸连接。

9.根据权利要求8所述的激波管，其特征在于，所述第一矩形壁的外周设置宽度收缩段盖板(105)，所述第二矩形壁的外周设置高度收缩段盖板(109)。