CN106768818A - 一种激波风洞中混合气体来流运行参数获得方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激波风洞中混合气体来流运行参数获得方法，在激波风洞试验中，来流气体比热比是重要的物理量，对于空气，比热比随温度变化很小，可以获得来流马赫数，而对于混合气体，其难点在于比热比随温度变化可能较大，难以确定来流马赫数。在数值模拟中，一般取气体的比热比为定值，即等效比热比，这个取值对于流场参数计算非常关键，但该值的大小在文献和资料中差别很大，难以确定，本发明用试验和理论分析相结合的方法，获得了试验气体的等效比热比，为特殊气体来流试验研究，尤其是深空探测试验方法提供依据。

Description

一种激波风洞中混合气体来流运行参数获得方法

技术领域

本发明涉及一种激波风洞中混合气体来流运行参数获得方法，用于深空探测领域。

背景技术

进入21世纪，世界各航天国家纷纷推出新的深空探测发展战略和规划，其中包括多个向地外天体发射着陆器的项目。而由于大多数地外天体大气环境与气动加热原理同地球存在较大的差异性(组分、密度不同)，因此对再入探测器的表面气动热防护和气动力变轨控制等一系列问题的研究提出了全新的挑战。

我国还未对特殊气体来流气动特性开展过***研究，尚缺乏对该类问题的明确认知，相关的气动力和气动热的试验技术手段也比较匮乏。而开展该方向研究的前提是确定特殊气体及混合气体来流参数，该部分内容国外文献也没有详细说明。

发明内容

本发明所要解决的技术问题：针对现有技术的不足，提出一种激波风洞中混合气体来流运行参数获得方法，获得试验气体的等效比热比，进而获得混合气体来流参数，为深空探测试验提供依据。

本发明的技术解决方案：

一种激波风洞中混合气体来流运行参数获得方法，包括如下步骤：

步骤1：在低压被驱动段前后夹好隔膜，使低压被驱动段形成封闭的空间，将n种混合气体分别n次充入低压被驱动段中，每次充入混合气体的质量分数不同，采集每次的来流总压Pe及皮托压力Ps；

步骤2：根据如下方程，确定n次充入的混合气体对应的马赫数Ma和比热比r₁，

其中，A为喷管出口面积，Acr为喷管喉道面积；

步骤3：将步骤2中得到的n次充入的混合气体对应的比热比r₁代入如下方程，解得n种混合气体中每种气体的比热比r_i，

其中，c_pi为定压比热容，c_vi为定容比热容，m_i为混合气体中每种气体的质量分数；

步骤4：验证比热比r_i的正确性：选用n+1种混合比例的n种气体，返回步骤1，解得n+1种比例的n种混合气体中每种气体的比热比r_i′，若r_i′与r_i的偏差在2％以内，则认为比热比r_i准确，否则，调整的比值，返回步骤1重新计算、验证，直至将偏差控制在2％以内为止。

激波风洞包括高压驱动段、低压被驱动段、第一隔膜、第二隔膜、喷管、试验段、测压钯和压力测量传感器，高压驱动段用于充入高压空气，第一隔膜设置在高压驱动段与低压被驱动段之间，第二隔膜设置在低压被驱动段与喷管之间，测压钯设置在试验段内，测压钯上设置多个压力测量传感器，用于测量均匀区的皮托压力Ps，喷管入口处的壁面上安装压力测量传感器，测量来流总压Pe。

混合气体质量分数的确定方法为：混合气体各个组分间不发生化学反应，将低压被驱动段抽吸到真空状态，然后按照公式充入不同分压的各种气体，获得所需质量分数的混合气体，

其中P₁为被驱动低压段的压力，P_i为每种组分气体的分压，X_i为每种组分气体的摩尔分数。

所述步骤3中的值按照公式根据空气来流流场校测所得马赫数Ma和空气比热比r反推得到。

本发明的有益效果：

(1)在激波风洞试验中，来流气体比热比是重要的物理量，对于空气，比热比随温度变化很小，可以获得来流马赫数，而对于混合气体，其难点在于比热比随温度变化可能较大，难以确定来流马赫数。在数值模拟中，一般取气体的比热比为定值，即等效比热比，这个取值对于流场参数计算非常关键，但该值的大小在文献和资料中差别很大，难以确定，本发明用试验和理论分析相结合的方法，获得了试验气体的等效比热比，为特殊气体来流试验研究，尤其是深空探测试验方法提供依据；

(2)本发明详细说明了在激波风洞中，以混合气体为来流时，参数获得方法，可以成为地外天体(如火星)再入气动理论、计算方法和再入飞行器气动设计的重要地面试验验证手段。

附图说明

图1是本发明流程图；

图2为本发明激波风洞结构图。

具体实施方式

下面将结合附图和具体实施对本发明做进一步详细的说明。

一种激波风洞中混合气体来流运行参数获得方法，如图1所示，包括如下步骤：

步骤1：在低压被驱动段前后夹好隔膜，使低压被驱动段形成封闭的空间，将n种混合气体分别n次充入低压被驱动段中，每次充入混合气体的质量分数不同，采集每次的来流总压Pe及皮托压力Ps；

步骤2：根据如下方程，确定n次充入的混合气体对应的马赫数Ma和比热比r₁，

其中，A为喷管出口面积，Acr为喷管喉道面积；

步骤3：将步骤2中得到的n次充入的混合气体对应的比热比r₁代入如下方程，解得n种混合气体中每种气体的比热比r_i，

其中，c_pi为定压比热容，c_vi为定容比热容，m_i为混合气体中每种气体的质量分数；

步骤4：验证比热比r_i的正确性：选用n+1种混合比例的n种气体，返回步骤(1)，解得n+1种比例的n种混合气体中每种气体的比热比r_i′，若r_i′与r_i的偏差在2％以内，则认为比热比r_i准确，否则，调整的比值，返回步骤1重新计算、验证，直至将偏差控制在2％以内为止。

步骤1中混合气体质量分数的确定方法为：混合气体各个组分间不发生化学反应，将低压被驱动段抽吸到真空状态，然后按照公式充入不同分压的各种气体，获得所需质量分数的混合气体，

其中P₁为被驱动低压段的压力，P_i为每种组分气体的分压，X_i为每种组分气体的摩尔分数。

所述步骤3中的值按照公式根据空气来流流场校测所得马赫数Ma和空气比热比r反推得到。

如图2所示，激波风洞包括高压驱动段4、低压被驱动段1、第一隔膜、第二隔膜、喷管、试验段、测压钯和压力测量传感器，高压驱动段4用于充入高压空气，第一隔膜设置在高压驱动段4与低压被驱动段1之间，第二隔膜设置在低压被驱动段1与喷管之间，测压钯设置在试验段内，测压钯上设置多个压力测量传感器，用于测量均匀区的皮托压力Ps，喷管入口处的壁面上安装压力测量传感器，测量来流总压Pe。

对于激波风筒，有激波运行方式和炮风洞运行方式两种：

其中，P₅₁为5区压力/1区压力，Ms为激波马赫数，T₅₁为5区温度/1区温度，T₅和P₅为激波运行方式时的来流总温和总压，T_e和P_e为炮风洞运行方式时的总温和总压，

利用Ms，求得P₅、T₅(T₁一般为288.16K)及P_e、T_e，即激波运行方式或炮风洞运行方式时的来流总压和总温，进而通过常规计算，可以获得马赫数及雷诺数等参数。

在激波风洞试验中，来流气体比热比是重要的物理量，对于空气，比热比随温度变化很小，可以获得来流马赫数，而对于混合气体，其难点在于比热比随温度变化可能较大，难以确定来流马赫数。在数值模拟中，一般取气体的比热比为定值，即等效比热比，这个取值对于流场参数计算非常关键，但该值的大小在文献和资料中差别很大，难以确定，本发明用试验和理论分析相结合的方法，获得了试验气体的等效比热比，为特殊气体来流试验研究，尤其是深空探测试验方法提供依据。

本发明说明书中未公开内容为本领域技术人员公知常识。

Claims (4)

1.一种激波风洞中混合气体来流运行参数获得方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：在低压被驱动段前后夹好隔膜，使低压被驱动段形成封闭的空间，将n种混合气体分别n次充入低压被驱动段中，每次充入混合气体的质量分数不同，采集每次的来流总压Pe及皮托压力Ps；

步骤2：根据如下方程，确定n次充入的混合气体对应的马赫数Ma和比热比r₁，

$\left\{\begin{array}{c}\frac{P_s}{P_e}={\[\frac{(r_1+1){\mathrm{Ma}}^2}{(r_1-1){\mathrm{Ma}}^2+2}\]}^{\frac{r_1}{r_1-1}}{\[\frac{r_1+1}{2r_1{\mathrm{Ma}}^2-(r_1-1)}\]}^{\frac{1}{r_1-1}}\\ \frac{A}{A_{cr}}=\frac{1}{Ma}{\[\left(1+\frac{r_1-1}{2}{\mathrm{Ma}}^2\right)\left(\frac{2}{r_1+1}\right)\]}^{\frac{r_1+1}{2(r_1-1)}}\end{array}\right.$

其中，A为喷管出口面积，Acr为喷管喉道面积；

步骤3：将步骤2中得到的n次充入的混合气体对应的比热比r₁代入如下方程，解得n种混合气体中每种气体的比热比r_i，

$r_1=\frac{\underset{n}{\overset{i=1}{\Σ}}{m}_i{c}_{pi}}{\underset{n}{\overset{i=1}{\Σ}}{m}_i{c}_{vi}}=\frac{\underset{n}{\overset{i=1}{\Σ}}{r}_i{m}_i{c}_{vi}}{\underset{n}{\overset{i=1}{\Σ}}{m}_i{c}_{vi}}$

其中，c_pi为定压比热容，c_vi为定容比热容，m_i为混合气体中每种气体的质量分数；

步骤4：验证比热比r_i的正确性：选用n+1种混合比例的n种气体，返回步骤1，解得n+1种比例的n种混合气体中每种气体的比热比r_i′，若r_i′与r_i的偏差在2％以内，则认为比热比r_i准确，否则，调整的比值，返回步骤1重新计算、验证，直至将偏差控制在2％以内为止。

2.如权利要求1所述的一种激波风洞中混合气体来流运行参数获得方法，其特征在于，激波风洞包括高压驱动段(4)、低压被驱动段(1)、第一隔膜、第二隔膜、喷管、试验段、测压钯和压力测量传感器，高压驱动段(4)用于充入高压空气，第一隔膜设置在高压驱动段(4)与低压被驱动段(1)之间，第二隔膜设置在低压被驱动段(1)与喷管之间，测压钯设置在试验段内，测压钯上设置多个压力测量传感器，用于测量均匀区的皮托压力Ps，喷管入口处的壁面上安装压力测量传感器，测量来流总压Pe。

3.如权利要求1所述的一种激波风洞中混合气体来流运行参数获得方法，其特征在于，混合气体质量分数的确定方法为：混合气体各个组分间不发生化学反应，将低压被驱动段抽吸到真空状态，然后按照公式充入不同分压的各种气体，获得所需质量分数的混合气体，

其中P₁为被驱动低压段的压力，P_i为每种组分气体的分压，X_i为每种组分气体的摩尔分数。

4.如权利要求1所述的一种激波风洞中混合气体来流运行参数获得方法，其特征在于，所述步骤3中的值按照公式根据空气来流流场校测所得马赫数Ma和空气比热比r反推得到。