CN107806977A - 一种组合式宽马赫数高焓脉冲风洞管体结构 - Google Patents
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Abstract
本发明属于高马赫数试验技术领域，涉及一种组合式宽马赫数高焓脉冲风洞管体结构，本发明提出了一种双模态组合驱动运行方式：在中低马赫数段(马赫数3.0～5.0)，采用管风洞运行模式，通过管外高温加热，可复现飞行条件总焓；在高马赫数段(马赫数＞5.0)，以激波风洞模式运行，焓值可进一步提高。本发明在结构上与传统脉冲风洞相似，没有复杂的作动控制机构，高温段管体的加热温度和长度，可按试验要求设计由气动运行原理满足，结构简单、可靠，在工程实际应用中具有可操作性。
Description
技术领域
本发明属于高马赫数试验技术领域，具体而言，涉及一种组合式宽马赫数高焓脉冲风洞管体结构。
背景技术
高焓脉冲风洞是高马赫数地面试验设备的一种，目的是要尽可能复现飞行器的飞行环境，并结合测试技术，获得飞行器模型在该环境下的气动参数。脉冲风洞最早是基于激波管原理发展起来的，根据运行方式的不同，有直通型激波风洞、反射型激波风洞、炮风洞及管风洞等。
基于激波管原理发展起来的激波风洞由于存在“大喉道效应”(被驱动段管径与喷管喉道尺寸不匹配)，难以保证喷管收缩比较小情况下的破膜重复性，使得设备很难应用到马赫数5以下。管风洞作为一种特殊的脉冲设备，由于结构简单、参数调节方便、流场品质高等优点，已在亚/跨/超声速领域得到了发展和应用。
随着高超声速飞行器研制需求的增加，脉冲型风洞急需向较低马赫数段扩展，特别是需要具有跨马赫数运行能力。如美国CUBRC LENS II激波风洞进一步升级改造后马赫数范围为2.7～8.0，但是均以牺牲设备有效运行时间及流场品质为代价。因此如何在保证脉冲型风洞性能的前提下扩大马赫数运行范围，成为研究重点，技术手段需要进一步发展。
发明内容
本发明旨在提出一种组合式宽马赫数高焓风洞管体结构，以解决现有脉冲风洞在宽马赫数范围内运行困难、流场品质低的问题。
本发明的技术方案是：一种组合式宽马赫数高焓风洞管体结构，包括：高压驱动段1、双膜段2、第一低压被驱动段3、第二低压被驱动段4，各部段之间采用法兰形式连接，其特征在于，在实现双模态组合驱动运行时，通过第二低压被驱动段4与高温段5之间的替换拓展风洞马赫数运行范围，其中高温段5包含上游高温隔离装置6、加热管7及管外加热***8和下游高温快开***9，管外加热***铺设于加热管***，各部段之间采用法兰形式连接。
所述管外加热***8含内层高温加热体10和外层保温层11，内层高温加热体直接与加热管体表面接触，在其外边面包裹保温层。
所述高温加热体一般采用电加热形式，通过高温电阻元件对蓄热体进行预热。
所述高压驱动段1、双膜段2、第一低压被驱动段3，通过第二低压被驱动段4与高温段5之间的更换，实现双模态组合驱动运行方式。
所述双模态组合驱动运行方式，在中低马赫数段采用管风洞运行模式，在马赫数＞5.0，以激波风洞模式运行。
所述管体的直径由管风洞运行模态确定，管体总长及各部段的比例需要综合考虑两种运行模态。
所述管体的直径，由管风洞运行模态确定，其值的选取受到两方面限制：一方面，为了减弱膨胀波在冷/热段交界面上的反射，从流量守恒关系出发，可以从理论上推导出冷段管径与高温段管径存在以下关系：
其中，dhot为高温段管体内径，dcold为冷段管体内径，Thot为高温段管体内部气体温度(由试验条件决定)，Tcold为冷段管体内部气体温度(通常为常温)；
另一方面，考虑到管壁附面层影响，管体内部流动马赫数M1通常介于0.02～0.2之间，该值取决于喷管出口尺寸与高温段管径比值，具体关系式如下：
其中，d*为喷管喉道尺寸，r为气体比热比。同时，试验气体总温、总压与高温段内气体总温、总压有如下关系：
其中，下标t,1表示试验气体参数，下标0表示高温段内气体参数。
所述管体的长度，管体总长及各部段的比例需要综合考虑两种运行模态，管风洞运行模式下，运行时间与管体总长及高温段管体长度之间存在以下关系式：
其中，t1为运行时间，L为管体总长，ΔL为高温段管体长度，a为管内声速，u为管内流速。
本发明的有益效果：为了解决上述问题，本发明提出了一种双模态组合驱动运行方式：在中低马赫数段(马赫数3.0～5.0)，采用管风洞运行模式，通过管外高温加热，可复现飞行条件总焓；在高马赫数段(马赫数＞5.0)，以激波风洞模式运行，焓值可进一步提高。
附图说明
图1为本发明的组合式宽马赫数高焓风洞管体布局及替换示意图。
图2为本发明的高温段加热***结构示意图。
具体实施方式
如图1所示，组合式宽马赫数高焓风洞，它包括：管体部分、喷管段、试验段、真空舱等；各部段之间采用法兰形式连接。管体部分包括：高压驱动段1、双膜段2、第一低压被驱动段3、第二低压被驱动段4、高温段5，其中高温段5包含上游高温隔离装置6(可采用球阀或截止阀，开启时间5s以内)、加热管7及管外加热***8和下游高温快开***9(可采用轴流阀或破膜装置，开启时间15ms以内)。
管外加热***8含内层高温加热体10和外层保温层11，内层高温加热体直接与加热管体表面接触，在其外边面包裹保温层。
高温加热体一般采用电加热形式，通过高温电阻元件对蓄热体进行预热。
高压驱动段1、双膜段2、第一低压被驱动段3，通过第二低压被驱动段4与高温段5之间的更换，实现双模态组合驱动运行方式。
双模态组合驱动运行方式，在中低马赫数段采用管风洞运行模式，在马赫数＞5.0，以激波风洞模式运行。
管体的直径由管风洞运行模态确定，管体总长及各部段的比例需要综合考虑两种运行模态。
如图2所示，本发明中的⑤高温段中的管外加热***包括⑨内层高温加热体和⑩外层保温层。内层高温加热体直接与加热管体表面接触，在其外边面包裹保温层。高温加热体一般采用电加热形式，通过高温电阻元件对蓄热体进行预热。
该方案具体实施设计方法分为以下几个方面：
1)管体的直径
管体的直径由管风洞运行模态确定，其值的选取受到两方面限制：一方面，为了减弱膨胀波在冷/热段交界面上的反射，从流量守恒关系出发，可以从理论上推导出冷段管径与高温段管径存在以下关系：
其中，dhot为高温段管体内径，dcold为冷段管体内径，Thot为高温段管体内部气体温度(由试验条件决定)，Tcold为冷段管体内部气体温度(通常为常温)。
另一方面，考虑到管壁附面层影响，管体内部流动马赫数M1通常介于0.02～0.2之间，该值取决于喷管出口尺寸与高温段管径比值，具体关系式如下：
其中，d*为喷管喉道尺寸，r为气体比热比。同时，试验气体总温、总压与高温段内气体总温、总压有如下关系：
其中，下标t,1表示试验气体参数，下标0表示高温段内气体参数。
以马赫数3.5、试验段气体总温750K、喷管出口尺寸Φ300mm为例，冷段管径(包括高压驱动段、双膜段、低压被驱动段1)可取为Φ255mm，高温段管径可取为Φ200mm，低压被驱动段2管径与冷段管径相同。
2)管体的长度
管体总长及各部段的比例需要综合考虑两种运行模态。管风洞运行模式下，运行时间与管体总长及高温段管体长度之间存在以下关系式：
其中，t1为运行时间，L为管体总长，ΔL为高温段管体长度，a为管内声速，u为管内流速。下标1表示初始膨胀波通过但反射膨胀波未到达时的管内流动参数，下标0表示初始管内参数。
根据管风洞运行时间要求，可以确定管体总长和高温段长度，在此基础上，合理分配激波风洞模态高压驱动段和低压被驱动段比例，可以获得理论最长试验时间，如果该有效试验试验时间不能满足激波风洞模态试验需求，重新选取管体总长(可等比例延长)，以保证宽马赫数范围的有效试验时间。以管风洞200ms有效试验时间为例，风洞总长可取为35m，高温段长度10m；激波风洞模态对应的高压驱动段可取为10m，低压被驱动段1可取为15m，低压被驱动段2为10m，可保证马赫数5～8范围内30ms有效试验时间。下表为理论分析得到的马赫数6时不同驱动比下的试验参数(低压被驱动段压力1bar)。
| 驱动压力P4(bar) | 20 | 40 | 60 | 100 |
| 有效试验时间tr(ms) | 37.0 | 37.5 | 31.6 | 35.4 |
| 驻室气体压力峰值(bar) | 18.4 | 35.0 | 48.2 | 78.6 |
| 驻室气体压力谷值(bar) | 16.5 | 33.7 | 49.4 | 73.4 |
| 驻室气体压力波动(％) | -5.4～+5.4 | -1.9～+1.9 | -1.2～+1.2 | -3.4～+3.4 |
| 驻室气体温度峰值(K) | 743.4 | 946.8 | 1085.2 | 1304.0 |
| 驻室气体温度谷值(K) | 720.7 | 936.1 | 1077.6 | 1278.9 |
| 驻室气体温度波动(％) | -1.6～+1.6 | -0.6～+0.6 | -0.4～+0.4 | -1.0～+1.0 |
本发明的具体过程：
激波风洞模式下，分别在双膜段2和第二低压被驱动段4末端放置膜片，试验前在膜片两侧(高压驱动段和低压被驱动段)充以不同压力的气体。上游膜片破裂后，在膜片处产生一道运动激波向被驱动段传播，用于对试验气体加温加压，当激波传播到第二低压被驱动段4末端，高温高压气流冲破二道膜片，试验开始；
管风洞模式下，第二低压被驱动段4与高温段5相互更换，其中高压驱动段1、双膜段2和第一低压被驱动段3组成管体冷段。关闭上游高温隔离装置6和下游高温快开***9，分别对冷段和高温段充以不同压力的气体，通过管外加热***对管内气体进行加热。当达到指定的温度和压力后，先后打开上游高温隔离装置6、下游高温快开***9，试验开始。
本发明所提出的组合驱动方式，在工程实际应用中具有可操作性。本发明在结构上与传统脉冲风洞相似，没有复杂的作动控制机构，高温段管体的加热温度和长度，可按试验要求设计由气动运行原理满足，结构简单、可靠。在中低马赫数下采用管风洞运行方式，可延长有效运行时间，同时保证试验段流场的品质。
以上示例仅为本发明的一种参数选取参考而已，并非用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的原理之内，所作的任何修改、替换或者改进等，均在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种组合式宽马赫数高焓风洞管体结构，包括：高压驱动段(1)、双膜段(2)、第一低压被驱动段(3)、第二低压被驱动段(4)，各部段之间采用法兰形式连接，其特征在于，在实现双模态组合驱动运行时，通过第二低压被驱动段(4)与高温段(5)之间的替换拓展风洞马赫数运行范围，其中高温段(5)包含上游高温隔离装置(6)、加热管(7)及管外加热***(8)和下游高温快开***(9)，管外加热***铺设于加热管***，各部段之间采用法兰形式连接。
2.如权利要求1所述的组合式宽马赫数高焓风洞管体结构，其特征在于，所述管外加热***(8)含内层高温加热体(10)和外层保温层(11)，内层高温加热体直接与加热管体表面接触，在其外边面包裹保温层。
3.如权利要求2所述的组合式宽马赫数高焓风洞管体结构，其特征在于，所述高温加热体一般采用电加热形式，通过高温电阻元件对蓄热体进行预热。
4.如权利要求1至3任意一项所述的组合式宽马赫数高焓风洞管体结构，其特征在于，所述高压驱动段(1)、双膜段(2)、第一低压被驱动段(3)，通过第二低压被驱动段(4)与高温段(5)之间的更换，实现双模态组合驱动运行方式。
5.如权利要求4所述的组合式宽马赫数高焓风洞管体结构，其特征在于，所述双模态组合驱动运行方式，在中低马赫数段采用管风洞运行模式，在马赫数＞5.0，以激波风洞模式运行。
6.如权利要求1所述的组合式宽马赫数高焓风洞管体结构，其特征在于，管体的直径由管风洞运行模态确定，管体总长及各部段的比例需要综合考虑两种运行模态。
7.如权利要求6所述的组合式宽马赫数高焓风洞管体结构，其特征在于，所述管体的直径，由管风洞运行模态确定，其值的选取受到两方面限制：一方面，为了减弱膨胀波在冷/热段交界面上的反射，从流量守恒关系出发，可以从理论上推导出冷段管径与高温段管径存在以下关系：
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其中，dhot为高温段管体内径，dcold为冷段管体内径，Thot为高温段管体内部气体温度(由试验条件决定)，Tcold为冷段管体内部气体温度(通常为常温)；
另一方面，考虑到管壁附面层影响，管体内部流动马赫数M1通常介于0.02～0.2之间，该值取决于喷管出口尺寸与高温段管径比值，具体关系式如下：
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其中，d*为喷管喉道尺寸，r为气体比热比。同时，试验气体总温、总压与高温段内气体总温、总压有如下关系：
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其中，下标t,1表示试验气体参数，下标0表示高温段内气体参数。
8.如权利要求6或7所述的组合式宽马赫数高焓风洞管体结构，其特征在于，所述管体的长度，管体总长及各部段的比例需要综合考虑两种运行模态，管风洞运行模式下，运行时间与管体总长及高温段管体长度之间存在以下关系式：
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其中，t1为运行时间，L为管体总长，ΔL为高温段管体长度，a为管内声速，u为管内流速。
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