CN117405351B - 降低来流噪声的路德维希管风洞结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种降低来流噪声的路德维希管风洞结构，涉及风洞技术领域，包括储气段、快开阀、喷管、试验段、真空罐，储气段通过分段阀分隔为冷段管道和热段管道，冷段管道储存的空气经过热段管道到达喷管，热段管道用于对到达喷管之前的气流进行加热；空气在冷段管道和热段管道之间形成温度突变，稀疏波在界面上反射，本发明通过在热段管道、快开阀和分段阀形成的内腔中设置多孔消波结构进行消波，减小甚至消除由于加热不均匀产生的新扰动，从而提高风洞流场品质。

Description

降低来流噪声的路德维希管风洞结构

技术领域

本发明涉及风洞技术领域，更进一步涉及一种降低来流噪声的路德维希管风洞结构。

背景技术

路德维希管风洞是Hubert Ludweig教授于1955年提出的一种新型高超声速管风洞设计方案。路德维希管风洞由储气段、快开阀、喷管、试验段、及真空罐组成。与传统的暂冲式高超声速风洞相比，路德维希管风洞没有复杂的高压管路和阀门控制***，风洞具有建设成本低，来流单位雷诺数高，运行、操作简单等优点，是适合研究所及高校科研团队进行高超声速边界层转捩等基础空气动力学问题研究的地面风洞实验平台。

路德维希管运行时间由长直储气段决定，储气段越长，风洞运行时间越长，一般如果路德维希管运行时间超过100ms，长直储气段长度应该大于21m，进一步如果需要继续提高风洞运行时间，其对应的长直储气段就更长。高压空气经过喷管膨胀加速后，气体温度降低，为了使得试验段气体不发生液化，需要对进入喷管之前的高压气体进行加热处理，对于马赫6高超声速风洞，进入喷管之前的高压气体一般需要加热达到430K以上，如果整个21米长的储气段都进行加热，耗费大量能源，并且给均匀加热带来很大的困难，所以结合风洞运行时间和经济效益考虑，一般只加热靠近喷管上游的一部分长直储气段，因为风洞运行时只有靠近喷管一段距离的气体进入喷管膨胀加速，剩余的气体不进入喷管，所以不进入喷管的气体所在的管道可以保持冷却状态，在冷段管道和热段管道之间采用蝶阀进行隔断处理。这样的隔断处理虽然可以控制加热的长度，但是同样在长直储气段管道上形成温度突变，即阀门下游是高温气体，阀门上游是常温气体。风洞运行时由于长直储气段的温度和密度不均匀，稀疏波在界面上反射，形成新的扰动，这些扰动在快开阀和蝶阀之间来回发射，影响整个风洞的来流噪声。

如何降低或者消除这种由于长直储气段温度分布不均匀产生的新的扰动，从而提高风洞流场品质，是目前需要解决的技术问题。

发明内容

本发明提供一种降低来流噪声的路德维希管风洞结构，在热段管道的内腔中设置多孔消波结构进行消波，减小甚至消除由于加热不均匀产生的新扰动，具体方案如下：

一种降低来流噪声的路德维希管风洞结构，包括储气段、快开阀、喷管、试验段、真空罐，所述储气段通过分段阀分隔为冷段管道和热段管道，所述冷段管道储存的气体经过所述热段管道输送至所述喷管，所述热段管道用于对到达所述喷管之前的气流进行加热；

所述热段管道、所述快开阀和所述分段阀形成的内腔中设置多孔消波结构。

可选地，所述热段管道、所述快开阀的阀芯和所述分段阀的阀芯分别设置所述多孔消波结构。

可选地，所述多孔消波结构为透气钢。

可选地，所述热段管道至少包括两层，最内层设置为透气钢；

所述快开阀的阀芯和所述分段阀的阀芯分别至少包括两层，最外层设置透气钢。

可选地，所述热段管道的最外层设置为不锈钢支撑体，所述快开阀的阀芯和所述分段阀的阀芯的最内层均为不锈钢支撑体。

可选地，所述多孔消波结构为设置在所述热段管道内表面、所述快开阀的阀芯外表面和所述分段阀的阀芯外表面的粗糙面。

可选地，所述热段管道的内腔为内径相等的柱状。

可选地，所述分段阀为碟阀。

本发明提供一种降低来流噪声的路德维希管风洞结构，储气段通过分段阀分隔为冷段管道和热段管道，冷段管道储存的空气经过热段管道到达喷管，热段管道用于对到达喷管之前的气流进行加热；空气在冷段管道和热段管道之间形成温度突变，稀疏波在界面上反射，本发明通过在热段管道、快开阀和分段阀形成的内腔中设置多孔消波结构进行消波，减小甚至消除由于加热不均匀产生的新扰动，从而提高风洞流场品质。

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一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的降低来流噪声的路德维希管风洞结构一种具体实施例的布局结构示意图；

图2为冷段管道和热段管道之间风洞运行时的波系图；

图3为热段管道的管道壁两层结构断面示意图；

图4为透气钢材料显微放大图。

图中包括：

储气段1、冷段管道11、热段管道12、快开阀2、喷管3、试验段4、真空罐5、分段阀6。

具体实施方式

本发明的核心在于提供一种降低来流噪声的路德维希管风洞结构，在热段管道的内腔中设置多孔消波结构进行消波，减小甚至消除由于加热不均匀产生的新扰动。

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

结合图1，本发明提供一种降低来流噪声的路德维希管风洞结构，包括储气段1、快开阀2、喷管3、试验段4、真空罐5等结构，气流按照从左向右的方向流动，储气段1中储存的气体依次经过快开阀2、喷管3、试验段4，最终到达真空罐5。

储气段1通过分段阀6分隔为冷段管道11和热段管道12，分段阀6可控制冷段管道11和热段管道12之间的通断以及口径的大小，控制气流的通断的流量。冷段管道11和热段管道12均储存有气体，进行试验时，冷段管道11储存的气体经过热段管道12输送至喷管3，热段管道12用于对到达喷管3之前的气流进行加热，气体在到达喷管3之前提升温度。喷管3设置有收缩段，气流经过喷管3时先收缩后扩张。

热段管道12、快开阀2和分段阀6形成的内腔中设置多孔消波结构。分段阀6将储气段1分隔为冷段管道11和热段管道12，这样的隔断处理虽然可以控制加热的长度（仅对热段管道12加热），但是同样在长直储气段管道上形成温度突变，即分段阀6下游（热段管道12）是高温气体，分段阀6上游（冷段管道11）是常温气体。风洞运行时由于长直储气段1的温度和密度不均匀，稀疏波在界面上反射，产生的稀疏波形成新的扰动，这些扰动在快开阀2和分段阀6之间来回发射，影响整个风洞的来流噪声。为了降低或者消除这种由于长直储气段温度分布不均匀产生的新的扰动，本发明在热段管道12、快开阀2和分段阀6形成的内腔中设置多孔消波结构，也即在热段管道12的内腔中设置多孔消波结构。

结合图2，示意性地表示稀疏波在冷段管道11和热段管道12之内随时间变化的情况，横坐标x表示轴向位置，纵坐标t表示时间。由于分段阀6的上游和下游存在温度突变，分段阀6下游管道温度430K，分段阀6上游是冷段，温度是室温；分段阀6上下游由于温度突变，进而密度差异很大，当快开阀2开启风洞运行时，根据高超声速理论，热段管道12高压气体向下游膨胀时，会有一道稀疏波向上游运动，当稀疏波向上游传播到达分段阀6位置时，由于分段阀6两侧存在很大的密度差，所以稀疏波遇到密度比较大的冷段空气时会发生反射，进而稀疏波在分段阀6和快开阀2阀芯之间的热段之间来回发生发射，产生额外的扰动向下游传播，增加风洞来流噪声，引起风洞流场品质下降。稀疏波的传递方向大体沿热段管道12的长度方向，也有一部分稀疏波能够传导到热段管道12的圆柱圆形内表面。针对稀疏波需要对分段阀6和快开阀2之间的热段管道12进行消波设计，减小甚至消除由于加热不均匀产生的新扰动，从而提高风洞流场品质。

由于在热段管道12内布置多孔消波材料，多孔消波材料吸收来回反射的稀疏波，这样稀疏波在打到阀芯时可以被吸收，减弱稀疏波在热段管道来回反射，削弱稀疏波扰动强度，减小甚至消除由于加热不均匀产生的新扰动，提高风洞流场品质。

在上述方案的基础上，本发明在热段管道12、快开阀2的阀芯和分段阀6的阀芯分别设置多孔消波结构，也即同时在热段管道12的内表面、快开阀2的阀芯外表面和分段阀6的阀芯外表面设置多孔消波结构，热段管道12内腔与空气接触的部分均采用多孔消波结构，从而最大程度地实现消波，降低扰动。

需要注意的是，本发明所提供的核心方案是在热段管道12的内腔表面设置多孔消波结构，因此其包含的范围并不仅限于在内腔的表面全部设置为多孔消波结构，也包含仅在局部设置多孔消波结构的方案，例如只在热段管道12内表面设置多孔消波结构、只在快开阀2的阀芯外表面和分段阀6的阀芯外表面设置多孔消波结构等形式。仅在局部设置多孔消波结构的构造也可在一定程度上达到消波的效果，但消波能力相较于在热段管道12的内腔全部表面设置多孔消波结构略差。此外，除了在热段管道12的内腔设置多孔消波结构之外，还可以在风洞的其他结构设置多孔消波结构，这些具体的实施例均应包含在本发明的保护范围之内。

本发明在此提供一些优选的实施例，多孔消波结构为透气钢，也即在热段管道12的内腔表面设置透气钢，快开阀2的阀芯外表面和分段阀6的阀芯外表面分别设置透气钢。需要说明的是，透气钢仅为一种优选的实施例，本发明并不排除采用其他类型的多孔消波材料。

结合图4所示，透气钢是一种由细颗粒圆球体粉末不锈钢经高温烧结而成的材料，内部各个方向均匀布满微小排气孔，也叫多孔材料或多孔金属。由于透气钢并非平滑的表面，其外表面具有粗糙的孔隙，因此当稀疏波到达透气钢的表面时，一部分稀疏波进入孔隙并在孔隙内不断反射最终耗尽能量，达到消波的效果。

优选地，本发明提供的热段管道12至少包括两层，最内层设置为透气钢；快开阀2的阀芯和分段阀6的阀芯分别至少包括两层，最外层设置透气钢。结合图3所示，其中A表示透气钢层，B表示透气钢的附着层，由附着层对透气层提供支撑，保证透气层的结构强度。对于热段管道12采用其他类型多孔消波材料的结构，同样可以采用两层及以上层数的结构。

具体地，热段管道12的最外层设置为不锈钢支撑体，快开阀2的阀芯和分段阀6的阀芯的最内层均为不锈钢支撑体。也即热段管道12的侧壁、快开阀2的阀芯和分段阀6的阀芯均采用不锈钢材料作为附着层。对于快开阀2的阀芯和分段阀6的阀芯采用其他类型多孔消波材料的结构，同样可以采用两层及以上层数的结构。除了采用不锈钢材料作为附着层之外，还可以采用其他的材料提供支撑，这些具体的实施方式都应该包含在本发明的保护范围之内。

上述采用透气钢作为多孔消波结构是一种优选的方案，除了采用透气钢之外，多孔消波结构还可以是设置在热段管道12内表面、快开阀2的阀芯外表面和分段阀6的阀芯外表面的粗糙面。热段管道12内表面、快开阀2的阀芯外表面和分段阀6的阀芯外表面可以采用不锈钢等材料，通过激光刻蚀等方法加工出粗糙表面，粗糙表面具有微小的凹凸不平的凹坑，当稀疏波抵达粗糙表面时，稀疏波在凹坑内部不断反射并耗散能量，从而实现消波。

具体的热段管道12的内腔为内径相等的柱状，当稀疏波在热段管道12的内腔中来回反射的过程中，不会因为内径的变化产生额外的冲击阻碍，避免进一步产生次生波。

具体地，本发明所采用的分段阀6为碟阀，通过碟阀控制冷段管道11和热段管道12之间的通阀以及气体流量。

本发明通过在热段管道12内壁和阀芯表面设置透气钢等多孔材料，减弱甚至消除热段管道中的稀疏波，降低风洞来流噪声，提高风洞来流品质。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理，可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (8)

1.一种降低来流噪声的路德维希管风洞结构，其特征在于，包括储气段（1）、快开阀（2）、喷管（3）、试验段（4）、真空罐（5），所述储气段（1）通过分段阀（6）分隔为冷段管道（11）和热段管道（12），所述冷段管道（11）储存的气体经过所述热段管道（12）输送至所述喷管（3），所述热段管道（12）用于对到达所述喷管（3）之前的气流进行加热；

所述热段管道（12）、所述快开阀（2）和所述分段阀（6）形成的内腔中设置多孔消波结构。

2.根据权利要求1所述的降低来流噪声的路德维希管风洞结构，其特征在于，所述热段管道（12）、所述快开阀（2）的阀芯和所述分段阀（6）的阀芯分别设置所述多孔消波结构。

3.根据权利要求2所述的降低来流噪声的路德维希管风洞结构，其特征在于，所述多孔消波结构为透气钢。

4.根据权利要求3所述的降低来流噪声的路德维希管风洞结构，其特征在于，所述热段管道（12）至少包括两层，最内层设置为透气钢；

所述快开阀（2）的阀芯和所述分段阀（6）的阀芯分别至少包括两层，最外层设置透气钢。

5.根据权利要求4所述的降低来流噪声的路德维希管风洞结构，其特征在于，所述热段管道（12）的最外层设置为不锈钢支撑体，所述快开阀（2）的阀芯和所述分段阀（6）的阀芯的最内层均为不锈钢支撑体。

6.根据权利要求2所述的降低来流噪声的路德维希管风洞结构，其特征在于，所述多孔消波结构为设置在所述热段管道（12）内表面、所述快开阀（2）的阀芯外表面和所述分段阀（6）的阀芯外表面的粗糙面。

7.根据权利要求2所述的降低来流噪声的路德维希管风洞结构，其特征在于，所述热段管道（12）的内腔为内径相等的柱状。

8.根据权利要求1所述的降低来流噪声的路德维希管风洞结构，其特征在于，所述分段阀（6）为碟阀。