CN207923408U - 一种低扰动宽马赫数风洞层流双喷管 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及到高马赫数试验设备，涉及一种低扰动宽马赫数风洞层流双喷管，包括上游高马赫数喷管、高速整流段和下游带边界层抽吸的低马赫数喷管。其中，高速整流段含消音隔板、吸声段、蜂窝器和阻尼网等装置。宽马赫数运行时，上游喷管和高速整流段共用，通过更换下游喷管实现运行马赫数与喷管尺寸的匹配。所述结构存在三个收缩喉道位置(声速截面)，上游喷管喉道为限流截面，下游喷管的喉道面积至少要大于上游喷管，同时该面积比决定了总的流动损失。本实用新型的技术方案仅需对风洞的喷管做局部改造，可用于常规下吹式、引射式或吹‑引式风洞，也可用于脉冲式风洞，且由于上游高马赫数喷管固定，可采用统一的稳定段或管体尺寸，结构简单、便于操作。

Description

一种低扰动宽马赫数风洞层流双喷管

技术领域

本发明涉及到高马赫数试验设备，涉及一种低扰动宽马赫数风洞层流双喷管。

背景技术

常规高马赫数风洞中试验段来流压力脉动可达5％，通常比实际飞行环境高出一到两个数量级，对模型气动力/热测量均有显著影响，特别是壁面边界层流动状态。已有试验结果与飞行数据的对比分析表明，试验段背景扰动对转捩雷诺数影响较大，且不同风洞由于扰动水平存在差异，试验结果不一致。

风洞试验段测到的扰动由驻室传来的扰动(由阻尼网、蜂窝器、阀门、管路等产生)、喷管壁面湍流边界层的随机小涡扰动等构成。其中，扰动类型主要包括温度不均匀形成的“熵斑”(也称熵波)、速度不规则脉动(湍流度，也称涡波)、压力不规则脉动(声扰动/噪声，也称声波)。随着喷管马赫数增加，壁面随机小涡扰动影响加强。

降低喷管壁面湍流边界层的随机小涡扰动，关键是要保持喷管壁面尽可能长的边界层层流状态。静音喷管的重要措施之一是在喷管的进口消除驻室和收缩段壁面边界层对喷管边界层流动的影响，喉道前方设置抽吸装置，围绕喉道构造一条抽吸槽。

国内外针对静音喷管研究开展了***研究工作，探索上游边界层抽吸、喷管类型、膨胀速率、壁面曲率、压力梯度、拐点的壁面角、壁面光洁度和清洁度等诸多因素对喷管层流化的影响关系。但已有的设计方法存在以下限制：

一方面，由于吹-吸式风洞不可避免的供气扰动，使得喷管尺寸较小、运行受限。目前世界上最大尺寸高超声速静风洞为中国北京大学M6静风洞，喷管出口直径0.3m；

另一方面，随着高超声速飞行器研制需求的增加，急需高马赫数风洞具备跨马赫数运行能力。抽吸效果与运行马赫数、喷管收缩比及运行状态密切相关，即使抽吸槽设计成宽度可调，以满足不同运行雷诺数需求，但是喷管收缩比受稳定段或管体直径的限制，很难匹配宽马赫数运行要求。

因此，在保证喷管尺寸的前体下，实现宽马赫数范围内层流化设计技术需要进一步发展。

发明内容

本发明旨在提出一种低扰动宽马赫数风洞层流双喷管，以解决现有技术难以在保证喷管尺寸前体下，实现宽马赫数范围内层流化设计问题。

本发明的具体技术方案：一种低扰动宽马赫数风洞层流双喷管，其特征在于，包括上游喷管9、等直段11、下游喷管12，各部段之间采用法兰形式连接，所述上游喷管9内腔上设有上游喷管喉道1，靠近与上游风洞管体7连接端，下游喷管12包含抽吸槽5、下游喷管喉道6，抽吸槽5位于下游喷管喉道6上游，靠近与等直段11连接端。

所述等直段11内腔从左至右依次固连消声隔板2、多层金属网10、吸声棉3、蜂窝器4。

所述消声隔板2由两组***组成，分别针对高频和低频噪声进行消声，***在等直段内截面堵塞度，介于40％～50％之间，隔板间通道流速控制在30m/s左右，其外形为平滑的流线型，头部为半圆，尾部为渐缩尖形，尾部夹角为35°左右。

所述多层金属网10、吸声棉3构成吸声段，单层吸声棉需要两层金属网限位。

所述多层金属网10、蜂窝器4构成消除涡扰动段，蜂窝器采用六角形结构，长径比为8左右，之后接第一层金属网，此层金属网30mesh/in，丝径160um。其后接金属网网组，间距选取与等直段直径相关，参数可选为50mesh/in，丝径100um。

所述上游喷管喉道1为在上游喷管9内腔的环状凸起。

所述抽吸槽5入口马赫数为0.3左右，抽吸效率介于10％到50％之间，抽吸槽道大于90°的偏转角有利于抑制槽道内部分离。

所述低扰动宽马赫数风洞层流双喷管存在三个收缩声速截面，上游喷管喉道为限流截面，下游喷管的喉道面积至少要大于上游喷管，同时该面积比决定了总的流动损失。

所述上游喷管9可采用传统“三段式”喷管设计方法，包括亚声速收缩段、跨声速段和超声速段。

本发明的有益效果：本发明的层流双喷管是一种固定型面的设计方案，通过改变上/下游喷管的设计马赫数以及出口面积比可以满足不同的需求。本发明的技术方案仅需对风洞的喷管做局部改造，可用于常规下吹式、引射式或吹-引式风洞，也可用于脉冲式风洞，在工程实际应用中具有可操作性。本发明的层流双喷管在宽马赫数运行过程中没有复杂的作动控制机构，且由于上游高马赫数喷管固定，可采用统一的稳定段或管体尺寸，结构简单、可靠。

附图说明

图1为本发明的低扰动宽马赫数风洞层流双喷管布局示意图

图2为本发明的低扰动宽马赫数风洞层流双喷管下游带抽吸槽的喷管计算网格

图3为本发明的低扰动宽马赫数风洞层流双喷管抽吸槽局部流动特性图

图4为本发明的低扰动宽马赫数风洞层流双喷管在脉冲风洞中的结构连接示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明提供的低扰动宽马赫数风洞层流双喷管方案，上游喷管9可与风洞管体7直接连接，带抽吸槽5的下游喷管12用于产生满足试验需要的气流条件，两段喷管间等直段11用于减小扰动。

该方案具体实施设计方法分为以下几个方面：

1)上下游参数关系

低扰动宽马赫数风洞层流双喷管流动损失由内部出现的激波流动结构决定，激波结构的流向位置由上游喷管喉道1、下游喷管喉道6和抽吸槽面积比决定。根据流量守恒，有如下关系式：

其中，为上游喷管喉道面积，为下游喷管喉道面积，为抽吸槽面积，P₁₀为上游喷管喉道截面总压，P₂₀为下游喷管喉道截面总压。

2)消声隔板

消声隔板2用于消除宽频范围内的声扰动，沿等直段11入口轴向前后安装两组***，分别针对高频和低频噪声进行消声。***在等直段内截面堵塞度，介于40％～50％之间，隔板间通道流速控制在30m/s左右，其外形为平滑的流线型，头部为半圆，尾部为渐缩尖形，尾部夹角为35°左右。

3)吸声段

吸声段通过多层金属网10和其间填充的吸声棉3等降低噪声。单层吸声棉需要两层金属网限位。由于吸声性能的好坏与试验条件密切相关，需预留用于增加吸声棉或金属网的空间。以直径600mm的等直段为例：可采用四层多层金属网，厚度为0.64cm左右，一层吸声棉填充物；预留空间约1000mm。

4)消除涡扰动段

采用蜂窝器4与金属网相结合设计，蜂窝器采用六角形结构，长径比为8左右，之后接第一层金属网，此层金属网30mesh/in，丝径160um。其后接金属网网组，间距选取与等直段直径相关，参数可选为50mesh/in，丝径100um。

5)抽吸槽

如图2所示，本发明中下游喷管抽吸槽5的设计，除了需满足一定的抽吸效率外，应尽可能避免产生流动分离，以防止扰动前传干扰试验流场。研究结果表明，抽吸槽道大于90°的偏转角有利于抑制槽道内部分离。

如图3所示，本发明的低扰动宽马赫数风洞层流双喷管可直接用于脉冲风洞中，上游与驱动管体连接，下游与试验段相连。

本发明的低扰动宽马赫数风洞层流双喷管即可直接应用于脉冲风洞，也可用于常规暂冲式风洞中。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。

上游高马赫数喷管起到限流作用，提供满足一定总温和总压要求的气体流量，可采用传统“三段式”喷管设计方法，包括亚声速收缩段、跨声速段和超声速段。

高速整流段用于消除高低频扰动，包括整流前段、整流中段和整流后段。其中，整流前段包含消音隔板和吸声段，用于减小噪声；整流中段，采用蜂窝器和阻尼网相结合形式，用于减小涡扰动；整流后段，用于流场自然过渡，进一步降低进入下游喷管收缩段前的总扰动。

下游带边界层抽吸的低马赫数喷管用于提供满足试验马赫数和扰动要求的流动环境，包括超声速段型面设计、喉道附近跨声速段型线设计以及基于喉部边界层抽吸的亚跨超段/抽吸***一体化设计。为了保证抽吸效果，抽吸槽入口马赫数为0.3左右，抽吸效率介于10％到50％之间。

宽马赫数运行时，上游高马赫数喷管和高速整流段共用，通过更换下游低马赫数喷管实现运行马赫数与喷管尺寸的匹配。

特别地，上述层流双喷管工作状态下具有以下流动特征：

所述上/下游喷管喉道及抽吸槽喉道同时达到声速，在上游喷管喉道后的扩张段内有激波串结构存在，在高速整流段的前段存在超声速波系流动结构与吸声多孔结构耦合作用。激波串起始位置及耦合作用造成的总压损失由上/下游喷管喉道面积比决定。

为了达到上述工作状态，上/下游喷管喉道面积比应满足如下要求：

上游喷管喉道为限流截面，下游喷管的喉道面积至少要大于上游喷管喉道面积，同时还需要小于其允许的极限取用面积，该面积与两喷管的设计马赫数以及出口面积相关。

Claims (5)

1.一种低扰动宽马赫数风洞层流双喷管，其特征在于，包括上游喷管(9)、等直段(11)、下游喷管(12)，各部段之间采用法兰形式连接，所述上游喷管(9)内腔上设有上游喷管喉道(1)，靠近上游风洞管体(7)连接端，下游喷管(12)包含抽吸槽(5)、下游喷管喉道(6)，抽吸槽(5)位于下游喷管喉道(6)上游，靠近等直段(11)连接端；

所述等直段(11)内腔从左至右依次固连消声隔板(2)、多层金属网(10)、吸声棉(3)、蜂窝器(4)；

所述消声隔板(2)由两组***组成，分别针对高频和低频噪声进行消声，***在等直段内截面堵塞度，介于40％～50％之间，隔板间通道流速控制在30m/s左右，***外形为平滑的流线型，头部为半圆，尾部为渐缩尖形，尾部夹角为35°左右；

所述多层金属网(10)、吸声棉(3)构成吸声段，单层吸声棉需要两层金属网限位；

所述多层金属网(10)、蜂窝器(4)构成消除涡扰动段，蜂窝器采用六角形结构，长径比为8左右，蜂窝器(4)后接第一层金属网，此层金属网30mesh/in，丝径160um第一层金属网后接金属网网组，间距选取与等直段直径相关，参数为50mesh/in，丝径100um。

2.如权利要求1所述的低扰动宽马赫数风洞层流双喷管，其特征在于，所述上游喷管喉道(1)为在上游喷管(9)内腔的环状凸起。

3.如权利要求2所述的低扰动宽马赫数风洞层流双喷管，其特征在于，所述抽吸槽(5)入口马赫数为0.3左右，抽吸效率介于10％到50％之间，抽吸槽道大于90°的偏转角有利于抑制槽道内部分离。

4.如权利要求1所述的低扰动宽马赫数风洞层流双喷管，其特征在于，所述低扰动宽马赫数风洞层流双喷管存在三个收缩声速截面，上游喷管喉道为限流截面，下游喷管的喉道面积要大于上游喷管，上游喷管喉道的限流截面与下游喷管的喉道面积的面积比决定了总的流动损失。

5.如权利要求1所述的低扰动宽马赫数风洞层流双喷管，其特征在于，所述上游喷管(9)采用传统“三段式”喷管，包括亚声速收缩段、跨声速段和超声速段。