一种延长高超声速暂冲式风洞运行时间的风洞装置

摘要

本发明属于高超声速暂冲式风洞气动设计领域，具体涉及一种延长高超声速暂冲式风洞运行时间的风洞装置，包括：储气罐以及同轴连接的储气段和喷管；储气段尾部伸入储气罐并密封连通；储气罐内部设置有均与储气段同轴设置的导流锥筒和导流锥；导流锥筒前端伸入储气段尾端；导流锥固定安装在储气罐的与储气段尾端同轴相对一侧；膨胀波依次通过储气段、导流锥筒并到达导流锥，导流锥将膨胀波分离并反射到储气罐两侧；导流锥筒尾端与储气罐内壁之间存在缝隙，导流锥筒的外壁与储气罐的内壁围成相对封闭的膨胀波耗散空腔；被分离的膨胀波经过缝隙到达膨胀波耗散空腔内逐渐耗散。本发明能够有效延长高超声速暂冲式风洞有效运行时间，效率和性价比较高。

说明书

技术领域

本发明属于高超声速暂冲式风洞气动设计领域，更具体地，涉及一种延长高超声速暂冲式风洞运行时间的风洞装置。

背景技术

高超声速风洞是航空航天领域研究最重要、最基础、最广泛的实验工具，它的发展与高超声速飞行器、中远程导弹和航天器等的发展密切相关。高超声速暂冲式风洞具有模拟雷诺数高，建造成本和建造难度相对更低，更容易模拟高温条件而被广泛用于超声速和高超声速实验研究领域。

高超声速暂冲式风洞是一种在风洞喷管入口上游的储气段贮存高压气体，并用真空泵把风洞试验段下游的真空罐抽为真空，实验时快速开启阀门，利用吹冲或吸气作用或两者结合形成的大压差来产生高超声速气流。当试验段内高超声速气流状态由于风洞管内波系反射或实验气压差不足时实验结束。对于常规的高超声速暂冲式风洞，风洞启动时会以喷管入口为起点沿储气段产生往上游传播的膨胀波和往下游行进的激波，当膨胀波到达储气段顶端时会发生固壁反射，反射后的膨胀波沿储气段往喷管入口传播，当反射膨胀波到达喷管入口时，喷管入口压力发生变化，进而导致风洞运行工况发生改变，从而完成一次有效的实验周期。这使得高超声速暂冲式风洞有效运行时间与储气段长度密切相关。目前，国内外大多已建成的高超声速暂冲式风洞有效运行时间一般在百毫秒级别，导致风洞实验研究范围受到一定影响，特别是研究气动热问题时影响更加显著。为延长高超声速暂冲式风洞运行时间，模拟更真实的真实环境，可通过直接增长储气段长度予以解决，但这种方法延长时间效果有限，且会显著增加实验平台占地空间和建造、维护成本，性价比低。

发明内容

本发明提供一种延长高超声速暂冲式风洞运行时间的风洞装置，用以解决现有高超声速暂冲式风洞运行时间严重依赖储气段长度的技术问题。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种延长高超声速暂冲式风洞运行时间的风洞装置，包括：储气罐以及同轴连接的储气段和喷管；所述储气段的尾部伸入所述储气罐，以与所述储气罐密封连通；

所述储气罐内部设置有均与所述储气段同轴设置的导流锥筒和导流锥；所述导流锥筒的前端伸入所述储气段的尾端并固定；所述导流锥固定安装在所述储气罐的与所述储气段的尾端同轴相对的一侧；经所述喷管所产生的膨胀波依次通过所述储气段、所述导流锥筒并到达所述导流锥，所述导流锥将膨胀波分离并反射到储气罐两侧；

所述导流锥筒的尾端与所述储气罐的内壁之间存在缝隙，所述导流锥筒的外壁与所述储气罐的内壁围成相对封闭的膨胀波耗散空腔；所述导流锥的锥顶与所述导流锥筒的尾端之间的距离满足：被分离的膨胀波经过所述缝隙到达所述膨胀波耗散空腔内；所述膨胀波在该空腔内能量逐渐耗散。

本发明的有益效果是：本发明相当于是提出一种延长高超声速暂冲式风洞运行时间的方法，从暂冲式风洞原理出发，在常规高超声速暂冲式风洞基础上增加了储气罐，并在储气罐内布置了导流锥筒和导流锥，以在储气罐内构造一膨胀波耗散空腔，通过改变高超声速暂冲式风洞中膨胀波反射传播过程，减弱甚至消去膨胀波或延迟反射膨胀波到达风洞喷管入口处的时间，达到延长高超声速暂冲式风洞有效运行时间的有益效果。相对于简单增加储气段长度来延长风洞运行时间的方法，改造成本和改造难度更低，效率和性价比更高，可进一步扩大常规高超声速暂冲式风洞的研究范围。在暂冲式风洞建设与设计中具有创新性意义。

上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

进一步，所述储气罐为圆柱形。

本发明的进一步有益效果是：储气罐是一种承压容器，而圆柱形具有较好的耐压能力。

进一步，所述储气罐的直径为所述储气段直径的50～200倍；所述储气罐的高度至少为储气段直径的10倍。

本发明的进一步有益效果是：根据风洞参数(雷诺数、马赫数、温度等)选择足够大的直径，保证在储气罐水平轴线方向具有足够长度，使得膨胀波经由导流锥分离后有足够的反射空间，以达到减弱膨胀波或延长膨胀波反射时间的目的；同时储气罐应根据风洞参数具有合适的高度H，以与导流锥筒形成足够的膨胀波耗散空间，提高减弱膨胀波效能，延长暂冲式风洞运行时间。其中，本方案所优选的储气罐高度和直径，能够使得高超声速暂冲式风洞运行时间延长到100ms～200ms。

进一步，所述导流锥筒的长度为所述储气罐的直径的2/3，以使得所述膨胀波耗散空腔的相对封闭。

进一步，所述导流锥筒的前端呈楔形。

本发明的进一步有益效果是：导流锥筒前端保持楔形结构有利于削弱膨胀波与固壁的相互作用，避免额外的反射膨胀波反向传播到风洞喷管入口而影响试验流场品质。

进一步，所述导流锥筒在储气段轴向方向分段安装。

本发明的进一步有益效果是：受限于加工条件和装配条件，导流锥筒在储气段轴向方向可以分段安装，以提高加工和装配的灵活性。

进一步，所述导流锥筒分段为长度均等的前导流锥筒和后导流锥筒；

所述前导流锥筒的前端伸入所述储气段的尾端并固定；所述后导流锥筒的前端伸入所述前导流锥筒的尾端。

本发明的进一步有益效果是：每段长度根据加工条件和装配条件选择尽可能大的值并尽量均等，以减少分段并等距安装，简化装配结构。

进一步，所述前导流锥筒的结构张角θ为20°～60°。

本发明的进一步有益效果是：膨胀波传播后的区域会诱导气体流动，在本发明导流锥筒结构张角范围内，在引导膨胀波传播方向的同时，可以避免出现流动分离，便于膨胀波传播过程的控制。

进一步，所述导流锥锥角与所述导流锥筒张角相等。

本发明的进一步有益效果是：获得膨胀波水平反射和侧面反射的最优匹配，使膨胀波在壁面表面反射后顺利进入膨胀波耗散腔，达到延长风洞运行时间的效果。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种延长高超声速暂冲式风洞运行时间的风洞装置总体俯视示意图；

图2为本发明实施例提供的一种储气罐主视结构示意图；

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或者结构，其中：

1为储气罐，2为储气段，3为控制阀段，4为喷管，5为试验段，6为真空罐，7为进气口，8为导流锥，9为排污口，10为后导流锥筒，11为前导流锥筒，12为膨胀波耗散空腔。

具体实施方式

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。

实施例一

一种延长高超声速暂冲式风洞运行时间的风洞装置，包括：储气罐以及依次同轴连接的储气段、控制阀门、喷管、试验段和真空罐；储气段的尾部伸入储气罐，以与储气罐密封连通。储气罐内部设置有均与储气段同轴设置的导流锥筒和导流锥；导流锥筒的前端伸入储气段的尾端并固定；导流锥固定安装在储气罐的与储气段的尾端同轴相对的一侧；经喷管所产生的膨胀波依次通过储气段、导流锥筒并到达导流锥，导流锥将膨胀波分离并反射到储气罐两侧。导流锥筒的尾端与储气罐的内壁之间存在缝隙，导流锥筒的外壁与储气罐的内壁围成相对封闭的膨胀波耗散空腔；导流锥的锥顶与导流锥筒的尾端之间的距离满足：被分离的膨胀波经过缝隙到达膨胀波耗散空腔内；膨胀波在该空腔内多次反射并在反射过程中能量逐渐耗散。

需要说明的是，储气罐与储气段之间可通过法兰连接，储气段与该法兰同轴设置。

风洞装置常规是设置有进气口和排污口的，其中，在本实施例中，排污口用于积冷液，在储气罐底部设置；进气口用于充高压气体，其位置根据实际情况调整。

储气段可由多段耐高温金属管道构成，并由法兰同轴连接。

储气段长度应根据风洞运行所需质量流量、加热长度和实际场地条件确定。为延长风洞运行时间的同时获得更好的加热效果，储气段需保持一定长度，但相对传统高超声速暂冲式风洞来说，由于储气段长度对运行时间限制减小，对其长度要求明显降低。

如图1所示，图1显示了按照本发明实施例提供的一种延长暂冲式风洞运行时间的方法总体示意图，包括储气罐1、储气段2、控制阀段3、喷管4、试验段5、真空罐6。其中，储气罐1与高压空气压缩机连接并储存高压气体，并依次与储气段2、控制阀段3、喷管4、试验段5、真空罐6按一般高超声速暂冲式风洞要求同轴密封连接。本实施例首次提出的储气罐1内有导流锥筒等内部装配结构，以改变风洞运行时膨胀波的反射过程。

如图2所示，图2显示了本发明实施例提供的一种储气罐1主视结构示意图，包括进气口7、导流锥8、排污口9、后导流锥筒10、前导流锥筒11。其中，进气口7位置可根据实际情况调整，排污口9在储气罐1底部设置。

高超声速暂冲式风洞运行时，控制阀段3中的控制阀门打开，在喷管4的入口处同时产生向上游以声速传播的膨胀波和向下游传播的激波。向上游传播的膨胀波，会使得被经过的区域压力降低，与下游真空罐6之间的压差构成了喷管4内高超声速空气流动的驱动力。当向上游传播的膨胀波接触到储气段2左端部时，发生储气段的尾端反射，同时膨胀波将继续向上游传播进入储气罐1。在储气罐1内前导流锥筒11和后导流锥筒10的导流作用下在储气罐1内有限空间内向上游传播。当膨胀波传播碰到导流锥8时，膨胀波将在导流锥8的导流作用下往储气罐1的四周转播，并在储气罐1上下端面的作用下逐步反射进入膨胀波耗散空腔12内。由于膨胀波耗散空腔12近似一个封闭的空间，膨胀波将在膨胀波耗散空腔12内储气罐内壁和导流锥筒外壁之间多次反射并在反射过程中能量逐渐耗散，从而削弱并延迟膨胀波反射进入储气段2内的时间，达到延长高超声速暂冲式风洞有效运行时间的目的。

因此，本实施例相当于是提出一种延长高超声速暂冲式风洞运行时间的方法，从暂冲式风洞原理出发，在常规高超声速暂冲式风洞基础上增加了储气罐1，并在储气罐1内布置了导流锥筒和导流锥8，以在储气罐内构造一膨胀波耗散空腔，通过改变高超声速暂冲式风洞中膨胀波反射传播过程，减弱甚至消去膨胀波或延迟反射膨胀波到达风洞喷管入口处的时间，达到延长高超声速暂冲式风洞有效运行时间的有益效果。相对于简单增加储气段长度来延长风洞运行时间的方法，改造成本和改造难度更低，效率和性价比更高，可进一步扩大常规高超声速暂冲式风洞的研究范围。在暂冲式风洞建设与设计中具有创新性意义。

优选的，储气罐为圆柱形。其直径D和高度H均应合适选取，以获得足够膨胀波传播时间和膨胀波耗散空腔容积，提高膨胀波控制效能。

根据风洞参数(雷诺数、马赫数、温度等)选择足够大的直径，保证在储气罐水平轴线方向具有足够长度，使得膨胀波经由导流锥分离后有足够的反射空间，以达到减弱膨胀波或延长膨胀波反射时间的目的。通过数值仿真模拟，优选地，储气罐直径D约为储气段直径d的50～200倍；同时储气罐应根据风洞参数具有合适的高度H，以与导流锥筒形成足够的膨胀波耗散空间，提高减弱膨胀波效能，延长暂冲式风洞运行时间，通过数值仿真模拟，优选地，储气罐高度H应至少为储气段直径d的10倍。其中，本实施例所优选的储气罐高度和直径，能够使得高超声速暂冲式风洞运行时间延长到100ms～200ms。

优选的，导流锥筒的前端呈楔形，有利于对膨胀波进行分离切割。

优选的，导流锥筒在储气段轴向方向分段安装，导流锥筒分段为长度均等的前导流锥筒10和后导流锥筒11；前导流锥筒的前端伸入储气段的尾端并固定；后导流锥筒的前端伸入前导流锥筒的尾端。

受限于加工条件和装配条件，导流锥筒在储气段轴向方向可以分段安装，每段曲面锥筒均有前直径和后直径，每段长度应根据加工条件和装配条件选择尽可能大的值并尽量均等，以减少分段并等距安装，简化装配结构。可选用两段曲面锥筒构成导流锥筒，分别称为前导流锥筒和后导流锥筒。每段曲面锥筒的曲面形状可为流线型，且各段曲面锥筒外缘母线接近连续、光滑，以使反射膨胀波贴壁分离，获得更好的回流效果。另外，每段曲面锥筒的前端应设置为楔形，有利于对膨胀波进行分离切割。

如图2所示，前导流锥筒前直径d1应略小于储气段直径d且伸入储气段尾部，以实现膨胀波即时分离。优选地，前导流锥筒张角θ约为20°～60°。后导流锥筒前直径d3应略小于前导流锥筒后直径d2，同时优选的，导流锥筒的总长度应接近储气罐直径D的2/3，有利于膨胀波耗散空腔相对封闭，且避免膨胀波耗散空腔和膨胀波反射空间过早干涉。由于在确定了d1和d大小关系、d3和d2的大小关系，因此，在明确d大小、θ大小以及导流锥筒的总长度后，d4的大小也就确定了。

由于导流锥固定在与导流锥筒尾端轴线和储气罐壁面相交的位置。通过数值仿真模拟获得地，优选的，导流锥锥角与导流锥筒张角相等，以获得更好的膨胀波导流效果，具体的，导流锥锥角与导流锥筒张角相等，同时与后导流锥筒10出口距离控制合适，使被分离的膨胀波能反射到膨胀波耗散空腔12内而避免过早传播进入储气罐2。其中，导流锥母线可为流线型，以使反射膨胀波贴壁分离，实现更佳的分离和反射状态。

导流锥和导流锥筒所用材料应有较大结构强度，装配紧固，以承受高速膨胀波冲击作用；同时材料加工性能好，便于流线型曲面加工，优选地，可选用不锈钢材料。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。