CN102252818B - 流场品质可变的超声速风洞 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种流场品质可变的超声速风洞，通过在超声速风洞上设置边界层吸除装置，利用边界层吸除装置吸除收缩段出口端内壁处的湍流边界层，改变流场品质；同时，在前稳定段内可选择性地安装防分离锥、不锈钢丝绵消声部件、烧结网堵以及多层阻尼网，亦可以改变流场的品质。通过本发明，能够解决超声速风洞实现各种不同的流场品质存在的实验成本增加、工作量大、且实验结果可靠性不高的问题，进而达到了降低实验成本、减少工作量以及提高实验结果可靠性的效果。

Description

流场品质可变的超声速风洞

技术领域

本发明涉及风洞技术领域，具体涉及一种流场品质可变的超声速风洞。

背景技术

航空航天技术的发展，与空气动力学研究的进步息息相关。要进行空气动力学实验研究，就离不开地面模拟设备——风洞，风洞甚至被称为“航空航天飞行器诞生的摇篮”。不仅如此，风洞还在汽车、高速列车、建筑、桥梁等民用研究领域发挥了重要作用。

为适应航空航天飞行器的研制和发展，世界各国相继建造了各种尺寸、各种类型、各种性能品质的风洞。但是对于一座已经建设好了的风洞而言，作为风洞性能的重要指标之一流场品质是不能改变的，尤其是对于超声速风洞。但对空气动力学机理研究，有时同一模型需要进行风洞对比实验，需要在不同的流场品质下进行，比较实验结果的变化和差异。在不同的风洞内进行试验会带来以下问题：

①增加建设成本，需要建设不同流场品质的风洞；

②增加气动试验工作量，模型需要在不同的风洞设备安装、调试、试验；

③增加测试工作量，测试设备需要来回反复搬迁调试；

④降低试验结果的可靠性，模型和测试设备重新安装调试，会对试验结果带来影响和误差。

由以上可知，现有相关技术中的超声速风洞实现各种不同的流场品质存在如下问题：实验成本增加、工作量大、且降低实验结果的可靠性。

发明内容

针对相关技术的超声速风洞如果要实现各种不同的流场品质存在实验成本增加、工作量大、且降低实验结果的可靠性的问题，目前尚未提出有效的解决方法。为此，本发明的主要目的在于提供一种流场品质可变的超声速风洞，以实现超声速风洞流场品质的可变，同时降低实验成本、减少工作量以及提高实验结果的可靠性。

为实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种流场品质可变的超声速风洞，该风洞包括顺次连接的高压气罐、阀门、粒子过滤器、干燥器、高压管路、大角度扩散段、前稳定段、后稳定段、收缩段、扩张段、实验段、扩压段以及真空箱；该风洞还包括边界层吸除装置；边界层吸除装置安装在收缩段与扩张段之间；边界层吸除装置用于吸除收缩段的出口端的内壁处的湍流边界层；收缩段的出口端向外弯折形成第一固定边，第一固定边上分布有第一通孔；扩张段的入口端向外形成有第二固定边，第二固定边上分布有与第一通孔相对应的第二通孔；边界层吸除装置包括第一圆筒，第一圆筒的侧壁上轴向设置有与第一通孔以及第二通孔相对应的第四通孔；第一圆筒通过螺栓穿过第一通孔、第四通孔以及第二通孔固定夹设于第一固定边与第二固定边之间。

进一步地，风洞还包括边界层抽吸管道，边界层吸除装置通过边界层抽吸管道与真空箱相连通；边界层抽吸管道设有流量控制阀，用于控制湍流边界层的抽吸流量。

进一步地，第一圆筒的侧壁上径向设置有第三通孔，且第三通孔与边界层抽吸管道连通。

进一步地，第一固定边的内壁处圆周设置有第一环形凸台；第一圆筒与第一固定边接触的一端面上设置有第一环形槽，第一环形槽内卡置有第一环形垫片，第一环形凸台与第一环形槽相对配合；第二固定边的内壁处圆周设置有第二环形凸台；第一圆筒与第二固定边接触的另一端面上设置有第二环形槽，第二环形槽内卡置有第二环形垫片，第二环形凸台与第二环形槽相对配合。

进一步地，扩张段的入口端邻近收缩段的出口端，且入口端与出口端之间留有缝隙，形成抽吸槽；抽吸槽与第一圆筒的第三通孔相贯通，进而与边界层抽吸管道连通。

进一步地，前稳定段包括：防分离锥、不锈钢丝绵消声部件、烧结网堵、多层阻尼网，其中，防分离锥、不锈钢丝绵消声部件、烧结网堵、多层阻尼网可选择性地安装在前稳定段内。

进一步地，防分离锥包括：两端贯通的第二圆筒以及锥形烧结网，其中，锥形烧结网的顶端朝向大角度扩散段；锥形烧结网的底端开口朝向第二圆筒一端的内部，且锥形烧结网底端的周边与第二圆筒的内表面固定；第二圆筒另一端底面上设有多个第一螺纹孔；第二圆筒的外表面与前稳定段的内壁贴合，且第二圆筒轴向活动地设置于前稳定段内。

进一步地，不锈钢丝绵消声部件包括：外框架、多孔板和不锈钢丝绵，其中，外框架为两端贯通的圆柱筒，外框架的一端的底面设有多个第二螺纹孔；外框架的两端分别固定安装有多孔板；不锈钢丝绵填充在外框架内，位于两多孔板之间；外框架的外表面与前稳定段的内壁贴合，且外框架轴向活动地设置于前稳定段内。

进一步地，烧结网堵的外表面与前稳定段的内壁贴合，且烧结网堵轴向活动地设置于前稳定段内。

进一步地，多层阻尼网的外表面与前稳定段的内壁贴合，且多层阻尼网轴向活动地设置于前稳定段内。

应用本发明中的方案，通过在超声速风洞上设置边界层吸除装置，利用边界层吸除装置吸除收缩段出口端内壁处的湍流边界层。同时，在前稳定段内可选择性地安装防分离锥、不锈钢丝绵消声部件、烧结网堵以及多层阻尼网，以提高流场的品质。通过本发明的流场品质可变的超声速风洞，从而能够解决超声速风洞实现各种不同的流场品质存在的实验成本增加、工作量大、且实验结果可靠性不高的问题，进而达到了降低实验成本、减少工作量以及提高实验结果可靠性的效果。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是根据本发明实施例的流场品质可变的超声速风洞气动原理示意图；

图2是根据本发明实施例的收缩段、边界层吸除装置以及扩张段安装结构示意图；

图3是根据本发明实施例的前稳定段结构示意图；

图4是根据本发明实施例的防分离锥结构示意图；

图5是根据本发明实施例的不锈钢丝绵消声部件结构示意图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

图1是根据本发明实施例的流场品质可变的超声速风洞气动原理示意图。如图1所示，超声速风洞主要由高压气罐1、阀门2、粒子过滤器3、干燥器4、高压管路5、大角度扩散段6、前稳定段7、后稳定段8、收缩段9、扩张段11、实验段12、扩压段13和真空箱16顺次连接组成。其中，在收缩段9与扩张段11之间安装有边界层吸除装置10，用于吸除收缩段9出口端90的内壁处91的湍流边界层93，且该边界层吸除装置10通过边界层抽吸管道14与真空箱16相连通。该超声速风洞的基本工作过程是：从高压气罐1输出的气体，经过阀门2、粒子过滤器3进入干燥器4进行干燥。过滤掉水蒸气、粒子和粉尘后，气体通过高压管路5以及大角度扩散段6进入前稳定段7。结合参见图3，在前稳定段7内经过防分离锥71防止气体分离后，气体再通过不锈钢丝绵消声部件73和烧结网堵75降低气体的噪声和扰动，再通过阻尼网77进一步打碎和衰减旋涡。结合参见图2，气体到达后稳定段8，稳定后的气流经收缩段9，再经边界层吸除装置10吸除收缩段9出口端90内壁处91的湍流边界层93后，进入扩张段11，然后膨胀进入实验段12，形成超声速气流对实验段12内的模型进行实验。扩压段13与真空箱16相连通，该真空箱16通过边界层抽吸管道14与边界层吸除装置10的抽吸槽101相连通。通过改变抽吸槽101容积的大小或/和调节边界层抽吸管道14上设置的流量控制阀141的开启面积可以控制抽吸的流量。

如图2所示，边界层吸除装置10安装在收缩段9与扩张段11之间，用于吸除收缩段9出口端90内壁处91的湍流边界层93。在本发明的实施例中，收缩段9的出口端90向外弯折形成第一固定边95。该第一固定边95上分布有第一通孔97，且第一固定边95的内壁处圆周设置有第一环形凸台99。扩张段11的入口端110向外形成有第二固定边111，在该第二固定边111上分布有与第一固定边95上第一通孔97相对应的第二通孔115，且该第二固定边111的内壁处圆周设置有第二环形凸台113。

边界层吸除装置10包括第一圆筒100，该第一圆筒100夹设于第一固定边95与第二固定边111之间。该第一圆筒100的侧壁上轴向设置有与第一固定边95的第一通孔97以及第二固定边111的第二通孔115相对应的第四通孔107。该第一圆筒100的侧壁上径向设置有第三通孔103，该第三通孔103与边界层抽吸管道14连通。

第一圆筒100与第一固定边95接触的一端面上设置有第一环形槽，第一环形槽内卡置有第一环形垫片92，第一固定边95内壁处的第一环形凸台99与第一环形槽相对配合。第一圆筒100与第二固定边111接触的另一端面上设置有第二环形槽，第二环形槽内卡置有第二环形垫片105，第二固定边111内壁处的第二环形凸台113与第二环形槽相对配合。

扩张段11的入口端110邻近收缩段9的出口端90，且入口端110与出口端90之间留有缝隙，该缝隙形成抽吸槽101。因第一圆筒100夹设于扩张段11与收缩段9之间，因此，抽吸槽101与第一圆筒100径向设置的第三通孔103相贯通，进而与边界层抽吸管道14连通。

边界层吸除装置10安装在收缩段9与扩张段11之间的具体方法为：边界层吸除装置10的第一圆筒100夹设于收缩段9的第一固定边95与扩张段11的第二固定边111之间。第一圆筒100可以用螺栓穿过第一固定边95上的第一通孔97、第一圆筒100上的第四通孔107以及第二固定边111上的第二通孔115来固定。通过边界层吸除装置10的第一圆筒100的一端面上设置的第一环形槽将第一环形垫片92压紧于第一固定边95的第一环形凸台99。第一圆筒100的另一端面设置的第二环形槽内卡置有第二环形垫片105，该第二环形垫片105紧紧镶嵌于第二环形槽与第二固定边111的第二环形凸台113之间。该第一环形垫片92以及第二环形垫片105可以是橡胶材质，在此设置第一环形垫片92以及第二环形垫片105的主要作用在于：一方面可以起到密封的作用；另一方面可以改变第一环形垫片92以及第二环形垫片105的厚度，从而达到改变抽吸槽101的容积大小。这样做的目的在于：抽吸槽101容积大小的改变会对湍流边界层93的抽吸流量产生变化，通过对流量大小的改变，可以达到改变流场品质的目的，以适应不同的运行状态。

边界层吸除装置10的第一圆筒100上的第三通孔103与边界层抽吸管道14相连通，在该边界层抽吸管道14上设置有流量控制阀141。该流量控制阀141可以是电动阀或手动阀。通过改变流量控制阀141的开启面积可以控制抽吸流量。由于对湍流边界层93抽吸流量的控制，进而可以影响扩张段11壁面边界层层流的长度，边界层层流的长度越长，风洞流场品质越好，边界层层流的长度越短，风洞流场品质降低，从而实现风洞流场品质的改变。

如图3所示，本发明的流场品质可变的超声速风洞的稳定段与一般风洞的稳定段不同，本发明的稳定段分为两部分，为前稳定段7和后稳定段8，总长比一般超声速风洞稳定段要长。前稳定段7内可选择地安装有防分离锥71、不锈钢丝绵消声部件73、烧结网堵75、多层阻尼网77，以提高流场的品质。其中，防分离锥71防止流动气体分离；不锈钢丝绵消声部件73用于减少气体流经前方阀门管道产生的噪声；烧结网堵75进一步起到消音减湍的效果；多层阻尼网77可降低气流的湍流度和不均匀度，改善气流品质。前稳定段7经过以上措施，稳定段后的气体品质得到大大改善，达到了尽可能小的稳定段速度、温度和声脉动。更为重要的是，与一般风洞不同的是：上述防分离锥71、不锈钢丝绵消声部件73、烧结网堵75、多层阻尼网77并不是完全固定在前稳定段7的内壁不可移动，而是可以根据需要对上述各部件进行选择性的拆卸和安装，以满足不同品质试验对稳定段的要求。

如图4所示，防分离锥71包括一个两端贯通的第二圆筒711以及一中空的锥形烧结网713。其中，锥形烧结网713的顶端朝向大角度扩散段6，其底部开口朝向第二圆筒711一端的内部，且锥形烧结网713底部的周边与第二圆筒711的内表面固定焊接。该第二圆筒711放置在前稳定段7内，第二圆筒711的外表面与前稳定段7的内壁贴合，且第二圆筒711轴向活动地设置于前稳定段7内。在该第二圆筒711的另一端的底面开有一组第一螺纹孔715，如果需要拆卸第二圆筒711时，只需要将螺杆拧入第一螺纹孔715内，将圆筒17沿前稳定段7的内壁拖出即可。

如图5所示，不锈钢丝绵消声部件73包括外框架731、多孔板733、不锈钢丝绵735。外框架731是一个两端贯通的圆柱筒，在该外框架731的两端分别固定安装有多孔板733，在其内部塞满了不锈钢丝绵735。外框架731的外表面与前稳定段7的内壁贴合，且该外框架731轴向活动地设置于前稳定段7内。在外框架731的一端的底面开有一组第二螺纹孔737，要取出外框架731时，只需要将螺杆拧入第二螺纹孔737内，将外框架731沿前稳定段7的内壁拖出即可。

烧结网堵75也包含一个两端贯通的圆筒，在该圆筒内径向固定安装有烧结网堵。该圆筒的外表面与前稳定段7的内壁贴合。烧结网堵75轴向活动地设置于前稳定段7内。基于与上述防分离锥71以及不锈钢丝绵消声部件73相同的目的，在烧结网堵75的圆筒的底面同样开有螺纹孔，以利用拆卸和安装。

多层阻尼网77采用以上类似结构，多层阻尼网77轴向活动地设置于前稳定段7内。其主要特点是，在与前稳定段贴合的圆筒内设置有多层阻尼网77，以更好的降低气流的湍流度和不均匀度，改善气流的品质。同样，在多层阻尼网77的圆筒底面同样开有螺纹孔，以利于拆卸和安装。

从以上的描述中，可以看出，本发明实现了如下技术效果：针对现有技术的相关问题，本发明解决了超声速风洞实现各种不同的流场品质存在的实验成本增加、工作量大、且实验结果可靠性不高的问题，从而达到了降低实验成本、减少工作量以及提高实验结果可靠性的效果。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种流场品质可变的超声速风洞，该风洞包括：顺次连接的高压气罐（1）、阀门（2）、粒子过滤器（3）、干燥器（4）、高压管路（5）、大角度扩散段（6）、前稳定段（7）、后稳定段（8）、收缩段（9）、扩张段（11）、实验段（12）、扩压段（13）以及真空箱（16），所述风洞还包括边界层吸除装置（10）；所述边界层吸除装置（10）安装在所述收缩段（9）与所述扩张段（11）之间；所述边界层吸除装置（10）用于吸除所述收缩段（9）的出口端（90）的内壁处（91）的湍流边界层（93）；其特征在于，

所述收缩段（9）的出口端（90）向外弯折形成第一固定边（95），所述第一固定边（95）上分布有第一通孔（97）；

所述扩张段（11）的入口端（110）向外形成有第二固定边（111），所述第二固定边（111）上分布有与所述第一通孔（97）相对应的第二通孔（115）；

所述边界层吸除装置（10）包括第一圆筒（100），所述第一圆筒（100）的侧壁上轴向设置有与所述第一通孔（97）以及所述第二通孔（115）相对应的第四通孔（107）；

所述第一圆筒（100）通过螺栓穿过所述第一通孔（97）、所述第四通孔（107）以及

所述第二通孔（115）固定夹设于所述第一固定边（95）与所述第二固定边（111）之间。

2.根据权利要求1所述的流场品质可变的超声速风洞，其特征在于，

所述风洞还包括边界层抽吸管道（14），所述边界层吸除装置（10）通过所述边界层抽吸管道（14）与所述真空箱（16）相连通；

所述边界层抽吸管道（14）设有流量控制阀（141），用于控制所述湍流边界层（93）的抽吸流量。

3.根据权利要求2所述的流场品质可变的超声速风洞，其特征在于，

所述第一圆筒（100）的侧壁上径向设置有第三通孔（103），且所述第三通孔（103）与所述边界层抽吸管道（14）连通。

4.根据权利要求3所述的流场品质可变的超声速风洞，其特征在于，

所述第一固定边（95）的内壁处圆周设置有第一环形凸台（99）；

所述第一圆筒（100）与所述第一固定边（95）接触的一端面上设置有第一环形槽，所述第一环形槽内卡置有第一环形垫片（92），所述第一环形凸台（99）与所述第一环形槽相对配合；

所述第二固定边（111）的内壁处圆周设置有第二环形凸台（113）；

所述第一圆筒（100）与所述第二固定边（111）接触的另一端面上设置有第二环形槽，所述第二环形槽内卡置有第二环形垫片（105），所述第二环形凸台（113）与所述第二环形槽相对配合。

5.根据权利要求4所述的流场品质可变的超声速风洞，其特征在于，

所述扩张段（11）的入口端（110）邻近所述收缩段（9）的出口端（90），且所述入口端（110）与所述出口端（90）之间留有缝隙，形成抽吸槽（101）；

所述抽吸槽（101）与所述第一圆筒（100）的所述第三通孔（103）相贯通，进而与所述边界层抽吸管道（14）连通。

6.根据权利要求1所述的流场品质可变的超声速风洞，其特征在于，所述前稳定段（7）包括：防分离锥（71）、不锈钢丝绵消声部件（73）、烧结网堵（75）、多层阻尼网（77），其中，

所述防分离锥（71）、所述不锈钢丝绵消声部件（73）、所述烧结网堵（75）、所述多层阻尼网（77）可选择性地安装在所述前稳定段（7）内。

7.根据权利要求6所述的流场品质可变的超声速风洞，其特征在于，所述防分离锥（71）包括：两端贯通的第二圆筒（711）以及锥形烧结网（713），其中，

所述锥形烧结网（713）的顶端朝向所述大角度扩散段（6）；

所述锥形烧结网（713）的底端开口朝向所述第二圆筒（711）一端的内部，且所述锥形烧结网（713）底端的周边与所述第二圆筒（711）的内表面固定；

所述第二圆筒（711）另一端底面上设有多个第一螺纹孔（715）；

所述第二圆筒（711）的外表面与所述前稳定段（7）的内壁贴合，且所述第二圆筒（711）轴向活动地设置于所述前稳定段（7）内。

8.根据权利要求7所述的流场品质可变的超声速风洞，其特征在于，所述不锈钢丝绵消声部件（73）包括：外框架（731）、多孔板（733）和不锈钢丝绵（735），其中，

所述外框架（731）为两端贯通的圆柱筒，所述外框架（731）的一端的底面设有多个第二螺纹孔（737）；

所述外框架（731）的两端分别固定安装有多孔板（733）；

所述不锈钢丝绵（735）填充在所述外框架（731）内，位于所述两多孔板（733）之间；

所述外框架（731）的外表面与所述前稳定段（7）的内壁贴合，且所述外框架（731）轴向活动地设置于所述前稳定段（7）内。

9.根据权利要求8所述的流场品质可变的超声速风洞，其特征在于，所述烧结网堵（75）的外表面与所述前稳定段（7）的内壁贴合，且所述烧结网堵（75）轴向活动地设置于所述前稳定段（7）内。

10.根据权利要求9所述的流场品质可变的超声速风洞，其特征在于，所述多层阻尼网（77）的外表面与所述前稳定段（7）的内壁贴合，且所述多层阻尼网（77）轴向活动地设置于所述前稳定段（7）内。

Images