CN103712768B - 超声速风洞 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种超声速风洞，包括超声速风洞主体，超声速风洞主体包括试验段和设置在试验段下游的使超声速流场自由通过并用于安装光学设备的安装舱；入射光生成装置，用于形成照亮试验段内的流场区域的入射光；光学观测设备，用于观测试验段内的流场区域的超声速流场；光学观测设备安装在试验段外和安装舱内的至少一处。通过在试验段下游设置安装舱，入射光生成装置生成的入射光照射到试验段内，光学观测设备可根据射入试验段内所形成的入射光的位置可选择地安装在试验段外或安装舱内，以便对试验段内的流场区域的超声速流场观测；该系统能够对试验段的超声速流场进行多角度观测及三维成像。

Description

超声速风洞

技术领域

本发明涉及空气动力学领域，特别地，涉及一种超声速风洞。

背景技术

超声速流场研究是现代空气动力学研究的热点和难点问题，广泛存在于高超声速飞行器设计、超燃冲压发动机、高超声速导弹以及高能激光器等工程应用中，所涉及的激波边界层相互干扰、涡结构相互作用和湍流等问题远较不可压缩流场复杂，具有重要的工程和理论价值，相关研究亟待深入开展。

超声速风洞一般由稳定段、收缩段、喷管段、试验段、扩压段以及驱动装置组成，不同的方案有不同的结构形式和不同的试验室布置，其总体方案对于风洞的结构设计、制造、安装以及性能都有很大影响。由于超声速流场的流动特性十分复杂，定量流动成像技术是研究这些特征的重要手段，但它需要混合风洞具有良好的光学测量环境，以便排除不必要的干扰，因此需对风洞总体结构进行有针对性地设计。

国防科技大学博士学位论文《超声速混合层时空结构的实验研究》（赵玉新，2008）设计的超声速混合风洞主要由三部分组成：稳定段、双喷管与实验段，相应的配套设备还包括总压调节器以及真空设备等。该风洞的来流可以通过干燥器、除尘机和空调进行处理；总压调节器可以连续调节低速层来流总压；双喷管以B-样条曲线为基础进行设计，能够为混合流场提供均匀的来流条件；工作时间长达两分钟以上，可以完全消除风洞启动和关闭的影响，并且其试验段的观察窗经过精心设计后可以很好的对流场的展向截面和纵向截面进行层析观测，然而在进行非接触光学观测时，不可避免的出现壁面反射光干扰，相机也难以在流向方向上进行层析观测。

如图1所示，超声速风洞进行光学测量，超声速风洞包括超声速风洞主体1、射入超声速风洞试验段的入射光2、对超声速风洞里的流场进行拍照的相机3。现有的相机3设置在风洞的外面，只能对垂直于Y方向和Z方向的入射光2拍照，不能对垂直于X方向的入射光2拍照；如果成角度观测图像，则其畸变较大，成像不清晰；另外光源垂直于三个方向打出入射光2，入射光2垂直于风洞1的壁面造成的反射光很强，且会对相机3的观测区域产生较大影响，不好消除，导致近壁面流场观测效果差。

发明内容

本发明目的在于提供一种超声速风洞，以实现对超声速流场的多角度观测及三维成像。

为实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种超声速风洞，包括超声速风洞主体，超声速风洞主体包括试验段和设置在试验段下游的使超声速流场自由通过并用于安装光学设备的安装舱；入射光生成装置，用于形成照亮试验段内的流场区域的入射光；光学观测设备，用于观测试验段内的流场区域的超声速流场；光学观测设备安装在试验段外和安装舱内的至少一处。

进一步地，当入射光生成装置生成的入射光从试验段的上壁面射入试验段时，光学观测设备安装在安装舱内以朝入射光的照亮区域观测或光学观测设备设置在试验段的侧端以透过试验段的侧壁的光学玻璃朝入射光的照亮区域观测。

进一步地，入射光生成装置包括设置在安装舱内的将入射光朝向试验段内反射的光学反射设备。

进一步地，当入射光生成装置生成的入射光从安装舱的上壁面射入试验段时，光学反射设备将入射光反射进入试验段，光学观测设备设置在试验段的侧端以透过试验段的侧壁的光学玻璃朝入射光的照亮区域观测。

进一步地，当入射光生成装置生成的入射光从安装舱的侧壁面射入试验段时，光学反射设备将入射光反射进入试验段，光学观测设备设置在试验段的上端以透过试验段的上端面的光学玻璃朝入射光的照亮区域观测。

进一步地，光学观测设备包括相机及可多自由度调整相机位置的第一调节机构。

进一步地，光学反射设备包括反射镜和可多自由度调整反射镜位置的第二调节机构。

进一步地，入射光呈片状。

进一步地，入射光呈柱状。

进一步地，超声速风洞主体还包括对进入超声速风洞主体的气体进行初步整流的过渡段、设置在过渡段下游的对气体进行整流的稳定段、设置在稳定段的下游及试验段上游之间的喷管段、以及设置在安装舱下游的扩压段。

本发明具有以下有益效果：

通过在试验段下游设置安装舱，入射光生成装置生成的入射光照射到试验段内，光学观测设备可根据射入试验段内所形成的入射光的位置可选择地安装在试验段外或安装舱内，以便对试验段内的流场区域的超声速流场观测；该系统能够对试验段的超声速流场进行多角度观测及三维成像。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，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是现有技术的超声速风洞的结构示意图；

图2是本发明优选实施例一的超声速风洞的结构示意图；

图3是本发明优选实施例二的超声速风洞的结构示意图；

图4a是本发明的超声速风洞主体的过渡段的结构示意图；

图4b是图4a的侧视示意图；

图5a是本发明的超声速风洞主体的结构示意图；

图5b是图5a的侧视示意图；

图6a是是本发明的超声速风洞主体喷管段的结构示意图；

图6b是图6a的侧视示意图；

图7是本发明的超声速风洞主体的试验段的结构示意图；

图8是本发明的超声速风洞主体的安装舱的结构示意图；

图9是本发明的超声速风洞的光学观测设备的结构示意图；以及

图10是本发明的超声速风洞主体的扩压段的结构示意图。

10、超声速风洞主体；20、入射光；30、光学观测设备；40、光学反射设备；11、过渡段；12、稳定段；13、喷管段；14、试验段；15、安装舱；16、扩压段；31、相机；32、第一调节机构；33、防护罩。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。

参见图2和图3，本发明的优选实施例提供了一种超声速风洞，包括超声速风洞主体10，超声速风洞主体10包括试验段14和设置在试验段14下游的使超声速流场自由通过并用于安装光学设备的安装舱15；入射光生成装置，用于形成照亮试验段14内的流场区域的入射光20；光学观测设备30，用于观测试验段14内的流场区域的超声速流场；光学观测设备30安装在试验段14外和安装舱15内的至少一处。根据本发明的超声速流场显示系统，通过在试验段14的下游设置安装舱15，入射光生成装置生成的入射光照射到试验段14内，光学观测设备30可根据射入试验段14内所形成的入射光20的角度可选择地安装在试验段14的外侧或安装舱15内，并对试验段14内的超声速流场成像；该系统能够对试验段14的超声速流场进行多角度观测及三维成像。

超声速风洞主体10包括顺次连接的过渡段11、稳定段12、喷管段13、试验段14、安装舱15和扩压段16。

请结合参见图4a至图7，过渡段11呈锥形，用于气体的进入及对进入的气体进行初步整流。稳定段12的截面为方形，方形内设置有蜂窝器和纱网等整流装置，使得气体更加均匀；蜂窝器可有效的抑制气体的横向脉动，纱网可使得大尺度旋涡碎裂成小尺度涡，蜂窝器和纱网的层数及排列方式根据超声速流场的均匀度进行组合，以对气体更好地进行整流。喷管段13的内部型面是根据特征线法为基础进行设计的，以优化喷管曲线，减小喷管边界层厚度，提高流场的均匀度并使得气体在喷管段13内加速，使得进入试验段14的气体的形成超声速流体；喷管段13的外部呈方形，以使得超声速风洞主体10美观。试验段14呈规则的方形，其四周的壁面上安装光学玻璃，光源可以透过光学玻璃射入到试验段14内，以便于采用光学非接触测试技术对超声速流场进行观测。

参见图8，安装舱15与试验段14的尾端固定连接，试验段14内的超声速气流能够进入到安装舱15内，安装舱15的横截面呈方形，其壁面上设有开窗，开窗上安装有透光玻璃，光源可以透过透光玻璃射入到安装舱15内。安装舱15内可选择地安装有对试验段14内的超声速流场进行观测的光学观测设备30。安装舱15设置在试验段14的后端，因此安装舱15及安装舱15内安装的设备并不会对试验段14的超声速流场造成影响。

入射光生成装置用于形成照亮试验段14内的流场区域的入射光20。入射光生成装置包括设置在超声速风洞主体10外的光源以及设置在安装舱15内的将来自光源的光朝向试验段14内反射的光学反射设备40。光源可以成锥面、柱面等形状出光，还可以分层出光或设计成网格状出光，使得生成的入射光20可以为弧面也可以在同一平面上；一般地，入射光20呈片状或柱状。

参见图9，光学观测设备30包括相机31和可多自由度调整所述相机31位置的第一调节机构32，相机31置于第一调节机构32上，并随第一调节机构32的移动而移动。当入射光20的角度固定时，通过第一调节机构32调整相机的位置，可以实现对超声速流场的多角度拍照。第一调节机构32为可在六自由度方向上旋转的支撑装置，使得反射镜可随着第一调节机构32在各个方向上移动。相机31还可以为其他的照相设备，如摄像机等。优选地，相机31上套设有保护相机31的防护罩33，以当相机31安装在安装舱15内时，防护罩33保护相机31免受超声速流场的破坏。

光学反射设备40包括反射镜和可多自由度调整反射镜位置的第二调节机构，反射镜置于第二调节机构上，并随第二调节机构的移动而移动。在本实施例中，第一调节机构32与第二调节机构的结构相同。通过第二调节机构调整反射镜位置，可以实现将入射光20的角度进行调整，以使得光学观测设备30能够多角度的对超声速流场拍照。在其他实施例中，反射镜还以为其他的具有反射作用的镜面，如棱镜等。

请再次参见图2，当入射光20从试验段14的上端射入试验段14内时，光学观测设备30固定安装在安装舱15内朝入射光20的照亮区域观测。调整第一调节机构32的角度，使得相机31的镜头朝向于试验段14内的入射光20的照亮区域观测，并对试验段14内的超声速流场进行拍照。在本实施方式中，入射光20呈片状，垂直于超声速风洞主体10的轴线射入试验段14内，即入射光20垂直于X轴射入试验段14内，调整第一调节机构32的位置，使得相机31的镜头沿X轴方向，并对试验段14内的超声速流场成像。由于相机31安装在安装舱15内，光源射入试验段14的光学玻璃上的反射光不能对相机31的拍照造成干扰，因此观测和成像效果好。在其他的实施方式中，光学观测设备30安装在试验段14的侧端并透过试验段14的侧壁的光学玻璃朝入射光20的照亮区域观测。

请再次参见图3，当入射光20从安装舱15的上端射入安装舱15内时，光学反射设备40固定安装在安装舱15内；调整第二调节机构的角度，使得反射镜能够将的入射光20反射到试验段14内并照亮试验段14，将光学观测设备30设置在试验段14的侧端并透过试验段14的侧壁的光学玻璃朝入射光20的照亮区域观测。在本实施方式中，入射光20呈片状，垂直射入安装舱15内，反射镜反射入射光20使得入射光20沿超声速风洞主体10的轴线射入到试验段14内，且入射光20在同一竖直平面内，即入射光20垂直于Y轴方向，相机31安装在试验段14的侧端，相机31的镜头沿Y轴方向进行拍照。入射光20从安装舱15的上端射入，而相机31安装在试验段14的侧端，因此，光源的反射光不会对相机31的拍照造成干扰，因此观测和成像效果好。

当入射光20从安装舱15的侧端射入安装舱15内时，光学反射设备40固定安装在安装舱15内；调整第二调节机构的角度，使得反射镜能够将入射光20反射到试验段14内，将光学观测设备30设置在试验段14的上端并透过试验段的上端面的光学玻璃朝入射光20的照亮区域观测。在本实施方式中，入射光20呈片状，垂直射入安装舱15内，反射镜反射入射光20使得入射光20射入到试验段14内，且入射光20在同一水平面内，即入射光20垂直于Z轴方向，相机31安装在试验段14的上端并透过试验段14的上端面的光学玻璃朝入射光20的照亮区域观测，相机31的镜头沿Z轴方向进行拍照。入射光20从安装舱15的侧端射入，而相机31安装在试验段14的上端，因此，光源的反射光不会对相机31的拍照造成干扰，因此观测和成像效果好。

在本发明另一实施例中，入射光20呈柱状，相机31的镜头朝入射光20的照亮区域观测。

参见图10，扩压段16包括收集安装舱15内气体的采集器、与采集器相通的喉部及与喉部相通的亚声速部，亚声速部的后端与真空罐连接，亚声速部将喉部的气流减速扩压，直至与真空罐压力相匹配并使得气流最终进入真空罐，以避免影响风洞启动。

从以上的描述中，可以看出，本发明上述的实施例实现了如下技术效果：

通过在试验段下游设置安装舱，入射光生成装置生成的入射光照射到试验段内，光学观测设备可根据射入试验段内所形成的入射光的角度可选择地安装在试验段外或安装舱内，并对试验段内的超声速流场成像；该系统能够对试验段的超声速流场进行多角度成像及观察。当相机安装在安装舱内，光源射入试验段的光学玻璃上的反射光不能对相机的拍照造成干扰，因此观测和成像效果好；当光源从安装舱的侧端射入安装舱内时，相机位于试验段的上端；当光源从安装舱的上端射入安装舱内时，相机位于试验段的侧端；因此，光源射入超声速风洞的位置与相机的位置是分开设置的，消除了光源的壁面反射光对相机成像的影响，即光源的反射光不会对相机的拍照造成干扰，因此观测和成像效果好。

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 (8)

1.一种超声速风洞，其特征在于，包括

超声速风洞主体(10)，所述超声速风洞主体(10)包括试验段(14)和设置在所述试验段(14)下游的使超声速流场自由通过并用于安装光学设备的安装舱(15)；

入射光生成装置，用于形成照亮所述试验段(14)内的流场区域的入射光(20)；

光学观测设备(30)，用于观测所述试验段(14)内的所述流场区域的超声速流场；

所述光学观测设备(30)安装在所述试验段(14)外或者所述安装舱(15)内；

所述入射光生成装置包括设置在所述安装舱(15)内的将所述入射光(20)朝向所述试验段(14)内反射的光学反射设备(40)；

当所述入射光生成装置生成的所述入射光(20)从所述安装舱(15)的上壁面射入所述试验段(14)时，所述光学反射设备(40)将所述入射光(20)反射进入所述试验段(14)，所述光学观测设备(30)设置在所述试验段(14)的侧端并透过所述试验段(14)的侧壁的光学玻璃朝所述入射光(20)的照亮区域观测。

2.根据权利要求1所述的超声速风洞，其特征在于，

当所述入射光生成装置生成的所述入射光(20)从所述试验段(14)的上壁面射入所述试验段(14)时，所述光学观测设备(30)安装在所述安装舱(15)内朝所述入射光(20)的照亮区域观测或所述光学观测设备(30)设置在所述试验段(14)的侧端并透过所述试验段(14)的侧壁的光学玻璃朝所述入射光(20)的照亮区域观测。

3.根据权利要求1所述的超声速风洞，其特征在于，

当所述入射光生成装置生成的所述入射光(20)从所述安装舱(15)的侧壁面射入所述试验段(14)时，所述光学反射设备(40)将所述入射光(20)反射进入所述试验段(14)，所述光学观测设备(30)设置在所述试验段(14)的上端并透过所述试验段(14)的上端面的光学玻璃朝所述入射光(20)的照亮区域观测。

4.根据权利要求1所述的超声速风洞，其特征在于，

所述光学观测设备(30)包括相机(31)及可多自由度调整所述相机(31)位置的第一调节机构(32)。

5.根据权利要求1所述的超声速风洞，其特征在于，

所述光学反射设备(40)包括反射镜和可多自由度调整所述反射镜位置的第二调节机构。

6.根据权利要求1所述的超声速风洞，其特征在于，

所述入射光(20)呈片状。

7.根据权利要求1所述的超声速风洞，其特征在于，

所述入射光(20)呈柱状。

8.根据权利要求1至7任一项所述的超声速风洞，其特征在于，

所述超声速风洞主体(10)还包括对进入所述超声速风洞主体(10)的气体进行初步整流的过渡段(11)、设置在所述过渡段(11)下游的对气体进行整流的稳定段(12)、设置在所述稳定段(12)的下游及所述试验段(14)上游之间的喷管段(13)、以及设置在所述安装舱(15)下游的扩压段(16)。