CN103954424B - 扩大高超声速静音喷管静试验区的方法及高超声速喷管 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种扩大高超声速静音喷管静试验区的方法及高超声速喷管。该扩大高超声速静音喷管静试验区的方法包括：确定喷管的转捩位置T；确定第一抽吸孔位置，第一抽吸孔贯穿喷管的管壁，且第一抽吸孔与喷管的内壁面相交形成第一交面，转捩位置T位于第一交面内；确定第一抽吸孔的轴线与喷管的轴线之间的夹角α；确定第一抽吸孔的截面形状，并确定第一抽吸孔的截面积。通过该扩大高超声速静音喷管静试验区的方法能够扩大高超声速静音喷管的静试验区。

Description

扩大高超声速静音喷管静试验区的方法及高超声速喷管

技术领域

本发明涉及空气动力学实验设备，具体而言，涉及一种扩大高超声速静音喷管静试验区的方法及高超声速喷管。

背景技术

风洞实验是指在一个按一定要求设计的管道内，使用动力装置驱动一股可控制的气流，将实验模型固定在管道的试验区内，根据运动的相对性和相似性原理进行各种空气动力实验，以模拟空中各种飞行状态，获取模型实验数据。高超声速风洞是风洞的一种，广泛的应用于导弹、飞机、火箭等的模型实验，是航空航天领域内一项基本的实验设备。

现有的高超声速风洞流场存在较高的气动噪声和湍流度，比高空大气的实际流场高1～2个数量级，因此采用现有的高超声速(马赫数在5.0到10的范围内)风洞进行试验，由于其边界层转捩位置、转捩区域和转捩雷诺数与实际高空大气偏差较大，造成试验结果的准确性严重偏离真实情况，从而为模型的准确设计带来困难。

为此需研究一种气动噪声和湍流度与高空大气接近的高超声速风洞(高空大气的湍流度一般只有0.03％)，也即高超声速静音风洞。

喷管是高超声速风洞的关键部件，它安装在风洞稳定段的下游和试验段的上游。传统喷管一般包括收缩区、喉道区和扩张区三部分，为了在试验段产生高超声速气流，喷管的收缩区将气流从低亚声速均匀加速到声速，然后气流从喷管的喉道区开始等熵均匀加速膨胀，至喷管扩张区出口达到所要求的马赫数，因此喷管是保证实验段获得设计马赫数的重要风洞部件。

对于传统的高超声速风洞，收缩区、喉道区和扩张区是传统喷管的三个部分，收缩区为一连续收缩的型面，喉道区为曲线直径最小的部分，扩张部为一连续扩大的型面，喉道区将收缩区和扩张区无缝连接起来，形成整体喷管曲线。试验模型在喷管出口进行实验。

高超声速风洞要求喷管达到层流喷管的水平，所谓层流喷管，就是说喷管内表面的流动必须是层流边界层，但是一般的喷管的边界层均是湍流边界层，这使得现有喷管构成的高超声速风洞拟真度低、试验结果准确度低。通过在收缩段和喉道之间设置抽吸段，将湍流边界层抽吸出喷管可以使高超声速喷管静音，但此种喷管的试验区可能无法满足需求。由于喷管的转捩位置无法到达喷管出口，致使喷管的试验区域小，不能满足大尺寸模型的试验需要。

发明内容

本发明旨在提供一种扩大高超声速静音喷管静试验区的方法及高超声速喷管，以解决现有技术中的高超声速静音喷管的试验区域较小的问题。

为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种扩大高超声速静音喷管静试验区的方法，该扩大高超声速静音喷管静试验区的方法包括：确定喷管的转捩位置T；确定第一抽吸孔位置，第一抽吸孔贯穿喷管的管壁，且第一抽吸孔与喷管的内壁面相交形成第一交面，转捩位置T位于第一交面内；确定第一抽吸孔的轴线与喷管的轴线之间的夹角α；确定第一抽吸孔的截面形状，并确定第一抽吸孔的截面积。

进一步地，转捩位置T位于第一抽吸孔的轴线上。

进一步地，在确定第一抽吸孔的截面形状，并确定第一抽吸孔的截面积的步骤中，第一抽吸孔在第一平面上的截面形状为椭圆形，第一平面为垂直于第一抽吸孔的轴线的平面，确定第一抽吸孔的长直径h和短直径m。

进一步地，第一抽吸孔的短直径m的取值范围为喷管的转捩位置T处的边界层厚度的0.1倍至0.3倍，第一抽吸孔的长直径h的取值范围为2倍至4倍的第一抽吸孔短直径m。

进一步地，夹角α的取值范围为45度至90度。

进一步地，多个第一抽吸孔沿喷管的圆周方向均匀间隔设置构成第一孔组，扩大高超声速静音喷管静试验区的方法还包括如下步骤，根据公式1确定第一孔组内的第一抽吸孔的数量，

$k=\frac{L}{n+m}$ 公式1

其中，L为第一孔组所在处的喷管的内圆周长度，n为第一孔组的相邻两个第一抽吸孔之间的距离，n的取值范围为0.5倍至1.5倍的第一抽吸孔的短直径m。

进一步地，第一孔组的相邻两个第一抽吸孔之间的距离n等于第一抽吸孔的短直径m。

进一步地，沿喷管的轴向间隔设置有多个第一孔组，相邻两个第一孔组之间的距离为X1，其中X1为处于上游的第一孔组处的边界层厚度的5倍至10倍。

根据本发明的另一方面，提供了一种高超声速静音喷管，该高超声速静音喷管包括：收缩段，收缩段由第一端至第二端的横截面面积逐渐减小；喉道，喉道的第一端与收缩段的第二端连接；扩压段，扩压段的第一端与喉道的第二端连接，且扩压段由第一端至第二端的横截面面积逐渐增大；第一孔组，第一孔组包括多个第一抽吸孔，第一抽吸孔贯穿喷管的管壁，且位于喷管的扩压段，第一抽吸孔通过上述的扩大高超声速静音喷管静试验区的方法确定。

进一步地，扩压段包括多个第一孔组，多个第一孔组沿高超声速静音喷管的轴向间隔设置，相邻两个第一孔组之间的距离为X1。

应用本发明的技术方案，扩大高超声速静音喷管静试验区的方法包括：确定喷管的转捩位置T；确定第一抽吸孔位置，第一抽吸孔贯穿喷管的管壁，且第一抽吸孔与喷管的内壁面相交形成第一交面，转捩位置T位于第一交面内；确定第一抽吸孔的轴线与喷管的轴线之间的夹角α；确定第一抽吸孔的截面形状，并确定第一抽吸孔的截面积。通过该扩大高超声速静音喷管静试验区的方法制造的高超声速静音喷管通过第一抽吸孔将转捩位置T处的湍流边界层抽吸出喷管，延长了层流边界层的长度，进而扩大了试验区域，具有更大的试验区域，进而可以适用于更大的试验模型，提高了高超声速静音喷管的适用性，提高了风洞的试验能力和试验水平。

附图说明

构成本发明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示出了本发明的实施例的高超声速静音喷管的剖视结构示意图；

图2示出了本发明的实施例的高超声速静音喷管的扩张段的局部剖视图；以及

图3示出了相邻两个第一抽吸孔的示意图。

附图标记说明：10、第一抽吸孔；20、收缩段；30、喉道；40、扩压段；50、湍流集气罩；51、湍流集气孔；60湍流边界层；70、层流边界层。

具体实施方式

下文中将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。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。

如图1至3所示，根据本发明的实施例，扩大高超声速静音喷管静试验区的方法包括：确定喷管的转捩位置T；确定第一抽吸孔10位置，第一抽吸孔10贯穿喷管的管壁，且第一抽吸孔10与喷管的内壁面相交形成第一交面，转捩位置T位于第一交面内；确定第一抽吸孔10的轴线与喷管的轴线之间的夹角α；确定第一抽吸孔10的截面形状，并确定第一抽吸孔10的截面积。

通过该扩大高超声速静音喷管静试验区的方法制造的高超声速静音喷管通过第一抽吸孔10将转捩位置T处的湍流边界层抽吸出喷管，延长了层流边界层的长度，进而扩大了试验区域，具有更大的试验区域，进而可以适用于更大的试验模型，提高了高超声速静音喷管的适用性，提高了风洞的试验能力和试验水平。

结合参见图1，不通过扩大高超声速静音喷管静试验区的方法制造的高超声速静音喷管，通过抽吸段80的抽吸将来自收缩段20的湍流边界层60抽吸出喷管，从喉道30开始，边界层重新开始生成，此时重新生成的边界层为层流边界层70，层流边界层70经过一段距离的发展后再变成湍流边界层，由层流边界层70再变为湍流边界层的位置即为转捩位置，不通过扩大高超声速静音喷管静试验区的方法制造的高超声速静音喷管的转捩位置T，从转捩位置T开始，马赫波向下游辐射，湍流边界层的噪声辐射影响到下游区域，此时高超声速静音喷管的试验区域SAEB。

通过扩大高超声速静音喷管静试验区的方法制造的高超声速静音喷管在转捩位置T处设置第一抽吸孔10，将转捩位置T产生的湍流边界层抽吸出去，再次形成了层流边界层，这样使得转捩位置T移动至转捩位置T1，从转捩位置T1开始，马赫波向下游辐射，此时高超声速喷管的试验区域为SA’E’B’，扩大了高超声速静音喷管的试验区域。

优选地，在本实施例中，转捩位置T位于第一抽吸孔10的轴线上。这样能够保证最好的抽吸效果，也具有最高的抽吸效率。如果在转捩位置T点之前设置第一抽吸孔10则没有起到抽吸的作用，如果在转捩位置T点之后设置第一抽吸孔10则层流边界层已变为湍流边界层，则抽吸已经没有效果。在其它实施例中，只要保证转捩位置T位于第一抽吸孔10与喷管的内壁面相交形成的第一交面内即可保证将湍流边界层抽吸出喷管。

优选地，在确定第一抽吸孔10的截面形状，并确定第一抽吸孔10的截面积的步骤中，第一抽吸孔10在第一平面上的截面形状为椭圆形，第一平面为垂直于第一抽吸孔10的轴线的平面，确定第一抽吸孔10的长直径h和短直径m。椭圆形抽吸孔相较于方形或矩形抽吸孔方便加工，相较于圆形抽吸孔可以提高有效抽吸面积，且椭圆形抽吸孔的长直径方向与气流方向平行能够更好地更顺畅地抽吸。

在其它实施例中，第一抽吸孔10也可以是圆形截面。

在本实施例中，第一抽吸孔10的短直径m的取值范围为喷管的转捩位置T处的边界层厚度的0.1倍至0.3倍，转捩位置T的边界层厚度可以通过现有方法计算获得。第一抽吸孔10的长直径h的取值范围为2倍至4倍的第一抽吸孔10短直径m，以保证足够的抽吸效率。

夹角α的取值范围为45度至90度，通过实验证明在这一取值范围内第一抽吸孔10的抽吸效果最好。需要说明的是夹角α是指第一抽吸孔10的轴线与喷管的轴线沿气流的流动方向的夹角。

优选地，多个第一抽吸孔10沿喷管的圆周方向均匀间隔设置构成第一孔组，扩大高超声速静音喷管静试验区的方法还包括如下步骤，根据公式1确定第一孔组内的第一抽吸孔10的数量，

$k=\frac{L}{n+m}$ 公式1

其中，L为第一孔组所在处的喷管的内圆周长度，n为第一孔组的相邻两个第一抽吸孔10之间的距离，n的取值范围为0.5倍至1.5倍的第一抽吸孔10的短直径m。沿喷管的圆周方向均匀间隔设置多个第一抽吸孔10能够保证抽吸效果，满足抽吸需要。若第一抽吸孔的数量K计算值为小数，则将数量K向上取整。

优选地，第一孔组的相邻两个第一抽吸孔10之间的距离n等于第一抽吸孔10的短直径m。这样能够满足第一抽吸孔10之间的设置间隔又能够保证第一抽吸孔10的数量保证抽吸效率和抽吸效果。

优选地，为了尽量延长喷管的层流边界层的长度，尽量使转捩位置向喷管的出口C处靠近，沿喷管的轴向间隔设置有多个第一孔组，相邻两个第一孔组之间的距离为X1，其中，X1为处于上游的第一孔组处的边界层厚度的5倍至10倍。是否需要设置多个第一孔组，根据第一孔组的抽吸量是否足够，如果不够则需要设置多个第一孔组。

根据本发明的实施例的另一方面，高超声速静音喷管包括收缩段20、喉道30、扩压段40和第一孔组。收缩段20由第一端至第二端的横截面面积逐渐减小。喉道30的第一端与收缩段20的第二端连接。扩压段40的第一端与喉道30的第二端连接，且扩压段40由第一端至第二端的横截面面积逐渐增大。第一孔组包括多个第一抽吸孔10，第一抽吸孔10贯穿喷管的管壁，且位于喷管的扩压段40，其中第一抽吸孔10通过上述的方法确定。

通过第一孔组抽吸转捩位置T处的湍流边界层可以使转捩位置向靠近喷管出口的方向移动，以增大试验区，进而提高高超声速静音喷管的适用性。

优选地，在高超声速静音喷管的扩压段40上沿高超声速静音喷管的轴向间隔设置有多个第一孔组，且相邻两个第一孔组之间的距离为X1。

结合参见图2，优选地，高超声速静音喷管还包括湍流集气罩50，湍流集气罩50与第一抽吸孔10一一对应地固定设置在喷管的外周壁上，以将第一抽吸孔10抽吸出的湍流边界层引出，进而保证抽吸效果。湍流集气罩50包括湍流集气孔51，湍流集气孔51与第一抽吸孔10连通。在本实施例中，湍流集气孔51为圆形孔。

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：扩大高超声速静音喷管静试验区的方法通过在转捩位置T处设置绕喷管圆周均布的第一抽吸孔，将喷管内产生的湍流边界层的气流抽吸出去，以保持转捩位置T处下游的边界层流动为层流边界层，实现将转捩位置向靠近喷管出口推移的目的，进而实现扩大试验区的目的。椭圆形的第一抽吸孔能够形成较大的抽吸面积，且第一抽吸孔的长直径方向与气流方向平行能够更加顺畅地抽吸，保证了更好的抽吸效果。通过该扩大高超声速静音喷管静试验区的方法极大增大高超声速静音喷管的试验区域，同时性能稳定，使用可靠。

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)

1.一种扩大高超声速静音喷管静试验区的方法，其特征在于，包括：

确定高超声速静音喷管的转捩位置T；

确定第一抽吸孔(10)位置，所述第一抽吸孔(10)贯穿所述高超声速静音喷管的管壁，且所述第一抽吸孔(10)与所述高超声速静音喷管的内壁面相交形成第一交面，所述转捩位置T位于所述第一交面内；

确定第一抽吸孔(10)的轴线与所述高超声速静音喷管的轴线之间的夹角α；

确定所述第一抽吸孔(10)的截面形状，并确定所述第一抽吸孔(10)的截面积。

2.根据权利要求1所述的扩大高超声速静音喷管静试验区的方法，其特征在于，所述转捩位置T位于所述第一抽吸孔(10)的轴线上。

3.根据权利要求1或2所述的扩大高超声速静音喷管静试验区的方法，其特征在于，在确定所述第一抽吸孔(10)的截面形状，并确定所述第一抽吸孔(10)的截面积的步骤中，所述第一抽吸孔(10)在第一平面上的截面形状为椭圆形，所述第一平面为垂直于所述第一抽吸孔(10)的轴线的平面，确定所述第一抽吸孔(10)的长直径h和短直径m。

4.根据权利要求3所述的扩大高超声速静音喷管静试验区的方法，其特征在于，所述第一抽吸孔(10)的短直径m的取值范围为所述高超声速静音喷管的转捩位置T处的边界层厚度的0.1倍至0.3倍，所述第一抽吸孔(10)的长直径h的取值范围为2倍至4倍的所述第一抽吸孔(10)短直径m。

5.根据权利要求1所述的扩大高超声速静音喷管静试验区的方法，其特征在于，所述夹角α的取值范围为45度至90度。

6.根据权利要求3所述的扩大高超声速静音喷管静试验区的方法，其特征在于，多个所述第一抽吸孔(10)沿所述高超声速静音喷管的圆周方向均匀间隔设置构成第一孔组，所述扩大高超声速静音喷管静试验区的方法还包括如下步骤，根据公式1确定所述第一孔组内的所述第一抽吸孔(10)的数量，

$k=\frac{L}{n+m}$ 公式1

其中，L为所述第一孔组所在处的所述高超声速静音喷管的内圆周长度，n为所述第一孔组的相邻两个第一抽吸孔(10)之间的最小边界距离，n的取值范围为0.5倍至1.5倍的所述第一抽吸孔(10)的短直径m，若所述第一抽吸孔(10)的数量K的计算值出现小数，则将数量K向上取整。

7.根据权利要求6所述的扩大高超声速静音喷管静试验区的方法，其特征在于，所述第一孔组的相邻两个第一抽吸孔(10)之间的距离n等于所述第一抽吸孔(10)的短直径m。

8.根据权利要求6所述的扩大高超声速静音喷管静试验区的方法，其特征在于，沿所述高超声速静音喷管的轴向间隔设置有多个所述第一孔组，相邻两个所述第一孔组之间的中间距离为X1，其中X1为处于上游的所述第一孔组处的边界层厚度的5倍至10倍。

9.一种高超声速静音喷管，其特征在于，包括：

收缩段(20)，所述收缩段(20)由第一端至第二端的横截面面积逐渐减小；

喉道(30)，所述喉道(30)的第一端与所述收缩段(20)的第二端连接；

扩压段(40)，所述扩压段(40)的第一端与所述喉道(30)的第二端连接，且所述扩压段(40)由第一端至第二端的横截面面积逐渐增大；

第一孔组，所述第一孔组包括多个第一抽吸孔(10)，所述第一抽吸孔(10)贯穿所述高超声速静音喷管的管壁，且位于所述高超声速静音喷管的扩压段(40)，所述第一抽吸孔(10)通过权利要求1至8中任一项所述的扩大高超声速静音喷管静试验区的方法确定。

10.根据权利要求9所述的高超声速静音喷管，其特征在于，所述扩压段(40)包括多个第一孔组，所述多个第一孔组沿所述高超声速静音喷管的轴向间隔设置，相邻两个第一孔组之间的中间距离为X1。