CN103969020A - 一种利于纳米粒子均匀布撒的超声速气流生成系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种利于纳米粒子均匀布撒的超声速气流生成系统，包括依次固定连接的第一稳定段、第二稳定段、喷管试验段、出口段；所述第一稳定段包括腔体、气体入口、纳米粒子入口、孔节流件、稳定网；稳定网位于腔体中间的位置，将腔体分为第一稳定段前部和第一稳定段后部；气体入口对称分布在第一稳定段前部的两侧；气体入口与高压气源相连；所述纳米粒子入口分布在第一稳定段前部靠近气体入口的位置，纳米粒子入口与气体入口轴线垂直相交。本发明能够隔绝供应管路与风洞稳定段压力波动的互相干扰，提供均匀、连续、低湍流度、高总压的超声速气体来流，并实现纳米粒子在高压气流中的均匀布撒。

Description

一种利于纳米粒子均匀布撒的超声速气流生成系统

技术领域

本发明涉及航空航天领域的风洞试验技术，具体涉及一种利于纳米粒子均匀布撒的超声速气流生成系统。

背景技术

燃料与氧化剂的充分混合是高效燃烧发生的前提。在超燃冲压发动机中，液体燃料在超声速空气来流中经历雾化、蒸发、混合、燃烧等过程，但由于气流速度高，燃烧室尺寸有限，燃料驻留时间极短，燃料的雾化、蒸发和混合过程对发动机的点火和高效燃烧起着决定性作用。一般认为，有效的高超声速推进系统需要增强燃料与空气的混合，以产生较低阻力的代价注入燃料，并在燃烧室横截面上有效地分布燃料。

为了揭示超声速气流中液体射流雾化混合的内在规律，研究者们围绕该课题开展大量试验研究。赖林“带空腔超燃发动机燃烧室喷雾流场特性研究，2003，硕士论文”结合高速相机和纹影技术对液体横向射流形态进行捕捉，编程处理射流图像进而分析射流穿透深度的变化规律，用激光粒度分析仪对喷雾场的粒径分布进行了探索性研究。Lin“Structures of Water Jets in a Mach1.94Supersonic Crossflow.AIAA2004-971”采用PDPA在马赫1.94风洞中对水射流喷雾场进行详细研究，获得不同流向位置处液滴粒径沿射流方向的“S”型变化规律，同时对不同流向横截面液滴粒径和质量分布进行研究，定量的指出随着向下游的发展，水射流与空气的混合效果逐渐增强。D.S.Olinger“Digital Holographic Analysis of Near-Field Aerated Liquid Jets in Crossflow.PartII：Measurements.AIAA2013-0167”采用全息摄影技术克服多数光学仪器无法对射流近场进行研究的缺点，在马赫0.3和马赫0.6工况下对喷雾场全场液滴粒径分布进行立体还原，研究液体射流粒径分布的变化规律。来流边界层、分离区等对液体射流雾化的影响还有待研究。

地面试验是超声速气流中液体横向射流试验研究的主要方式，人们通过不同的风洞设计产生超声速气流模拟飞行器在高空飞行的实际情况，其中自由射流风洞系统能够最准确的模拟实际飞行状态下的来流总压和总温，但是自由射流系统建造成本巨大，多数研究单位采用直联式风洞系统对该课题进行研究。直联式风洞工作方式不尽相同，吸气式风洞是将风洞出口连入真空环境，在压差作用下气体加速进而达到设计马赫数，一般地，吸气式风洞上游直接连通大气环境；下吹式风洞是采用高压气体从风洞上游注入，进而加速气体达到设计马赫数；也有风洞结合使用高压气体注入和真空环境抽吸两种方式。一般地，吸气式风洞入口气流更加稳定，风洞品质好，但是吸气式风洞总压也相对较小，气流雷诺数小，与实际情况相差较多，同时不利于研究背压对射流雾化的影响。下吹式风洞的气流总压可调，但是其在相同空气流量和马赫数下试验段会偏小很多，同时由于高压气体的注入，容易引起试验段气流品质的不均匀与不稳定，所以需要一系列的空气整流装置。不管是吸气式风洞或者下吹式风洞，超声速流场的高均匀性和低湍流度特性都是衡量风洞设计的重要指标，改善流动品质的一般原则是提高喷管入口流动稳定性和均匀性，尽量在喷管收缩段将流动边界层抑制到最小，常用方法如下：一，在稳定段加装整流器，整流器一般包括蜂窝器和阻尼网；二，增加稳定段长度，气流在长径比大于10的稳定段内实现流动的整流；三，增加稳定段截面尺寸，降低稳定段内气流速度；四，在喷管喉部前设计边界层抽吸装置。

在试验研究中，不可或缺地应用流动显示技术。粒子图像测速(PIV)技术和基于纳米技术的平面激光散射(NPLS)技术均是常用的先进的流动显示技术，但是存在纳米粒子加注的问题，一是纳米粒子的团聚问题，二是纳米粒子与气流的连续、均匀掺混问题。使用纳米粒子发生器能够一定程度上缓解团聚现象的发生，但不可避免；纳米粒子与气流的均匀掺混一般采用将纳米粒子直接加入气流中的方式进行，纳米粒子与气流在流动过程中自由掺混；炮风洞中则是将纳米粒子与气体预先混合均匀，再进行气流的加速。纳米粒子与气体预先混合的方式能够达到最佳混合效果，但局限于特定情况下使用(如炮风洞)，多数情况下纳米粒子与气体的混合采用自由掺混的方式，但是自由掺混往往无法将纳米粒子均匀撒布在气流中。

针对超声速气流中液体横向射流的试验研究，国内外已有风洞系统主要存在以下问题：

1.在吸气式风洞中进行横向射流研究无法模拟真实飞行状态下的来流雷诺数，而雷诺数是流动相似的重要参数；同时由于来流总压限制，吸气式风洞中不易进行背压影响研究试验。

2.风洞稳定段加装整流器装置，能够起到一定整流效果，但总压损失大，同时整流器空间长度较大，特别是对于下吹式风洞，稳定段和整流器长度更大，无法在有限的空间内实现有效的降低流场湍流度的目的。

3.喷管前加装抽吸装置的方式能够有效降低流场湍流度，提高流场均匀性，但是抽吸装置结构复杂，实现难度大，且该方法仍需配合整流装置使用。

4.纳米粒子布撒存在问题，不能进一步改善纳米粒子的团聚问题，纳米粒子与气体混合的过程属于被动混合过程，主要是在流动过程中的自然混合，不能实现纳米粒子均匀布撒的最佳效果。

5.供应管路压力波动与风洞稳定段内压力波动易产生相混干扰，影响下游流场的稳定。

发明内容

本发明现有技术存在的技术问题，提供一种利于纳米粒子均匀布撒的超声速气流生成系统，能够隔绝供应管路与风洞稳定段压力波动的互相干扰，提供均匀、连续、低湍流度、高总压的超声速气体来流，并实现纳米粒子在高压气流中的均匀布撒。

本发明一种利于纳米粒子均匀布撒的超声速气流生成系统，包括依次固定连接的第一稳定段、第二稳定段、喷管试验段、出口段；

所述第一稳定段包括腔体、气体入口、纳米粒子入口、孔节流件、稳定网；稳定网位于腔体中间的位置，将腔体分为第一稳定段前部和第一稳定段后部；气体入口对称分布在第一稳定段前部的两侧；气体入口与高压气源相连；

所述纳米粒子入口分布在第一稳定段前部靠近气体入口的位置，纳米粒子入口与气体入口轴线垂直相交。

另外还包括孔节流件，孔节流件安装于气体入口处。

进一步，所述第二稳定段包括稳定段腔体和整流器，为矩形等截面，稳定段腔体的长径比大于10；整流器固定安装于稳定段腔体靠近第一稳定段的部分。

本发明的有益效果是：

1)超声速气流生成系统为下吹式风洞，高压气源提供风洞启动所需介质及能量，通过改变气源供应压力实现风洞气流的总压可调。

2)组合方式进行流动整流，减小超声速喷管出口气流湍流度，风洞流场湍流度低。组合方式包括：提高喷管收缩比、对冲式进气方式、增加稳定网、加装整流器。

3)气体入口设计安装孔节流件，隔绝上下游压力波动的互相干扰。合理设计孔节流件大小，使气体在通过孔节流件时达到节流条件，从而使孔节流件下游的压力波动无法向上游传递，防止稳定段内的压力波动引起流量的不稳定，从而保证全系统的工作稳定性。

4)气体入口附近设计纳米粒子入口，纳米粒子入口与气体入口相互垂直，利用气流的撞击作用进一步破坏纳米粒子的团聚，同时使空气与纳米粒子充分混合；配合下游的整流器和较长距离的第二稳定段实现纳米粒子的均匀布撒。

附图说明

图1：本发明总体示意图

图2：本发明第一稳定段结构图

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细说明。

本发明包括依次固定连接的第一稳定段1、第二稳定段2、喷管试验段3、出口段4。

第一稳定段1包括腔体11、气体入口12、纳米粒子入口13、孔节流件14、稳定网15、第一稳定段前部16和第一稳定段后部17。稳定网15位于腔体11大约中间的位置，将腔体11分为第一稳定段前部16和第一稳定段后部17。气体入口12对称分布在第一稳定段前部16的两侧；孔节流件14分别安装于气体入口12处；气体通过孔节流件14由气体入口12进入第一稳定段前部16，由于孔节流件14的节流作用，气体入口12前压力大于第一稳定段前部16中压力；高压储气罐提供风洞运行所需的气体供应，气体从高压储气罐中流出，通过管道及阀门控制与气体入口12相连。

纳米粒子入口13分布在第一稳定段前部16靠近气体入口12的位置，纳米粒子入口13与气体入口12轴线垂直相交；纳米粒子由纳米粒子入口13进入第一稳定段前部16，与气体入口12处的气流相互撞击并掺混；由于稳定网15的作用，气体在第一稳定段前部16中压力大于第一稳定段后部17压力，气流在第一稳定段前部16内比较稳定，然后通过稳定网15进入第一稳定段后部17；第一稳定段后部17为缩口形状，第一稳定段1出口与第二稳定段2入口相连接。

第二稳定段2包括稳定段腔体21和整流器22，为矩形等截面。整流器22固定安装于稳定段腔体21靠近第一稳定段1的部分。稳定段腔体21的长径比大于10，有助于流动稳定。气流进入第二稳定段2首先经过整流器22整流然后进入稳定段腔体21下游部分，稳定段腔体21下游部分使气流进一步均匀、稳定。

喷管试验段3包括超声速喷管部31和试验部32。超声速喷管部31通过特征线法设计，用于加速气流，超声速喷管部31与第二稳定段2相连，气流进入超声速喷管部31，进而逐渐加速直至超声速；超声速气流进入试验部32，试验部32四面开窗，试验件安装在底部面板上，其余三面用光学玻璃窗密封，便于流厂观测。

出口段4主要特征为变截面转接装置。出口段4位于喷管试验段3下游，用于试验部32中气流的排放，出口段4的出口直接与大气环境相连通。

另外，在第一稳定段前部16、第一稳定段后部17、第二稳定段后部布有压力测量孔，安装传感器测量压力。

喷管试验段3和出口段4的设计方法为本领域的公知常识。

虽然结合附图描述了本发明的实施方式，但是本领域普通技术人员可以在所附权利要求的范围内作出各种变形或修改。

Claims (3)

1.一种利于纳米粒子均匀布撒的超声速气流生成系统，包括依次固定连接的第一稳定段(1)、第二稳定段(2)、喷管试验段(3)、出口段(4)；

所述第一稳定段(1)包括腔体(11)、气体入口(12)、纳米粒子入口(13)、孔节流件(14)、稳定网(15)；稳定网(15)位于腔体(11)中间的位置，将腔体(11)分为第一稳定段前部(16)和第一稳定段后部(17)；气体入口(12)对称分布在第一稳定段前部(16)的两侧；气体入口(12)与高压气源相连；

所述纳米粒子入口(13)分布在第一稳定段前部(16)靠近气体入口(12)的位置，纳米粒子入口(13)与气体入口(12)轴线垂直相交。

2.如权利要求1所述的一种利于纳米粒子均匀布撒的超声速气流生成系统，其特征在于还包括孔节流件(14)，孔节流件(14)安装于气体入口(12)处。

3.如权利要求1所述的一种利于纳米粒子均匀布撒的超声速气流生成系统，其特征在于所述第二稳定段(2)包括稳定段腔体(21)和整流器(22)，为矩形等截面，稳定段腔体(21)的长径比大于10；整流器(22)固定安装于稳定段腔体(21)靠近第一稳定段(1)的部分。