CN107543679A - 一种常规高超声速风洞装置及其驻室气流加热工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种常规高超声速风洞装置及其驻室气流加热工艺，包括：用于压缩洁净空气，形成高压气流的压缩机组；连接压缩机组输出端，用于稳定高压气流的驻室；用于对驻室内高压空气加热的加热装置；用于进行风洞试验的试验段。本发明运用热泵技术降低了实验气流的预加热电耗，整体工艺节能，实验成本较低；且热泵机组和电加热方式的换热效率高，温度控制更灵活。
Description
技术领域
本发明涉及空气动力学和热力学领域，具体涉及一种常规高超声速风洞装置及其驻室气流加热工艺。
背景技术
风洞(wind tunnel)即风洞实验室，是以人工的方式产生并且控制气流高超声速风洞是风洞实验段气流的马赫数M在5～14之间的风洞。
中国科学院力学研究所研究员姜宗林以创立高超声速复现风洞技术，研制成功JF12复现风洞，荣获2016年度美国航空航天学会地面试验奖(AIAA Ground testing Awardfor 2016)，成为该奖项设立四十多年来首位获奖的亚洲学者。
在高超声速风洞中，高压气流通过加速膨胀后形成高马赫气流，与此也伴随着气流温度的急剧降低，造成在风洞试验段实验气流发生凝结现象，这在风洞模型实验是不允许的。为了消除该现象，目前最常用的方法就是在风洞的稳定段前对实验气流进行预加热。
常规高超声速风洞上采用的加热技术有电热式、燃油、燃气式等多种方式。其中电热式由于其加热速度快、无污染、便于控制等优点，常常被用于常规高超声速风洞预加热的方式；但电热式主要是消耗电能，将电能转化为热能，从而对气流进行加热，其加热功率在50MW左右，需要消耗大量电能，造成实验成本升高，迫切需要加以改进。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供了一种常规高超声速风洞装置及其驻室气流加热工艺，以降低电能损耗，节约试验成本。
为实现所述技术目的，本发明的技术方案是：一种常规高超声速风洞装置，包括：
压缩机组，所述压缩机组用于压缩洁净空气，形成高压气流；
驻室，所述驻室连接压缩机组输出端，用于稳定高压气流；
加热装置，所述加热装置用于对驻室内高压空气加热；
稳定段及试验段，所述稳定段对加热装置加热后的高压气流进行整流后输出至试验段，在所述试验段内进行风洞试验。
进一步，所述加热装置包括：
热泵机组，通过管道和阀门连接所述驻室，用于对压缩气流进行预加热；
再热器，连接热泵机组输出端，用于对压缩气流再次加热。
进一步，所述热泵机组包括：
冷凝器，安装于所述管道内，为高压气流换热；
强制对流风机，安装于所述管道内，且气流输出正对于冷凝器，用于提高冷凝器换热效率；
压缩机及蒸发器，安装于所述管道外，通过制冷剂循环管连接冷凝器，用于向冷凝器提供高温制冷剂。
进一步，所述强制对流风机安装于所述阀门和所述冷凝器之间；且强制对流风机的气流输出方向和所述驻室到冷凝器的高压气流方向一致。
进一步，所述冷凝器和强制对流风机采用耐热钛合金材料制成；且所述冷凝器、强制对流风机、位于管道内的制冷剂循环管外表面强度大于10MPa，且耐热温度范围在300-500℃。
作为本发明的优选，所述驻室内设置气压表；所述阀门的打开和关闭由气压表控制。
进一步，所述再热器为电加热装置，且加热功率在30-50MW之间；设置温度传感器于再热器内，温度传感器测量高压气流温度并反馈至再加热器。
进一步，稳定段和试验段之间设置高超声速喷管；高超声速喷管马赫数在5-8之间，出口直径在1000-1200mm之间。
进一步，所述试验段为封闭风洞，且气流输出依次通过扩张段进行升压、引射排气装置进行降温降速、消音塔进行消音后排向大气中。
一种常规高超声速风洞装置驻室气流加热工艺，包括以下步骤：
S1：驻室气压稳定，且达到2MPa-8MPa气压范围后，打开阀门，输出高压气流；
S2：利用热泵机组中的冷凝器换热，并对高压气流预加热至40-70℃范围内；
S3：将步骤S2中预加热后的高压气流通过电加热装置进行再加热，且利用温度传感器调节电加热装置加热功率，使高压气流经过电加热装置后温度保持在恒定值。
本发明的有益效果在于：
本发明运用热泵技术降低了实验气流的预加热电耗，整体工艺节能，实验成本较低；且热泵机组和电加热方式的换热效率高，温度控制更灵活。
附图说明
图1是本发明的整体结构框图。
具体实施方式
下面将对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。
如图1所示，一种常规高超声速风洞装置，包括：
压缩机组，所述压缩机组用于压缩洁净空气，形成高压气流；
驻室，所述驻室连接压缩机组输出端，用于稳定高压气流；
加热装置，所述加热装置用于对驻室内高压空气加热；
稳定段及试验段，所述稳定段对加热装置加热后的高压气流进行整流后输出至试验段，在所述试验段内进行风洞试验。
进一步，所述加热装置包括：
热泵机组，通过管道和阀门连接所述驻室，用于对压缩气流进行预加热；
再热器，连接热泵机组输出端，用于对压缩气流再次加热。
进一步，所述热泵机组包括：
冷凝器，安装于所述管道内，为高压气流换热；
强制对流风机，安装于所述管道内，且气流输出正对于冷凝器，用于提高冷凝器换热效率；
压缩机及蒸发器，安装于所述管道外，通过制冷剂循环管连接冷凝器，用于向冷凝器提供高温制冷剂。
进一步，所述强制对流风机安装于所述阀门和所述冷凝器之间；且强制对流风机的气流输出方向和所述驻室到冷凝器的高压气流方向一致。所述强制对流风机为变频式风机，可根据高压气流气压值大小进行变频，稳定高压气流气压值的同时提高了冷凝器换热效率。
进一步，所述冷凝器和强制对流风机采用耐热钛合金材料制成；且所述冷凝器、强制对流风机、位于管道内的制冷剂循环管外表面强度大于10MPa，且耐热温度范围在300-500℃，使其可以再高压气流环境下稳定工作。
作为本发明的优选，所述驻室内设置气压表；所述阀门的打开和关闭由气压表控制。
进一步，所述再热器为电加热装置，且加热功率在30-50MW之间；设置温度传感器于再热器内，温度传感器测量高压气流温度并反馈至再加热器。
进一步，稳定段和试验段之间设置高超声速喷管；高超声速喷管马赫数在5-8之间，出口直径在1000-1200mm之间。
进一步，所述试验段为封闭风洞，且气流输出依次通过扩张段进行升压、引射排气装置进行降温降速、消音塔进行消音后排向大气中。
一种常规高超声速风洞装置驻室气流预加热工艺，包括以下步骤：
S1：驻室气压稳定，且达到2MPa-8MPa气压范围后，打开阀门，输出高压气流；
S2：利用热泵机组中的冷凝器换热，并对高压气流预加热至40-70℃范围内；
S3：将步骤S2中预加热后的高压气流通过电加热装置进行再加热，且利用温度传感器调节电加热装置加热功率，使高压气流经过电加热装置后温度保持在恒定值。
本发明的实施步骤如下：
阀门关闭时，洁净气流经过压缩机组进行空气压缩，压缩后高压空气不断进入驻室，最终在驻室形成稳定、静止的高压气流，在驻室气压达到预设阈值时，阀门打开，热泵机组工作，通过位于管道外的压缩机和蒸发器向冷凝器提供热源，对高压气流进行预加热。
预加热后的高压气流通过加热功率可变的再加热器进行再次加热，使得高压气流达到稳定的温度，使得高压气流达到高超声速喷管入口条件，高温高压气流通过稳定段进入高超声速喷管快速膨胀加速，最终形成高速气流进入试验段进行模型试验，试验后的气流经过扩张段进行升压，最后通过引射排气装置降温降速后消音排向大气。
本发明未详细说明部分属本领域技术人员公知常识；对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种常规高超声速风洞装置，其特征在于，包括：
压缩机组，所述压缩机组用于压缩洁净空气，形成高压气流；
驻室，所述驻室连接压缩机组输出端，用于稳定高压气流；
加热装置，所述加热装置用于对驻室内高压空气加热；
稳定段及试验段，所述稳定段对加热装置加热后的高压气流进行整流后输出至试验段，在所述试验段内进行风洞试验。
2.根据权利要求1所述的一种常规高超声速风洞装置，其特征在于，所述加热装置包括：
热泵机组，通过管道和阀门连接所述驻室，用于对压缩气流进行预加热；
再热器，连接热泵机组输出端，用于对压缩气流再次加热。
3.根据权利要求2所述的一种常规高超声速风洞装置，其特征在于，所述热泵机组包括：
冷凝器，安装于所述管道内，为高压气流换热；
强制对流风机，安装于所述管道内，且气流输出正对于冷凝器，用于提高冷凝器换热效率；
压缩机及蒸发器，安装于所述管道外，通过制冷剂循环管连接冷凝器，用于向冷凝器提供高温制冷剂。
4.根据权利要求3所述的一种常规高超声速风洞装置，其特征在于，所述强制对流风机安装于所述阀门和所述冷凝器之间；且强制对流风机的气流输出方向和所述驻室到冷凝器的高压气流方向一致。
5.根据权利要求4所述的一种常规高超声速风洞装置，其特征在于，所述冷凝器和强制对流风机采用耐热钛合金材料制成；且所述冷凝器、强制对流风机、位于管道内的制冷剂循环管外表面强度大于10MPa，且耐热温度范围在300-500℃。
6.根据权利要求2所述的一种常规高超声速风洞装置，其特征在于，所述驻室内设置气压表；所述阀门的打开和关闭由气压表控制。
7.根据权利要求2所述的一种常规高超声速风洞装置，其特征在于，所述再热器为电加热装置，且加热功率在30-50MW之间；设置温度传感器于再热器内，温度传感器测量高压气流温度并反馈至再加热器。
8.根据权利要求1所述的一种常规高超声速风洞装置，其特征在于，稳定段和试验段之间设置高超声速喷管；高超声速喷管马赫数在5-8之间，出口直径在1000-1200mm之间。
9.根据权利要求1所述的一种常规高超声速风洞装置，其特征在于，所述试验段为封闭风洞，且气流输出依次通过扩张段进行升压、引射排气装置进行降温降速、消音塔进行消音后排向大气中。
10.一种常规高超声速风洞装置驻室气流加热工艺，其特征在于，包括以下步骤：
S1：驻室气压稳定，且达到2MPa-8MPa气压范围后，打开阀门，输出高压气流；
S2：利用热泵机组中的冷凝器换热，并对高压气流预加热至40-70℃范围内；
S3：将步骤S2中预加热后的高压气流通过电加热装置进行再加热，且利用温度传感器调节电加热装置加热功率，使高压气流经过电加热装置后温度保持在恒定值。
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