CN107655694A - 一种超音速喷管射流掺混实验装置 - Google Patents

一种超音速喷管射流掺混实验装置 Download PDF

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唐剑
蔡文祥
侯宇菲
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Abstract

本发明公开一种超音速喷管射流掺混实验装置，其特征在于，包括主流喷管、射流喷管；所述主流喷管为矩形管结构，矩形管的一端作为射流入口端；且入口端两侧分别设有多个圆孔，圆孔上设有压力传感器和热电偶；矩形管的另一端的内部设有来流加速段，依次包括第一收敛段、第一平直段、第一扩张段；所述射流喷管与主流喷管的扩张段相连通，所述射流喷管内部依次设有第二收敛段、第二平直段、第二扩张段，且第二扩张段与主流喷管相连；所述第一扩张段上设有多个通孔，通孔上设有压力传感器；矩形管上两侧设有观察窗，观察窗位于来流加速段的两侧；本发明的实验装置可以模拟超音速飞行下的空气射流掺混现象。

Description

一种超音速喷管射流掺混实验装置
技术领域
本发明属于实验测试装置领域，特别是一种超音速喷管射流掺混实验装置。
背景技术
超燃冲压发动机只需要携带燃料,从周围环境之中吸入新鲜空气，在超燃冲压发动机燃烧室内以超音速燃烧的形式将燃料所蕴含的化学能转化为机械能。这一思路给提高固体火箭发动机的性能提供了一种借鉴思路。比如，在固体火箭发动机尾喷管内喷入新鲜空气，与固体燃料火箭发动机推进剂燃烧之后富含H2、CO以及金属添加物等可燃物质进一步燃烧，亦可能进一步提高发动机的推力。对于超音速条件下的燃烧问题，燃料与空气的充分混合是其提高其燃烧效率的关键性问题之一。研究掺混流场的压力分布变化以及流场中波系结构，可以进一步分析出燃料与空气的混合程度。
国内外对喷管中进行二次掺混燃烧的实验非常少，但是射流矢量喷管的研究很多，对本实验台设计具有一定的参考价值。孙啸林.一种新型激波控制推力矢量喷管结构[D].西北工业大学,2014.中设计了圆形喷管并提供一种二次射流的引射系统方案，解决了如何在喷管中注入二次射流的问题,利用二次射流在流场中掺混形成的激波来控制喷管推力。但是无法通过纹影、PIV等可视化实验观察流场结构,导致掺混段流场无法观测。射流是通过发动机压气机产生的亚声速气流，无法模拟超音速飞行下的空气射流。为了进行超音速飞行下燃气与空气掺混的模拟实验研究，需要设计专门的实验装置。
发明内容
本发明所解决的技术问题在于提供一种超音速喷管射流掺混实验装置,以解决现有的实验装置无法模拟超音速飞行下空气入射掺混实验、以及测试射流参数及流场无法可视化的问题。
实现本发明目的的技术解决方案为：
一种超音速喷管射流掺混实验装置，其特征在于，包括主流喷管、射流喷管；
所述主流喷管为矩形管结构，矩形管的一端作为射流入口端；且入口端两侧分别设有多个圆孔，圆孔上设有压力传感器和热电偶；矩形管的另一端的内部设有来流加速段，依次包括第一收敛段、第一平直段、第一扩张段；所述射流喷管与主流喷管的扩张段相连通，所述射流喷管内部依次设有第二收敛段、第二平直段、第二扩张段，且第二扩张段与主流喷管相连；所述第一扩张段上设有多个通孔，通孔上设有压力传感器；矩形管上两侧设有观察窗，观察窗位于来流加速段的两侧。
本发明与现有技术相比，其显著优点：
(1)本发明的实验装置通过主流喷管和射流喷管产生超音速空气射流，可以模拟超音速飞行下的空气射流掺混现象。
(2)本发明的实验装置在主流喷管的入口端设有压力传感器和热电偶，可测试入口端的来流总压和静压以及来流温度。
(3)在主流喷管的第一扩张段上设有压力传感器，可测量主流喷管的出口端不同位置的压力。
(4)在主流喷管上设有观察窗，可实现进行纹影、PIV等的可视化观察。
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
附图说明
图1为本发明超音速喷管射流掺混实验装置的总体结构示意图。
图2为本发明实验装置主视剖面图。
图3为主流喷管主视图。
图4为主流喷管主视剖面视图。
图5为主流喷管俯视图。
图6为圆形的射流喷管结构示意图。
图7为圆形的射流喷管剖面视图。
图8为矩形的射流喷管结构示意图。
图9为矩形的射流喷管剖面视图。
图10为方转圆结构示意图。
图11为方转圆剖面视图。
图12为纹影实验结果图。
具体实施方式
为了说明本发明的技术方案及技术目的，下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的介绍。
结合图1，本发明的一种超音速喷管射流掺混实验装置，包括主流喷管1、射流喷管2；
结合图2-图5，所述主流喷管1为矩形管结构，矩形管相对于圆形管便于观察出流场的波系结构；矩形管的一端端面设有法兰盘，作为射流入口端，便于与外部实验装置连接；且入口端两侧分别设有多个圆孔1-5，圆孔1-5上设有压力传感器和热电偶；压力传感器用于测试入口端的来流总压和静压，热电偶用于测试来流温度；矩形管的另一端的内部设有来流加速段，来流加速段依次包括第一收敛段1-1、第一平直段1-2(喉部)、第一扩张段1-3；第一扩张段1-3作为射流出口；第一收敛段1-1、第一平直段1-2、第一扩张1-3段共同作用，可将进入主流喷管1的气体加速到超声速；所述射流喷管2与主流喷管1的扩张段相连通，所述射流喷管2内部依次设有第二收敛段2-1、第二平直段2-2(喉部)、第二扩张段2-3，且第二扩张段2-3与主流喷管1相连；第二收敛段2-1、第二平直段2-2、第二扩张段2-3共同作用，可将进入射流喷管2内的射流起加速到超声速的作用；所述第一扩张段1-3上设有多个通孔1-4，通孔1-4上设有压力传感器，用于测量第一扩张段1-3壁面内不同位置的压力；矩形管的两侧设有观察窗1-6，观察窗1-6位于来流加速段的两侧，用于进行纹影、PIV等的可视化观察。
结合图2，进一步的，所述主流喷管1另一端矩形管的上端板为V型板机构，V型板向下凹陷，中间一段与矩形管的下端板平行，使得上端板和下端板之间依次构成第一收敛段1-1、第一平直段1-2和第一扩张段1-3。
结合图6-图7，在一些实施方式中，所述射流喷管2为圆形管，圆形管内依次设有第二收敛段2-1、第二平直段2-2、第二扩张段2-3。圆形管上端设有法兰盘，用于与外部所述射流发生装置相连。
结合图8-图11，在另外一些实施方式中，所述射流喷管2为矩形管，矩形管内依次设有第二收敛段2-1、第二平直段2-2、第二扩张段2-3。矩形管上端通过法兰盘与方转圆3下端相连，方转圆3上端通过法兰盘与连接管4下端相连，连接管4上端设有螺纹或法兰盘，用于与外部所述射流发生装置相连。方转圆3对射流喷管2和连接管4起过渡连接的作用，避免因结构突变产生流场的不稳定性。
进一步的，所述观察窗1-6为玻璃或塑料等透明材料制成，使用密封胶密封。
结合图12，本发明的超音速喷管射流掺混实验装置，主流喷管1与外接气路连接，外接气路提供主流气体，压力一般大于3个大气压,在主流喷管1入口处测得来流总压，静压和温度。主流经过第一收敛段1-1处加速，在喉部处达到声速，经过第一扩张段1-3继续加速达到超声速，在主流稳定后，打开射流喷管2外部的射流控制阀，射流经过连接管4进入射流喷管2，经过射流喷管2加速达到超声速与主流进行掺混。可测得掺混后的气体在第一扩张段1-3壁面内不同位置的压力；将实验装置观察窗1-6放在纹影仪两个凹面镜光路的正中间，最终光路反射到工业相机镜头，在纹影仪的计算机中的控制软件中可观察到流场结构变化，在扩张段处测得的壁面静压的变化。图12为流场稳定后的纹影图片，可清晰的观察出流场的波系结构。

Claims (3)

1.一种超音速喷管射流掺混实验装置，其特征在于，包括主流喷管(1)、射流喷管(2)；
所述主流喷管(1)为矩形管结构，矩形管的一端作为射流入口端；且入口端两侧分别设有多个圆孔(1-5)，圆孔(1-5)上设有压力传感器和热电偶；矩形管的另一端的内部设有来流加速段，依次包括第一收敛段(1-1)、第一平直段(1-2)、第一扩张段(1-3)；所述射流喷管2与主流喷管1的扩张段相连通，所述射流喷管2内部依次设有第二收敛段(2-1)、第二平直段(2-2)、第二扩张段(2-3)，且第二扩张段(2-3)与主流喷管(1)相连；所述第一扩张段(1-3)上设有多个通孔(1-4)，通孔(1-4)上设有压力传感器；矩形管上两侧设有观察窗(1-6)，观察窗(1-6)位于来流加速段的两侧。
2.如权利要求(1)所述的一种超音速喷管射流掺混实验装置，其特征在于，所述射流喷管(2)为圆形管。
3.如权利要求(1)所述的一种超音速喷管射流掺混实验装置，其特征在于，所述射流喷管(2)为矩形管，矩形管与方转圆(3)相连，方转圆(3)与连接管(4)相连。
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