CN107806977B - 一种组合式宽马赫数高焓脉冲风洞管体结构 - Google Patents
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Abstract
本发明属于高马赫数试验技术领域,涉及一种组合式宽马赫数高焓脉冲风洞管体结构,本发明提出了一种双模态组合驱动运行方式:在中低马赫数段(马赫数3.0~5.0),采用管风洞运行模式,通过管外高温加热,可复现飞行条件总焓;在高马赫数段(马赫数>5.0),以激波风洞模式运行,焓值可进一步提高。本发明在结构上与传统脉冲风洞相似,没有复杂的作动控制机构,高温段管体的加热温度和长度,可按试验要求设计由气动运行原理满足,结构简单、可靠,在工程实际应用中具有可操作性。
Description
技术领域
本发明属于高马赫数试验技术领域,具体而言,涉及一种组合式宽马赫数高焓脉冲风洞管体结构。
背景技术
高焓脉冲风洞是高马赫数地面试验设备的一种,目的是要尽可能复现飞行器的飞行环境,并结合测试技术,获得飞行器模型在该环境下的气动参数。脉冲风洞最早是基于激波管原理发展起来的,根据运行方式的不同,有直通型激波风洞、反射型激波风洞、炮风洞及管风洞等。
基于激波管原理发展起来的激波风洞由于存在“大喉道效应”(被驱动段管径与喷管喉道尺寸不匹配),难以保证喷管收缩比较小情况下的破膜重复性,使得设备很难应用到马赫数5以下。管风洞作为一种特殊的脉冲设备,由于结构简单、参数调节方便、流场品质高等优点,已在亚/跨/超声速领域得到了发展和应用。
随着高超声速飞行器研制需求的增加,脉冲型风洞急需向较低马赫数段扩展,特别是需要具有跨马赫数运行能力。如美国CUBRC LENS II激波风洞进一步升级改造后马赫数范围为2.7~8.0,但是均以牺牲设备有效运行时间及流场品质为代价。因此如何在保证脉冲型风洞性能的前提下扩大马赫数运行范围,成为研究重点,技术手段需要进一步发展。
发明内容
本发明旨在提出一种组合式宽马赫数高焓风洞管体结构,以解决现有脉冲风洞在宽马赫数范围内运行困难、流场品质低的问题。
本发明的技术方案是:一种组合式宽马赫数高焓风洞管体结构,包括:高压驱动段1、双膜段2、第一低压被驱动段3、第二低压被驱动段4,各部段之间采用法兰形式连接,其特征在于,在实现双模态组合驱动运行时,通过第二低压被驱动段4与高温段5之间的替换拓展风洞马赫数运行范围,其中高温段5包含上游高温隔离装置6、加热管7及管外加热系统和下游高温快开系统9,管外加热系统铺设于加热管外围,各部段之间采用法兰形式连接。
所述管外加热系统含内层高温加热体10和外层保温层11,内层高温加热体直接与加热管体表面接触,在其外边面包裹保温层。
所述高温加热体一般采用电加热形式,通过高温电阻元件对蓄热体进行预热。
所述高压驱动段1、双膜段2、第一低压被驱动段3,通过第二低压被驱动段4与高温段5之间的更换,实现双模态组合驱动运行方式。
所述双模态组合驱动运行方式,在中低马赫数段采用管风洞运行模式,在马赫数>5.0,以激波风洞模式运行。
所述管体的直径由管风洞运行模态确定,管体总长及各部段的比例需要综合考虑两种运行模态。
所述管体的直径,由管风洞运行模态确定,其值的选取受到两方面限制:一方面,为了减弱膨胀波在冷/热段交界面上的反射,从流量守恒关系出发,可以从理论上推导出冷段管径与高温段管径存在以下关系:
其中,dhot为高温段管体内径,dcold为冷段管体内径,Thot为高温段管体内部气体温度(由试验条件决定),Tcold为冷段管体内部气体温度(通常为常温);
另一方面,考虑到管壁附面层影响,管体内部流动马赫数M1通常介于0.02~0.2之间,该值取决于喷管出口尺寸与高温段管径比值,具体关系式如下:
其中,d*为喷管喉道尺寸,r为气体比热比。同时,试验气体总温、总压与高温段内气体总温、总压有如下关系:
其中,下标t,1表示试验气体参数,下标0表示高温段内气体参数。
所述管体的长度,管体总长及各部段的比例需要综合考虑两种运行模态,管风洞运行模式下,运行时间与管体总长及高温段管体长度之间存在以下关系式:
其中,t1为运行时间,L为管体总长,ΔL为高温段管体长度,a为管内声速,u为管内流速。
本发明的有益效果:为了解决上述问题,本发明提出了一种双模态组合驱动运行方式:在中低马赫数段(马赫数3.0~5.0),采用管风洞运行模式,通过管外高温加热,可复现飞行条件总焓;在高马赫数段(马赫数>5.0),以激波风洞模式运行,焓值可进一步提高。
附图说明
图1为本发明的组合式宽马赫数高焓风洞管体布局及替换示意图。
图2为本发明的高温段加热系统结构示意图。
具体实施方式
如图1所示,组合式宽马赫数高焓风洞,它包括:管体部分、喷管段、试验段、真空舱等;各部段之间采用法兰形式连接。管体部分包括:高压驱动段1、双膜段2、第一低压被驱动段3、第二低压被驱动段4、高温段5,其中高温段5包含上游高温隔离装置6(可采用球阀或截止阀,开启时间5s以内)、加热管7及管外加热系统和下游高温快开系统9(可采用轴流阀或破膜装置,开启时间15ms以内)。
管外加热系统含内层高温加热体10和外层保温层11,内层高温加热体直接与加热管体表面接触,在其外边面包裹保温层。
高温加热体一般采用电加热形式,通过高温电阻元件对蓄热体进行预热。
高压驱动段1、双膜段2、第一低压被驱动段3,通过第二低压被驱动段4与高温段5之间的更换,实现双模态组合驱动运行方式。
双模态组合驱动运行方式,在中低马赫数段采用管风洞运行模式,在马赫数>5.0,以激波风洞模式运行。
管体的直径由管风洞运行模态确定,管体总长及各部段的比例需要综合考虑两种运行模态。
如图2所示,本发明中的高温段中的管外加热系统包括⑨内层高温加热体和⑩外层保温层。内层高温加热体直接与加热管体表面接触,在其外边面包裹保温层。高温加热体一般采用电加热形式,通过高温电阻元件对蓄热体进行预热。
该方案具体实施设计方法分为以下几个方面:
1)管体的直径
管体的直径由管风洞运行模态确定,其值的选取受到两方面限制:一方面,为了减弱膨胀波在冷/热段交界面上的反射,从流量守恒关系出发,可以从理论上推导出冷段管径与高温段管径存在以下关系:
其中,dhot为高温段管体内径,dcold为冷段管体内径,Thot为高温段管体内部气体温度(由试验条件决定),Tcold为冷段管体内部气体温度(通常为常温)。
另一方面,考虑到管壁附面层影响,管体内部流动马赫数M1通常介于0.02~0.2之间,该值取决于喷管出口尺寸与高温段管径比值,具体关系式如下:
其中,d*为喷管喉道尺寸,r为气体比热比。同时,试验气体总温、总压与高温段内气体总温、总压有如下关系:
其中,下标t,1表示试验气体参数,下标0表示高温段内气体参数。
以马赫数3.5、试验段气体总温750K、喷管出口尺寸Φ300mm为例,冷段管径(包括高压驱动段、双膜段、低压被驱动段1)可取为Φ255mm,高温段管径可取为Φ200mm,低压被驱动段2管径与冷段管径相同。
2)管体的长度
管体总长及各部段的比例需要综合考虑两种运行模态。管风洞运行模式下,运行时间与管体总长及高温段管体长度之间存在以下关系式:
其中,t1为运行时间,L为管体总长,ΔL为高温段管体长度,a为管内声速,u为管内流速。下标1表示初始膨胀波通过但反射膨胀波未到达时的管内流动参数,下标0表示初始管内参数。
根据管风洞运行时间要求,可以确定管体总长和高温段长度,在此基础上,合理分配激波风洞模态高压驱动段和低压被驱动段比例,可以获得理论最长试验时间,如果该有效试验试验时间不能满足激波风洞模态试验需求,重新选取管体总长(可等比例延长),以保证宽马赫数范围的有效试验时间。以管风洞200ms有效试验时间为例,风洞总长可取为35m,高温段长度10m;激波风洞模态对应的高压驱动段可取为10m,低压被驱动段1可取为15m,低压被驱动段2为10m,可保证马赫数5~8范围内30ms有效试验时间。下表为理论分析得到的马赫数6时不同驱动比下的试验参数(低压被驱动段压力1bar)。
驱动压力P4(bar) | 20 | 40 | 60 | 100 |
有效试验时间tr(ms) | 37.0 | 37.5 | 31.6 | 35.4 |
驻室气体压力峰值(bar) | 18.4 | 35.0 | 48.2 | 78.6 |
驻室气体压力谷值(bar) | 16.5 | 33.7 | 49.4 | 73.4 |
驻室气体压力波动(%) | -5.4~+5.4 | -1.9~+1.9 | -1.2~+1.2 | -3.4~+3.4 |
驻室气体温度峰值(K) | 743.4 | 946.8 | 1085.2 | 1304.0 |
驻室气体温度谷值(K) | 720.7 | 936.1 | 1077.6 | 1278.9 |
驻室气体温度波动(%) | -1.6~+1.6 | -0.6~+0.6 | -0.4~+0.4 | -1.0~+1.0 |
本发明的具体过程:
激波风洞模式下,分别在双膜段2和第二低压被驱动段4末端放置膜片,试验前在膜片两侧(高压驱动段和低压被驱动段)充以不同压力的气体。上游膜片破裂后,在膜片处产生一道运动激波向被驱动段传播,用于对试验气体加温加压,当激波传播到第二低压被驱动段4末端,高温高压气流冲破二道膜片,试验开始;
管风洞模式下,第二低压被驱动段4与高温段5相互更换,其中高压驱动段1、双膜段2和第一低压被驱动段3组成管体冷段。关闭上游高温隔离装置6和下游高温快开系统9,分别对冷段和高温段充以不同压力的气体,通过管外加热系统对管内气体进行加热。当达到指定的温度和压力后,先后打开上游高温隔离装置6、下游高温快开系统9,试验开始。
本发明所提出的组合驱动方式,在工程实际应用中具有可操作性。本发明在结构上与传统脉冲风洞相似,没有复杂的作动控制机构,高温段管体的加热温度和长度,可按试验要求设计由气动运行原理满足,结构简单、可靠。在中低马赫数下采用管风洞运行方式,可延长有效运行时间,同时保证试验段流场的品质。
以上示例仅为本发明的一种参数选取参考而已,并非用于限定本发明的保护范围,凡在本发明的原理之内,所作的任何修改、替换或者改进等,均在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种组合式宽马赫数高焓脉冲风洞管体结构,高压驱动段(1)、双膜段(2)、第一低压被驱动段(3)、第二低压被驱动段(4)之间采用法兰形式依次连接,其特征在于,在中低马赫数段采用管风洞运行模式;在马赫数>5.0,以激波风洞模式运行;在实现双模态组合驱动运行时,通过第二低压被驱动段(4)与高温段(5)之间的替换拓展风洞马赫数运行范围,其中高温段(5)包含上游高温隔离装置(6)、加热管(7)及管外加热系统和下游高温快开系统(9),管外加热系统铺设于加热管外围,上游高温隔离装置(6)、加热管(7)和下游高温快开系统(9)之间采用法兰形式依次连接;
激波风洞模式下,分别在双膜段(2)和第二低压被驱动段(4)末端放置膜片,试验前在膜片两侧,即高压驱动段和低压被驱动段充以不同压力的气体;上游膜片破裂后,在膜片处产生一道运动激波向被驱动段传播,用于对试验气体加温加压,当激波传播到第二低压被驱动段(4)末端,高温高压气流冲破二道膜片,试验开始;
管风洞模式下,第二低压被驱动段(4)与高温段(5)相互更换,其中高压驱动段(1)、双膜段(2)和第一低压被驱动段(3)组成管体冷段;关闭上游高温隔离装置(6)和下游高温快开系统(9),分别对冷段和高温段充以不同压力的气体,通过管外加热系统对管内气体进行加热;当达到指定的温度和压力后,先后打开上游高温隔离装置(6)、下游高温快开系统(9),试验开始。
2.如权利要求1所述的组合式宽马赫数高焓脉冲风洞管体结构,其特征在于,所述管外加热系统含内层高温加热体(10)和外层保温层(11),内层高温加热体(10)直接与加热管体表面接触,内层高温加热体(10)外表面包裹外层保温层(11)。
3.如权利要求2所述的组合式宽马赫数高焓脉冲风洞管体结构,其特征在于,高温加热体采用电加热形式,通过高温电阻元件对蓄热体进行预热。
4.如权利要求1所述的组合式宽马赫数高焓脉冲风洞管体结构,其特征在于,所述管体的直径由管风洞运行模态确定,其值的选取受到两方面限制:一方面,为了减弱膨胀波在冷/热段交界面上的反射,从流量守恒关系出发,可以从理论上推导出冷段管径与高温段管径存在以下关系:
其中,dhot为高温段管体内径,dcold为冷段管体内径,Thot为高温段管体内部气体温度,Tcold为冷段管体内部气体温度;
另一方面,考虑到管壁附面层影响,管体内部流动马赫数M1介于0.02~0.2之间,马赫数M1取决于喷管出口尺寸与高温段管径比值,具体关系式如下:
其中,d*为喷管喉道尺寸,r为气体比热比;同时,试验气体总温T、总压P与高温段内气体总温T0、总压P0有如下关系:
其中,下标t,1表示试验气体参数。
5.如权利要求4所述的组合式宽马赫数高焓脉冲风洞管体结构,其特征在于,所述管体的长度,管体总长及各部段的比例需要综合考虑两种运行模态,管风洞运行模式下,运行时间与管体总长及高温段管体长度之间存在以下关系式:
其中,t1为运行时间,L为管体总长,ΔL为高温段管体长度,a为管内声速,u为管内流速;下标1表示初始膨胀波通过但反射膨胀波未到达时的管内流动参数,下标0表示初始管内参数。
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