CN108007667A - 一种高温燃气风洞马赫数测量装置及方法 - Google Patents

一种高温燃气风洞马赫数测量装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种高温燃气风洞马赫数测量装置及方法，该测量装置包括测量机构、支撑机构和供水机构，测量机构包括水冷测量模型和摄像组件。通过拍摄水冷测量模型绕流图像，获得模型头部激波角，计算得到风洞马赫数数据。其中水冷测量模型为尖楔外形，由外壁与内芯组成，外楔壁为薄壁外壳，用于承受外部气流载荷，内芯设有水冷槽道，对模型头部和楔面进行冷却,保护测量模型在测量时不受损坏；供水机构为模型提供高压冷却水；支撑机构内部设计有供水槽道，同时具备支撑和供水功能。本发明通过测量模型设计及供水流量控制，实现测量模型在燃气风洞下的高温热防护及模型头部激波角的稳定测量，提高了高温燃气风洞马赫数测量精度。

Description

一种高温燃气风洞马赫数测量装置及方法
技术领域
本发明涉及一种高温燃气风洞马赫数测量装置及方法，属于风洞试验、流场测试技术领域。
背景技术
高温风洞是飞行器地面防隔热试验考核的重要设备，为保证地面，试验考核的准确性，必须掌握试验区域流场参数，其中马赫数是风洞流场的关键参数之一。现有的马赫数测量多通过测量流场总压或静压间接得到马赫数。但对于高温风洞，由于其试验环境总温可超过3000度，总压及静压测量装置面临设计成本高，推算公式复杂的难题，测量精度难以达到。
发明内容
本发明解决的技术问题为：提供一种高温燃气风洞马赫数测量装置，以解决上述现有马赫数测量装置设计成本高，推算公式复杂，测量精度低的问题。
本发明解决的技术方案为：一种高温燃气风洞马赫数测量装置，包括测量机构、支撑机构、供水机构；
所述测量机构包括水冷测量模型和摄像组件，所述水冷测量模型为尖楔形状，由外壁与内芯组成，用于产生马赫数测量所需要头部激波角。外壁与内芯采用螺纹连接。
所述摄像组件为照相设备，用于水冷测量模型头部激波角的拍摄。
所述水冷测量模型外壁为薄壁外壳，用于承受外部气流载荷，内芯为中空结构，包括支撑耳片、楔面冷却槽道和头部冷却槽道，并内置喷嘴，冷却水从模型后端进入喷嘴后，流经头部槽道和楔面槽道后仍由外壁和内芯缝隙流出，用于对模型头部和楔面进行冷却。
所述支撑机构底部固定，与水冷测量模型内芯后端螺纹连接，安装完成后的水冷测量模型中心线与高温燃气风洞喷管轴线平行。
所述支撑机构内部设有供水槽道，供水槽道末端直接与供水管路连接供水机构，供水槽道前端与水冷测量模型水冷通道相连。
所述供水机构能够为水冷测试模型提供高压冷却水。
水冷测量模型为尖楔外形，尖楔角度为2θ，尖楔宽度为L，高度为H，尖楔宽度L略小于喷管出口直径，并与后端支撑机构尺寸匹配，尖楔高度H不小于尖楔宽度L；尖楔半角θ的选取满足：(1)在所测定的M数范围内，斜激波角β随马赫数的变化率尽可能大，(2)模型角度不接近或超出激波附体的最大允许偏转角。(3)保证图像拍摄清楚的前提小，θ角选小的角度值，θ愈大，愈小，能测量的M数范围就愈窄。当测量马赫数范围在2～4之间时，水冷测量模型尖楔半角选取范围20～40°。
照相设备的指标要求为：快门速度1/1200～1/800，光圈6.0～8.0，或可采用加滤镜的方法减弱光线，取得模型和激波形状的清晰图像。
照相设备的镜头正对位置为水冷测量模型头部。
供水机构具备流量调节功能，高压冷却水压力P变化范围：1～5Mpa,流量为10～40kg/h，冷却水温度5～20℃。
雾化喷嘴流速不得小于2m/s，喷射角度大于90°。
水冷测量模型外壁厚度为3～5mm。
本发明一种高温燃气风洞马赫数测量方法，步骤如下：
(1)调整支撑机构至待测位置上；
(2)准备测量装置，连接并紧固测量模型、支撑机构和供水机构间的连接螺栓；
(3)将相机镜头对准测量模型头部，调节相机曝光参数；
(4)打开供水管路，调节供水压力；
(5)启动测量装置，拍摄模型头部激波头像，得到头部激波角β；
(6)根据斜激波关系中尖楔半角θ、激波角β、马赫数M的关系式，计算出流场马赫数。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明利用高温燃气风洞发光特性，采用激波角测量方法实现风洞马赫数测量，测量方法简单有效；
(2)本发明水冷测量模型采用外壁和内芯组成式结构，外壁起承载及轮廓固定作用，内芯起水冷降温作用，两者功能区分，降低设计难度。同时两者螺纹连接，便于外壁易损件的拆卸更换；
(3)本发明水冷测量模型对热流较高的头部及热流较低的楔面采用不同冷却方式，头部采用沸腾换热冷却，楔面采用对流冷却方式，兼顾两者冷却效果，达到模型在高温环境下的热防护目的；
(4)本发明支撑机构内部设计有供水槽道，实现支撑和供水双重作用尾部供水模式对供水管路也实现了良好的防护，避免了高温气体对供水机构的影响。
(5)本发明将三个机构组件之间采用螺纹连接，易于反复拆装，提高测试效率。
附图说明
图1为本发明的示意图；
图2为水冷测量模型结构图；
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细描述。
本发明涉及一种高温燃气风洞马赫数测量装置及方法，该测量装置包括测量机构、支撑机构和供水机构，测量机构包括水冷测量模型和摄像组件。通过拍摄水冷测量模型绕流图像，获得模型头部激波角，计算得到风洞马赫数数据。其中水冷测量模型为尖楔外形，由外壁与内芯组成，外楔壁为薄壁外壳，用于承受外部气流载荷，内芯设有水冷槽道，对模型头部和楔面进行冷却,保护测量模型在测量时不受损坏；供水机构为模型提供高压冷却水；支撑机构内部设计有供水槽道，同时具备支撑和供水功能。本发明通过测量模型设计及供水流量控制，实现测量模型在燃气风洞下的高温热防护及模型头部激波角的稳定测量，提高了高温燃气风洞马赫数测量精度。
如图1所示为本发明测量装置结构图，由图可知该测量装置包括测量机构、支撑机构、供水机构。装置利用高温燃气风洞发光特性，采用激波角测量方法实现风洞马赫数测量，测量方法简单有效。三个机构组件之间采用螺纹连接，易于反复拆装，提高测试效率。测量机构包括水冷测量模型和摄像组件。支撑机构底部固定，内部设计有供水槽道，实现支撑和供水双重作用，尾部供水模式对供水管路也实现了良好的防护，避免了高温气体对供水机构的影响。支撑机构供水槽道末端与供水机构的供水管路连接，前端与测量模型中心供水槽道相连。测量模型与支撑机构之间，支撑机构与供水机构之间均采用螺纹连接方式，安装完成后的测量模型中心线与喷管轴线平行。
本发明的一种高温燃气风洞马赫数测量装置，包括：测量机构、支撑机构、供水机构；测量机构包括水冷测量模型和摄像组件，如图2所示，所述水冷测量模型为尖楔形状，由外壁与内芯组成，用于产生马赫数测量所需要头部激波角。外壁与内芯采用螺纹连接。摄像组件为照相设备，用于水冷测量模型头部激波角的拍摄。水冷测量模型外壁为薄壁外壳，用于承受外部气流载荷，内芯前端镂空，后端包括支撑耳片、楔面冷却槽道、中心供水槽道和喷嘴；冷却水从模型后端由中心供水槽道流经模型头部和楔面后由头部缝隙和楔面冷却槽道流出，用于对模型头部和楔面进行冷却。所述中心供水槽道后端与支撑机构螺纹连接，前端与喷嘴螺纹连接。支撑机构底部固定，与水冷测量模型内芯后端螺纹连接，安装完成后的水冷测量模型中心线与高温燃气风洞喷管轴线平行。支撑机构内部设有供水槽道，供水槽道末端直接与供水机构供水管路螺纹连接，供水槽道前端与水冷测量模型水冷通道相连。供水机构能够为水冷测试模型提供高压冷却水。
水冷测量模型为尖楔外形，尖楔角度为2θ，尖楔宽度为L，高度为H，尖楔宽度L略小于喷管出口直径，并与后端支撑机构尺寸匹配，尖楔高度H不小于尖楔宽度L；尖楔半角θ的选取满足：(1)在所测定的M数范围内，斜激波角β随马赫数的变化率尽可能大，(2)模型角度不接近或超出激波附体的最大允许偏转角。(3)保证图像拍摄清楚的前提小，θ角选小的角度值，θ愈大，愈小，能测量的M数范围就愈窄。当测量马赫数范围在2～4之间时，水冷测量模型尖楔半角选取范围20～40°。
照相设备的指标要求为：快门速度1/1200～1/800，光圈6.0～8.0，或可采用加滤镜的方法减弱光线，取得模型和激波形状的清晰图像，照相设备的镜头正对位置为水冷测量模型头部。
供水机构具备流量调节功能，高压冷却水压力P变化范围：1～5Mpa,流量为10～40kg/h，冷却水温度5～20℃。
高温燃气风洞喷管的喷嘴为雾化喷嘴，高温燃气风洞喷管的喷嘴为雾化喷嘴对准水冷测量模型尖部，雾化喷嘴流速不得小于2m/s，喷射角度大于90°。水冷测量模型外壁厚度为3～5mm。
供水机构所提供高压冷却水压力P由沸腾换热冷却公式计算得到式中，Tw为对应的水冷模型材料耐受温度，单位为摄氏度，优选合金钢材料为180～1500℃；Ts为冷却水在压力P(单位为pa)下的饱和温度，当高压水压力在1～5Mpa时，优选Ts变化范围在180～240℃；q是水冷模型头部热流，单位为W/m2，优选范围1～50W/m2；η为效率系数，优选取值0.5～1。压冷却水压力P的计算及选取对模型头部在高温环境下的热防护起主要作用，预估水冷模型头部热流范围，确定供水压力参数，降低了供水机构的设计或选型成本。
水冷测量模型为尖楔形状，为满足流动要求，尖楔模型头部要有一定的宽度，取尖楔宽度L略小于喷管出口直径，同时与后端支撑机构尺寸匹配。尖楔半角θ的选取满足：(1)在所测定的M数范围内，斜激波角β随马赫数的变化率尽可能大，(2)模型角度不接近或超出激波附体的最大允许偏转角。(3)保证图像拍摄清楚的前提小，θ角选小的角度值。θ愈大，愈小，能校测的M数范围就愈窄。参考风洞喷管出口马赫数设计值，选取合适尖楔角度，保证在头部产生较强的激波，并具有明显斜激波角。
水冷测量模型由外壁与内芯组成，外壁起承载及轮廓固定作用，内芯起水冷降温作用，两者功能区分，降低设计难度。外壁与内芯采用螺纹连接，便于外壁易损件的拆卸更换；水冷测量模型外壁为薄壁外壳，内芯前端镂空，后端包括支撑耳片、楔面冷却槽道、中心供水槽道和雾化喷嘴，如图2所示为内芯结构示意图，冷却水从模型后端进入，经由中心供水槽道到达雾化喷嘴，流经楔面、头部后由头部缝隙和楔面冷却槽道流出。根据供水压力对喷嘴参考选型，确定喷嘴外径d，喷射角度δ的选取应尽可能覆盖尖楔宽度L。
头部冷却槽道高度h根据喷嘴喷射角度δ、尖楔宽度L计算得出:h＝0.5*cot(δ/2)*L；楔面冷却槽道高度l根据尖楔宽度L和喷嘴孔径d计算得出：l＝(L-d)/2；楔面冷却槽道宽度b根据尖楔半角θ、头部冷却槽道高度h和喷嘴外径d计算得出：b＝0.5*(h*tan(θ)-d)。
高温燃气风洞马赫数测量方法，其优选测试过程如下：
(1)左右或前后调整支撑机构位置，将其固定于待测位置点；
(2)准备测量装置，连接并紧固水冷测量模型与支撑机构间的连接螺栓，将测量模型安装至支撑机构上；连接并紧固支撑机构与供水机构间的连接螺栓，使供水机构的供水管路与支撑机构内部供水槽道末端连接；安装完成后的水冷测量模型中心线应与高温燃气风洞喷管轴线平行；
(3)将相机镜头瞄准准测量模型头部，相机镜头范围尽可能能覆盖模型头部区域；调节相机拍照参数，保证模型和激波形状图像拍摄清晰度；
(4)预估待测位置处模型头部热流，计算所需冷却水压力，调节供水机构供水压力至需求值，并打开供水管路；
(5)开启整个测量装置，在风洞启动后拍摄模型头部激波头像，通过对拍摄照片的图像处理获得待测位置处水冷测量模型头部激波角β；
(6)根据斜激波关系中尖楔半角θ、激波角β、马赫数M的优选关系式：计算出流场马赫数。式中θ为水冷模型半楔角度，β为拍摄得到的激波角，γ为风洞介质比热比:1.15～1.3，A为中间参数，M即为高温燃气风洞待测点位置处的马赫数。
经测试,本发明所提供的一种高温燃气风洞马赫数测量装置,设计成本较低,应用性较强,测量精度小于5％。
本发明利用高温燃气风洞发光特性，采用激波角测量方法实现风洞马赫数测量，测量方法简单有效；水冷测量模型采用外壁和内芯组成式结构，外壁起承载及轮廓固定作用，内芯起水冷降温作用，两者功能区分，降低设计难度。同时两者螺纹连接，便于外壁易损件的拆卸更换；且水冷测量模型对热流较高的头部及热流较低的楔面采用不同冷却方式，头部采用沸腾换热冷却，楔面采用对流冷却方式，兼顾两者冷却效果，达到模型在高温环境下的热防护目的；支撑机构内部设计有供水槽道，实现支撑和供水双重作用尾部供水模式对供水管路也实现了良好的防护，避免了高温气体对供水机构的影响。

Claims (10)

1.一种高温燃气风洞马赫数测量装置，其特征在于：包括测量机构、支撑机构、供水机构；
测量机构包括水冷测量模型和摄像组件，所述水冷测量模型为尖楔形状，由外壁与内芯组成，产生马赫数测量所需要头部激波角；外壁与内芯采用螺纹连接；所述摄像组件为照相设备，拍摄水冷测量模型头部激波角；
水冷测量模型外壁为薄壁外壳，承受外部气流载荷，内芯前端镂空，后端包括支撑耳片、楔面冷却槽道、中心供水槽道和喷嘴；冷却水从水冷测量模型后端由中心供水槽道流经模型头部和楔面后，由头部缝隙和楔面冷却槽道流出，对模型头部和楔面进行冷却；
支撑机构底部固定，与水冷测量模型内芯后端连接，安装完成后的水冷测量模型中心线与高温燃气风洞喷管轴线平行；支撑机构内部设有供水槽道，供水槽道末端直接与供水机构供水管路螺纹连接，供水槽道前端与水冷测量模型水冷通道相连；供水机构为水冷测试模型提供高压冷却水。
2.根据权利要求1所述的一种高温燃气风洞马赫数测量装置，其特征在于：水冷测量模型为尖楔外形，尖楔角度为2θ，尖楔宽度为L，高度为H，尖楔宽度L略小于喷管出口直径，并与后端支撑机构尺寸匹配，尖楔高度H不小于尖楔宽度L；尖楔半角θ的选取满足：(1)在所测定的M数范围内，斜激波角β随马赫数的变化率尽可能大，(2)模型角度不接近或超出激波附体的最大允许偏转角；(3)保证图像拍摄清楚的前提小，θ角选小的角度值，θ愈大，愈小，能测量的M数范围就愈窄，当测量马赫数范围在2～4之间时，水冷测量模型尖楔半角选取范围20～40°。
3.根据权利要求1所述的一种高温燃气风洞马赫数测量装置，其特征在于：照相设备的指标要求为：快门速度1/1200～1/800，光圈6.0～8.0。
4.根据权利要求1所述的一种高温燃气风洞马赫数测量装置，其特征在于：照相设备采用加滤镜的方法减弱光线，取得模型和激波形状的清晰图像。
5.根据权利要求1所述的一种高温燃气风洞马赫数测量装置，其特征在于：照相设备的镜头正对位置为水冷测量模型头部。
6.根据权利要求1所述的一种高温燃气风洞马赫数测量装置，其特征在于：供水机构具备流量调节功能，中心供水槽道后端与支撑机构螺纹连接，前端与喷嘴螺纹连接。
7.根据权利要求1所述的一种高温燃气风洞马赫数测量装置，其特征在于：高压冷却水压力P变化范围：1～5Mpa，高压冷却水温度5～20℃。
8.根据权利要求1所述的一种2高温燃气风洞马赫数测量装置，其特征在于：高温燃气风洞喷管的喷嘴为雾化喷嘴，流速不小于2m/s，喷射角度大于90°。
9.根据权利要求1所述的一种高温燃气风洞马赫数测量装置，其特征在于：水冷测量模型外壁厚度为3～5mm。
10.一种高温燃气风洞马赫数测量方法，其特征在于步骤如下：
(1)调整支撑机构至待测位置上；
(2)准备测量装置，连接并紧固测量模型、支撑机构和供水机构间的连接螺栓；
(3)将相机镜头对准测量模型头部，调节相机曝光参数；
(4)打开供水管路，调节供水压力；
(5)启动测量装置，拍摄模型头部激波头像，得到头部激波角β；
(6)根据斜激波关系中尖楔半角θ、激波角β、马赫数M的关系式，计算出流场马赫数。
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