CN108168832A - 一种提高管风洞试验雷诺数的喉道结构 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种提高管风洞试验雷诺数的喉道结构，上游段，过渡段和下游段自左至右构成所述喉道结构，上游段，过渡段和下游段之间由法兰固定，所述喉道结构放置于风洞试验的管风洞驱动段和实验段之间，上游段的喉道结构为亚声速膨胀段的锥形结构形式，过渡段中部含多喉道并联喷管结构，下游段中部为收缩的下游喷管，右端为超声速膨胀段。本发明的喉道结构，仅需对管风洞做局部改造，靠气动原理来满足要求，结构简单、可靠，通过在过渡段中增加整流装置，还能够进一步缩短风洞启动时间以及提高试验段流场品质。

Description

一种提高管风洞试验雷诺数的喉道结构
技术领域
本发明涉及到管风洞设备领域，具体而言，涉及一种提高管风洞试验雷诺数的喉道结构。
背景技术
管风洞是高Ma数脉冲型地面试验设备的一种，洞体由一根长的等直径管子，一端密封、另一端装有膜片或快速阀，下游接喷管、试验段和真空罐组成。管风洞的有效试验时间取决于管体的长度和内径，当膜片破裂或阀门开启后，等直段中的高压气体将向喷管下游的真空球膨胀，产生一束膨胀波，在膨胀波之后会有一段均匀气流，可供模型试验及测量用。
由于管风洞建设及使用成本较低、参数调节方便、流场品质高等优点，已经在亚声速、跨声速领域得到了应用，近年来在超声速及高超声速领域也得到了发展，体现出了在宽速域范围内的应用潜力。
在风洞驱动段管径确定的情况下，考虑风洞流量对驱动管内流速的影响，喷管出口尺寸随运行Ma数增加而减小，但是允许的模型堵塞比随运行Ma数增加却成相反的变化趋势。因此在低Ma数运行条件下，由于运行总压相对较低、模型尺寸小，使得试验雷诺数较小。试验雷诺数反应了粘性影响的程度，对试验模型的气动力/热特性有较大的影响，因此试验雷诺数范围是衡量风洞性能的一项重要指标。
目前提高风洞试验雷诺数主要有以下几种措施：一种最常用的手段是增加运行总压，从而在相同运行Ma数下，试验段压力升高、密度增加；另一种是增大稳定段的结构尺寸，提高试验段有效试验区面积，使得允许的模型尺寸加大。对管风洞而言，提升驱动段压力对管体承压设计提出了更高的要求，使得管壁厚度及结构重量进一步增加，增大驱动段管径会带来洞体尺寸的增加。因此如何在不改变驱动段结构尺寸条件下，提升低运行Ma数下的试验雷诺数成为研究重点。
发明内容
本发明提出一种提高管风洞试验雷诺数的喉道结构，以解决现有技术在宽Ma数管风洞设计中难以兼顾低Ma数运行时试验雷诺数较低的问题。
考虑到现有技术的上述问题，根据本发明公开的一个方面，本发明采用以下技术方案：
一种提高管风洞试验雷诺数的喉道结构，为一种双膨胀-多喉道结构，包括上游段，过渡段和下游段，其中上游段，过渡段和下游段自左至右构成所述喉道结构，上游段，过渡段和下游段之间由法兰固定，所述喉道结构放置于风洞试验的管风洞驱动段和实验段之间，上游段左端与管风洞驱动段固定连接，连接处设有膜片，下游段的右端与实验段固定连接，上游段的喉道结构为亚声速膨胀段的锥形结构形式，左端喉道截面积小，右端喉道截面积大，过渡段中部含多喉道并联喷管结构，所述多喉道并联喷管结构具有多个并联的锥形喷管，用于在多喉道并联喷管结构入口产生声速线，下游段中部为收缩的下游喷管，右端为超声速膨胀段，所述超声速膨胀段也是一种锥形结构形式，左端喉道连接下游喷管，截面积小，右端喉道连接实验段，截面积大，锥形壁面为曲面。
其特征在于，所述喉道结构的工作介质是空气，或除空气外的其他气态介质。
其特征在于，所述喉道结构的流道截面形状为矩形或圆形。
其特征在于，所述多喉道并联喷管结构内部设有整流装置，用于整合流体，提高流场品质，所述整流装置为阻尼网或蜂窝器。
其特征在于，过渡段内多喉道并联喷管结构为整个内流通道的限流结构，下游喷管的截面积应大于多喉道并联喷管结构入口截面积之和，同时还应小于下游喷管允许的极限取用面积，该面积是满足所述喉道结构正常工作的最小面积。
有益效果：
本发明的喉道结构，仅需对管风洞做局部改造，所提出的双膨胀-多喉道结构可直接与风洞管体连接，在工程实际应用中具有可操作性。本发明的没有复杂的作动控制机构，过渡段中多喉道并联喷管结构和下游喉道及超声速膨胀段可以按照试验雷诺数要求进行更换，靠气动原理来满足要求，结构简单、可靠。通过在过渡段中增加整流装置，还能够进一步缩短风洞启动时间以及提高试验段流场品质。
附图说明
图1示出了提高管风洞试验雷诺数的喉道结构示意图。
图2示出了提高管风洞试验雷诺数的喉道结构实际工作状态下流场特性示意图。
图3(a)示出了本发明过渡段中多喉道并联喷管结构入口示意图。
图3(b)示出了本发明过渡段中多喉道并联喷管结构出口示意图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
如图1所示，本发明提供的一种提高管风洞试验雷诺数的喉道结构，上游亚声速膨胀段直接与脉冲型风洞管体连接，下游喉道及超声速膨胀段用于产生满足试验需要的气流条件。本发明的喉道结构工作启动过程描述如下：
当膜片破裂或快速阀开启后，管风洞驱动段中高压气体在膨胀波作用下，以亚声速进入双喷管-多喉道结构，在过渡段中并联喷管多喉道处首先达到声速，并进一步加速到超声速，在多喉道并联喷管结构出口形成混合层结构；随着气流向下游运动，在下游段处同时达到声速，对内流通道形成堵塞，出现激波串结构并与混合层相互干扰，最终激波串位置趋于稳定，流动结构建立。
如图2所示，根据本发明的喉道结构处于工作状态时，激波串结构会稳定在过渡段中的某个位置。其设计方法最重要的就是要确定下游喷管极限取用面积，多喉道并联喷管单个喷管Ma数与进口进出口面积的关系式为：
其中，Ai,out为单个喷管出口面积，为单个喷管喉道面积，Mi为单个喷管对应的Ma数，Aout为下游超声速膨胀段出口面积，为下游喷管喉道面积，M2为下游超声速膨胀段出口Ma数，r为气体的比热比。
进一步地，当多喉道并联喷管每个喷管Ma数同为M1时，极限状态时，多喉道并联喷管喉道与下游喷管喉道总压有如下关系式：
其中，P10为上游并联喷管喉道总压，P20为下游喉道总压。
进一步地，根据上下游喉道处流量相等，可得到如下关系式：
其中，n为多喉道并联喷管喉道总数。当并联喷管型面采用锥形结构时，上述关系式可表示为：
其中，Ai,in为单个喷管进口面积。
进一步地，上述关系式在极限状态下可以展开为以下等价形式：
给定多喉道并联喷管出口总面积面积和统一设计Ma数M1：若同时限定下游超声速膨胀段设计Ma数为M2，则下游膨胀段出口存在最大极限可用面积(Aout)max；若同时限定下游膨胀段出口面积Aout，则下游膨胀段出口存在最小可用Ma数(M2)min。
进一步地，下游超声速膨胀段型线设计可根据无旋特征线理论得出，关系式如下：
Δy±＝λ±Δx±＝tg(θ±α)Δx±
其中，x为横坐标或轴向坐标，y为纵坐标或径向坐标，θ为当地气流方向角，α为当地马赫数角，u为沿横向或轴向流动速度，v为沿纵向或径向流动速度，a为当地声速，δ＝0表示二维流动，δ＝1表示轴对称流动。
本发明可以根据风洞试验雷诺数的需求，通过过渡段中多喉道并联喷管和下游喉道及超声速膨胀段设计配合来提高试验段有效试验面积，凡与本发明设计思路及工作原理相同的实施方案均在本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种提高管风洞试验雷诺数的喉道结构，为一种双膨胀-多喉道结构，包括上游段，过渡段和下游段，其中上游段，过渡段和下游段自左至右构成所述喉道结构，上游段，过渡段和下游段之间由法兰固定，所述喉道结构放置于风洞试验的管风洞驱动段和实验段之间，上游段左端与管风洞驱动段固定连接，连接处设有膜片，下游段的右端与实验段固定连接，上游段的喉道结构为亚声速膨胀段的锥形结构形式，左端喉道截面积小，右端喉道截面积大，过渡段中部含多喉道并联喷管结构，所述多喉道并联喷管结构具有多个并联的锥形喷管，用于在多喉道并联喷管结构入口产生声速线，下游段中部为收缩的下游喷管，右端为超声速膨胀段，所述超声速膨胀段也是一种锥形结构形式，左端喉道连接下游喷管，截面积小，右端喉道连接实验段，截面积大，锥形壁面为曲面。
2.如权利要求1所述的一种提高管风洞试验雷诺数的喉道结构，其特征在于，所述喉道结构的工作介质是空气，或除空气外的其他气态介质。
3.如权利要求1所述的一种提高管风洞试验雷诺数的喉道结构，其特征在于，所述喉道结构的流道截面形状为矩形或圆形。
4.如权利要求1所述的一种提高管风洞试验雷诺数的喉道结构，其特征在于，所述多喉道并联喷管结构内部设有整流装置，用于整合流体，提高流场品质，所述整流装置为阻尼网或蜂窝器。
5.如权利要求1所述的一种提高管风洞试验雷诺数的喉道结构，其特征在于，过渡段内多喉道并联喷管结构为整个内流通道的限流结构，下游喷管的截面积应大于多喉道并联喷管结构入口截面积之和，同时还应小于下游喷管允许的极限取用面积，该面积是满足所述喉道结构正常工作的最小面积。
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