CN108240898A - 一种脉冲型风洞串列喷管 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种脉冲型风洞串列喷管，包括上游喷管、等直连接段和下游喷管，上游喷管和下游喷管为两个马赫数不同的固块型面喷管，上游喷管和下游喷管流道中部各具有一个收缩喉道，上游喷管的收缩喉道截面积小于下游喷管的收缩喉道截面积，使上游喷管成为风洞串列喷管的几何喉道，等直连接段的流道内部设有整流装置，用于整合流体，提高流场品质。本发明的喷管没有复杂的作动控制机构，在工程实际应用中具有可操作性，结构简单、可靠，还能够进一步缩短喷管的启动时间以及提高试验段流场品质。
Description
技术领域
本发明属于脉冲型风洞试验领域，具体而言，涉及一种脉冲型风洞串列喷管。
背景技术
脉冲型风洞是高Ma数地面试验设备的一种，目的就是要尽可能复现飞行器的飞行环境，并结合测试技术，获得飞行器模型在这种环境下的气动参数。脉冲型风洞是由激波管发展起来的，根据运行方式的不同，有反射型激波风洞、炮风洞、自由活塞激波风洞、路德维希管风洞以及激波膨胀管风洞等多种类型。
喷管是脉冲型风洞的核心部件，作用就是为试验段模型提供满足要求的气流参数。其流场品质对设备的性能有重要的影响，因此气动设计的目的就是根据一定的理论基础获得满足设计要求的具有收缩-扩张形式的壁面型线。
目前国内外脉冲型风洞试验Ma数基本都在6.0以上：一方面基于激波管原理发展起来的脉冲型风洞由于存在“大喉道效应”(被驱动管径与喷管喉道尺寸不匹配)，使得设备很难应用到Ma数5以下；另一方面以路德维希管原理运行的脉冲型风洞虽然可以实现Ma数5以下运行，但是要求驱动段管径尺寸较大，难以做到宽Ma数运行下多喷管尺寸的统一。
传统的超/高超声速风洞喷管由亚声速收缩段、喉道段以及超声速扩张段组成。收缩段通常采用三次或五次光顺曲线；喉道段以跨声速流场解作为初值线；超声速扩张段以特征线理论为基础(结合附面层修正技术)，设计方法可归为两类：
一类是基于泉流假设的部分特征线设计法，如Foelsch方法、Crown方法。总的思路是利用前段多次曲线将喉部处的声速流变成转折点处的超声速泉流。这种方法的缺点是在转折点壁面曲线不可导，表现为流场内部有扰动，对喷管整体性能具有较大影响。为了提高喷管壁面的光顺性，在以上方法的基础上产生了具有连续曲率的改进设计方法，如Kenney通过在转折点后预先给定一段壁面型线来光滑过渡喷管型线。虽然改进方法在一定程度上改善了喷管流场品质，但都是采用了泉流假设，使得转折点前型线设计缺乏理论依据。
另一类是完全的特征线法，又可进一步分为直接特征线法和逆向特征线法。直接特征线法通过指定紧邻喉道后膨胀段曲线形式(如圆弧)，根据喷管设计Ma数确定边界特征线参数及位置。逆向特征线法通过给的轴向流动参数的分布(如轴向Ma数或速度分布)，结合流线追踪技术即可得到无粘边界。相比较而言，完全特征线法取消了泉流区假设，增强了喷管设计的理论基础，因此可能得到的流场品质更好。
从目前资料来看，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Ma数段扩展，如美国CUBRC LENS II激波风洞改造后Ma数范围为3.5-8.0，但是这种基于传统喷管的改造方案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Ma数运行范围，实现不同Ma数下的尺寸匹配成为研究重点。
发明内容
本发明提出一种脉冲型风洞串列喷管，以解决现有技术中难以在保证设备性能前提下实现宽Ma数范围内尺寸匹配的问题。
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：
一种脉冲型风洞串列喷管，包括上游喷管、等直连接段和下游喷管，其中，上游喷管、等直连接段和下游喷管自左至右构成所述风洞串列喷管，上游喷管、等直连接段和下游喷管之间由法兰固定，所述风洞串列喷管放置于风洞试验的风洞管体和实验段之间，上游喷管左端与风洞管体固定连接，连接处设有膜片，下游喷管的右端与实验段固定连接，上游喷管和下游喷管为两个马赫数不同的固块型面喷管，上游喷管和下游喷管流道中部各具有一个收缩喉道，上游喷管的收缩喉道截面积小于下游喷管的收缩喉道截面积，使上游喷管成为风洞串列喷管的几何喉道，等直连接段的流道内部设有整流装置，用于整合流体，提高流场品质。
其特征在于，所述风洞串列喷管的工作介质是空气，或除空气外的其他气态介质。
其特征在于，所述风洞串列喷管的流道截面形状为矩形、圆形或环形。
其特征在于，所述等直连接段中的整流装置为阻尼网或蜂窝器。
其特征在于，下游喷管的收缩喉道面积应大于上游喷管喉道面积，同时还应小于下游喷管允许的极限取用面积，该极限取用面积与两喷管的设计马赫数以及下游喷管的出口面积相关。
有益效果：
本发明的脉冲型风洞串列喷管是一种固定型面的设计方案，通过改变上下游喷管的设计Ma数以及出口面积比可以满足不同的需求。本发明的技术方案仅需对脉冲型风洞的喷管做局部改造，在工程实际应用中具有可操作性。本发明的串列喷管没有复杂的作动控制机构，靠气动原理实现不同尺寸的匹配，结构简单、可靠。通过在等直稳定段中增加整流装置，还能够进一步缩短喷管的启动时间以及提高试验段流场品质。
附图说明
图1示出了本发明的脉冲型风洞串列喷管的结构连接示意图。
图2示出了本发明的脉冲型风洞串列喷管的实际工作状态下流场结构特性示意图。
图3示出了本发明的脉冲型风洞串列喷管的上下游喷管内部特征线网格示意图。
图4示出了本发明实施例的串列喷管对称面内Ma数云图。
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，本发明提供的脉冲型风洞串列喷管方案，上游喷管直接与脉冲型风洞管体连接，下游喷管用于产生满足试验需要的气流条件，两段喷管均具有收缩-扩张的结构形式。
本发明的串列喷管工作过程如下：
亚声速气流在上游喷管入口进入收缩段不断加速，在上游喷管喉道处首先达到声速，气流在扩张段中进一步加速到超声速，直至达到上游喷管设计Ma数，上游喷管启动完成，流场建立；随着超声速气流继续向下游运动，在极限取用面积的限制下，下游喉道处达到声速，在整个内流通道中形成堵塞，为了匹配流量，在上下游喉道之间形成激波串结构，并逐渐向上游推进；最终激波串结构初始位置趋于稳定，下游喷管启动完成，风洞流场建立。
如图2所示，根据本发明的串列喷管处于工作状态时，激波串结构会稳定在上下游喉道之间的某个位置。其设计方法最重要的就是要确定下游喷管的喉道极限取用面积，由喷管内的流量公式可以推导出设计马赫数与出口面积的关系式为：
其中，A1为上游喷管出口面积，为上游喷管喉道面积，M1为上游喷管设计Ma数，A2为下游喷管出口面积，为下游喷管喉道面积，M2为下游喷管设计Ma数，r为气体的比热比。
进一步地，极限状态下上下游喷管进口总压有如下关系式：
其中，P10为上游喷管进口总压，P20为下游喷管进口总压。
进一步地，根据上下游喉道处流量相等，可得到如下关系式：
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：
给定上游喷管出口面积A1和设计Ma数M1：若同时限定下游喷管设计Ma数为M2，则下游喷管出口存在最大极限可用面积A2,max；若同时限定下游喷管出口面积A2，则下游喷管出口存在最小可用Ma数M2,min
进一步地，根据特征线理论设计喷管超声速扩张段型线，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。
如图3所示，由喉道跨声速解析解确定初始特征线，结合轴向马赫数分布(通常采用Bezier曲线或B样条曲线分布形式)得到喷管内部特征线网，在特征线网格上利用流线追踪技术即可得到超声段型线。
进一步地，根据直接求解附面层方程可以确定边界层的位移厚度，亚声速收缩段型线通常采用三次或五次曲线形式。
下面以一具体应用实例进一步说明本发明：
上游喷管出口直径尺寸300mm，设计Ma数为4.5，限定上下游喷管出口面积相等。根据上述实施步骤可以确定下游喷管最小可用Ma数为1.9。本应用实例中取下游喷管设计Ma数为3.5，运行总温750K，运行总压3.0bar。由图4可知，根据本发明的串列喷管处于正常工作状态，实现了脉冲型风洞试验段Ma数3.5和4.5两种工况下喷管尺寸的统一，且流场品质也得到了保证。
本发明可以根据尺寸匹配以及试验段流场需求，通过上下游喷管的设计Ma数以及出口面积比的配合来满足实际应用，上述实例是为了阐述本发明，不对本发明的保护范围构成限制。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)
1.一种脉冲型风洞串列喷管，包括上游喷管、等直连接段和下游喷管，其中，上游喷管、等直连接段和下游喷管自左至右构成所述风洞串列喷管，上游喷管、等直连接段和下游喷管之间由法兰固定，所述风洞串列喷管放置于风洞试验的风洞管体和实验段之间，上游喷管左端与风洞管体固定连接，连接处设有膜片，下游喷管的右端与实验段固定连接，上游喷管和下游喷管为两个马赫数不同的固块型面喷管，上游喷管和下游喷管流道中部各具有一个收缩喉道，上游喷管的收缩喉道截面积小于下游喷管的收缩喉道截面积，使上游喷管成为风洞串列喷管的几何喉道，等直连接段的流道内部设有整流装置，用于整合流体，提高流场品质。
2.如权利要求1所述的一种脉冲型风洞串列喷管，其特征在于，所述风洞串列喷管的工作介质是空气，或除空气外的其他气态介质。
3.如权利要求1所述的一种脉冲型风洞串列喷管，其特征在于，所述风洞串列喷管的流道截面形状为矩形、圆形或环形。
4.如权利要求1所述的一种脉冲型风洞串列喷管，其特征在于，所述等直连接段中的整流装置为阻尼网或蜂窝器。
5.如权利要求1所述的一种脉冲型风洞串列喷管，其特征在于，下游喷管的收缩喉道面积应大于上游喷管喉道面积，同时还应小于下游喷管允许的极限取用面积，该极限取用面积与两喷管的设计马赫数以及下游喷管的出口面积相关。
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