CN108458852B - 一种高温风洞快速变温变压装置及变温变压方法 - Google Patents

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Abstract

一种高温风洞快速变温变压装置及变温变压方法，属于高温风洞技术领域，针对在一定的压力和流量条件下单一的调节方式无法满足高马赫数高温风洞的需求，提出以下技术方案，其技术要点是，包括主进气管、第一环形进气管、第二环形进气管、稳压箱和出气管，主进气管左侧安装有第一环形进气管，第二环形进气管设置在主进气管的另一侧，第一环形进气管和第二环形进气管与主进气管连接处设有开口，主进气管与稳压箱的一端相连，稳压箱的另一端与出气管相连，自动换算冷热气流的流量比通过加设背压阀组，过滤调解过程中的总压波动，保证调节过程中的总温值和总压阀值的上限恒定，避免了调压阀的开度和冷热管道流量的联动，从而保证系统总压的快速调节。

Description

一种高温风洞快速变温变压装置及变温变压方法
技术领域
本发明涉及高温风洞技术领域，尤其涉及一种高温风洞快速变温变压装置及变温变压方法。
背景技术
随着航空航天技术的不断发展，临近空间高马赫飞行器的研制越来越受到关注，相比较传统的飞机和弹射类飞行器，高马赫飞行器飞行包线十分宽广，呈现出高度范围广、飞行马赫数范围宽的特点，气动问题复杂度大大增加，复杂的流动物理过程给一体化设计带来了严峻的挑战，尽可能模拟实际的流动过程对地面风洞实验设备提出了很高的要求，高马赫数飞行器要保持在一个动压范围内持续飞行，除了巡航外，飞行过程中一些特殊工况(如加速和减速过程中引起的飞行马赫数变化)，一方面会导致飞行器整体性能的变化及动态响应预测困难，另一方面导致发动机内部流动参数变化较大，直接影响燃烧室工作的状态，为了研究高马赫数飞行器在来流条件下变化的性能，要求地面实验设备能够尽可能准确地模拟飞行器的真实工作环境。
常规高温风洞采用固块喷管实验，无法模拟非正常的飞行过程，很大程度上限制了高马赫数飞行器的发展，高温变马赫数风洞是地面试验设备中实现流场变化的有效途径，采用柔壁喷管或旋转喷管的方式，实现喉道截面积实时可调，但目前高温变马赫数方案均只能实现飞行速度的快速变化，不能实现沿某一飞行包线的温度和压力实时可调，一般情况下最常用的变压变温方式是通过调压阀门及燃烧加热器的调节达到控压和控温的目的，一旦需要模拟在一定压力、流量条件下同时获得与之相匹配高温气流的复杂飞行状态变化过程时，单一的调节方式便无法满足高马赫数高温风洞的实际需要。
发明内容
本发明设计为了克服了上述现有技术的不足，提供了一种高温风洞快速变温变压装置及变温变压方法。
本发明设计一种高温风洞快速变温变压装置及变温变压方法，包括主进气管，环形掺混管道、稳压箱和出气管，所述主进气管为圆形长管，主进气管与环形掺混管道汇流后与稳压箱的一端连通，稳压箱的另一端与出气管连通，所述主进气管上安装有耐高温流量调节阀，耐高温流量调节阀左右两侧分别安装有第一耐高温流量计和第一热电偶，主进气管上还安装有第一耐高温总压探针，第一耐高温总压探针与第一热电偶对向设置安装在主进气管上，所述的环形掺混管道的数量为两根，两根环形掺混管道对称设置在主进气管的左右两侧，环形掺混管道上安装有流量调节阀，流量调节阀左侧设有第二流量计，流量调节阀的右侧设有第二总压探针和第二热电偶，第二流量计、第二总压探针和第二热电偶均安装在环形掺混管道上，所述主进气管、稳压箱和出气管同轴布置安装，出气管长度方向的横轴中心线上安装有耐高温压力调节阀，耐高温压力调节阀左侧间距设有第三耐高温总压探针、第三热电偶和耐高温背压阀组，耐高温压力调节阀右侧间距设有第四耐高温总压探针和第四热电偶，出气管上还连通有变马赫数喷管。
进一步地，所述一种高温风洞快速变温变压方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、进行主管路内热气流的总温、总压数据采集；
在高温热气流主管路中，高温气流经过第一耐高温流量计进行流量测量，并通过耐高温流量调节阀的调节后，利用第一耐高温总压探针和第一热电偶分别进行总温、总压值的数据采集；
步骤2、进行环形掺混管道内冷气流的总温、总压数据采集；
环形掺混管道中，常温冷气流经过第二流量计进行流量测量，并通过流量调节阀的调节后，利用第二总压探针和第二热电偶分别进行总温、总压值的数据采集；
步骤3、采集掺混后气流的总压和总温；
高温热气流主管路中的高温气流和环形掺混管道中的常温冷气流掺混后全部流入稳压箱进行掺混稳压，两股气流混合后进入出气管，并由安装在出气管上的第三耐高温总压探针和第三热电偶分别采集掺混后气流的总压和总温值；
步骤4、完成总温总压调节；
首先通过背压阀组，将出气管内气流总压限定一个范围值，然后根据耐高温压力调节阀上游第三耐高温总压探针和第三热电偶采集的总压总温值与耐高温压力调节阀下游第四耐高温总压探针和第四热电偶测得的试验所需总压总温值进行差值计算，并结合步骤1中采集的主管路内热气流的总温、总压数据和步骤2中采集的环形掺混管道内冷气流的总温、总压数据，获得安装在主管路上的耐高温流量调节阀、安装在环形掺混管道上的流量调节阀和安装在出气管上的耐高温压力调节阀的阀门开度调节值，进而实现高温风洞快速变温变压调节。
本发明的有益效果为：本发明可以根据不同的实验工况，自动换算冷热气流的流量比，进而传输给控制系统，强制指定比例，保证了调节过程中总温值的恒定，通过加设背压阀组，过滤调节过程中的总压波动，保证调节过程中的总压阀值的上限，避免了调压阀的开度和冷热管道流量的联动，从而保证系统总压的快速调节。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图；
图2为本发明的主管道结构示意图；
图3为本发明的系统结构数据图。
图中：1-主进气管，2-环形掺混管道，3-第一耐高温流量计，4-第二流量计，5-耐高温流量调节阀，6-流量调节阀，7-第一耐高温总压探针，8-第二总压探针，9-第一热电偶，10-第二热电偶，11-稳压箱，12-第三耐高温总压探针，13-第三热电偶，14-耐高温背压阀组，15-耐高温压力调节阀，16-第四耐高温总压探针，17-第四热电偶，18-变马赫数喷管，19-出气管。
具体实施方式
具体实施方式一、以下将结合附图1至3，对本发明进行详细说明：
本发明的一种高温风洞快速变温变压装置及变温变压方法，包括主进气管1，环形掺混管道2、稳压箱11和出气管19，所述主进气管1为圆形长管，主进气管1与环形掺混管道2汇流后与稳压箱11的一端连通，稳压箱11的另一端与出气管19连通，主进气管1为高温的热流气体，环形掺混管道2为常温冷气体，汇合后进入稳压箱11进行稳压，防止压力过高发生危险，主进气管1上安装有耐高温流量调节阀5，耐高温流量调节阀5左右两侧分别安装有第一耐高温流量计3和第一热电偶9，主进气管1上还安装有第一耐高温总压探针7，第一耐高温总压探针7与第一热电偶9对向设置安装在主进气管1上，由于主进气管1为高温的热气流气体，防止温度过高将工作部件进行损坏，防止发生危险，环形掺混管道2的数量为两根，两根环形掺混管道2对称设置在主进气管1的左右两侧，环形掺混管道2上安装有流量调节阀6，流量调节阀6左侧设有第二流量计4，流量调节阀6的右侧设有第二总压探针8和第二热电偶10，第二流量计4、第二总压探针8和第二热电偶10均安装在环形掺混管道2上，总压探针测量管道中气体的压力，流量计测量管道中的流量速度，热电偶检测管道中的热流，主进气管1、稳压箱11和出气管19同轴布置安装，出气管19长度方向的横轴中心线上安装有耐高温压力调节阀15，调节阀的目的是调节开度，可以随时保持在一个稳定的状态，方便操作，耐高温压力调节阀15左侧间距设有第三耐高温总压探针12、第三热电偶13和耐高温背压阀组14，耐高温压力调节阀15右侧间距设有第四耐高温总压探针16和第四热电偶17，出气管19上还连通有变马赫数喷管18。
具体实施方式二、以下将结合附图1至3，对本发明进行详细说明：
一种高温风洞快速变温变压方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、进行主管路内热气流的总温、总压数据采集；
在高温热气流主管路1中，高温气流经过第一耐高温流量计3进行流量测量，并通过耐高温流量调节阀5的调节后，利用第一耐高温总压探针7和第一热电偶9分别进行总温、总压值的数据采集；
步骤2、进行环形掺混管道内冷气流的总温、总压数据采集；
环形掺混管道2中，常温冷气流经过第二流量计4进行流量测量，并通过流量调节阀6的调节后，利用第二总压探针8和第二热电偶10分别进行总温、总压值的数据采集；
步骤3、采集掺混后气流的总压和总温；
高温热气流主管路1中的高温气流和环形掺混管道2中的常温冷气流掺混后统统流入稳压箱11进行掺混稳压，两股气流混合后进入出气管19，并由安装在出气管19上的第三耐高温总压探针12和第三热电偶13分别采集掺混后气流的总压和总温值；
步骤4、完成总温总压调节；
首先通过背压阀组14，将出气管19内气流总压限定一个范围值，然后根据耐高温压力调节阀15上游第三耐高温总压探针12和第三热电偶13采集的总压总温值与耐高温压力调节阀15下游第四耐高温总压探针16和第四热电偶17测得的试验所需总压总温值进行差值计算，并结合步骤1中采集的主管路内热气流的总温、总压数据和步骤2中采集的环形掺混管道内冷气流的总温、总压数据，获得安装在主管路1上的耐高温流量调节阀5、安装在环形掺混管道2上的流量调节阀6和安装在出气管19上的耐高温压力调节阀15的阀门开度调节值，进而实现高温风洞快速变温变压调节。
将Ma4来流总温总压调节至所需Ma来流总温总压的过程为例，详细描述装置的调温调压原理，根据质量守恒定律、能量守恒定律、单位质量空气的焓值与温度关系式，稳压箱中的气流参数可由以下方程得到，
m1+m2＝m3 (1)
m1h1+m2h2＝m3h3 (2)
h＝Cp×T (3)
Cp＝0.9956+0.000093×(T-273.15) (4)
由质量守恒定律可得，两股气流混合后的质量等于两股气流质量之和，两股气流总温可以通过以上的关系式求得，通过计算，300K和1000K总温下空气Cp值仅相差3％，因此忽略Cp值随温度变化对计算结果的影响，将方程(2)简化为方程(5)：
在合流后的气流管道内加装一调压阀，同样根据质量、能量两大守恒定律，调压阀并不改变气流的总温和质量流量m3，仅改变将气流总压/>改为/>且/>
由于在调温调压过程中，喷过内的流量m4并不是恒定的，m4受喷管尺寸和管内气流状态决定，根据流量关系式，可得出以下关系式，
方程(6)中，q(λ)值由马赫数决定，为试验所需来流总温、总压和马赫数，A为喷管喉道面积，联立方程(1)(5)(6)可得，m1＝k*m2，其中系数k可以通过联立方程解出。那么，m1/m2已知。强制该比例k不变，同时增大主管路和环形掺混管路的调压阀后的总压，无论哪个时刻，掺混后气流总温均不变，为实验点总温。
然而在管内流量逐步增加的过程中，冷热气流管内总压压力也随之逐步升高，混合后的气流总压也逐步升高，为了保证出口压力为实验点总压，在调节过程中耐高温压力调节阀15的开度会不断变化，反过来会影响上游主副管路的流量调节，这样必然会出现对调节时间变长、调压过程中压力不稳定等问题，因此，在耐高温压力调节阀15前加背压阀来对/>的最高值进行限制，例如实验点Ma3.5的总压值为2.94bar，则将背压阀设为略高于该点的数值，如3bar，当上游主辅管路不断增压增加流量的过程中，一旦耐高温压力调节阀15前的总压超过3bar，背压阀激活放气，同时停止上游主辅管路的打压。由于实验点参数范围变化较广，单个背压阀门调节压力范围有限，设计加装一组不同压力范围的背压阀组，来满足不同实验点下的总压调节需要。根据已调好的/>值、实验点总压值/>和耐高温压力调节阀15的特性曲线，阀门开度确定。至此装置完成总温总压调节，管内总温总压值达到实验点状态。
以上实施例只是对本专利的示例性说明，并不限定它的保护范围，本领域技术人员还可以对其局部进行改变，只要没有超出本专利的精神实质，都在本专利的保护范围内。

Claims (3)

1.一种高温风洞快速变温变压装置，其特征在于，包括主进气管（1），环形掺混管道（2）、稳压箱（11）和出气管（19），所述主进气管（1）为圆形长管，主进气管（1）与环形掺混管道（2）汇流后与稳压箱（11）的一端连通，稳压箱（11）的另一端与出气管（19）连通；
所述主进气管（1）上安装有耐高温流量调节阀（5），耐高温流量调节阀（5）左右两侧分别安装有第一耐高温流量计（3）和第一热电偶（9），主进气管（1）上还安装有第一耐高温总压探针（7），第一耐高温总压探针（7）与第一热电偶（9）对向设置安装在主进气管（1）上；
所述的环形掺混管道（2）的数量为两根，两根环形掺混管道（2）对称设置在主进气管（1）的左右两侧，环形掺混管道（2）上安装有流量调节阀（6），流量调节阀（6）左侧设有第二流量计（4），流量调节阀（6）的右侧设有第二总压探针（8）和第二热电偶（10），第二流量计（4）、第二总压探针（8）和第二热电偶（10）均安装在环形掺混管道（2）上；
在主进气管（1）中，高温气流经过第一耐高温流量计（3）进行流量测量，并通过耐高温流量调节阀（5）的调节后，利用第一耐高温总压探针（7）和第一热电偶（9）分别进行总压总温值的数据采集；
环形掺混管道（2）中，常温冷气流经过第二流量计（4）进行流量测量，并通过流量调节阀（6）的调节后，利用第二总压探针（8）和第二热电偶（10）分别进行总压总温值的数据采集；
高温风洞快速变温变压调节的实现方法具体为：首先通过背压阀组（14），将出气管（19）内气流总压限定一个范围值，然后根据耐高温压力调节阀（15）上游第三耐高温总压探针（12）和第三热电偶（13）采集的总压总温值与耐高温压力调节阀（15）下游第四耐高温总压探针（16）和第四热电偶（17）测得的试验所需总压总温值进行差值计算，并结合采集的主进气管（1）内热气流的总温、总压数据和采集的环形掺混管道内冷气流的总温、总压数据，获得安装在主进气管（1）上的耐高温流量调节阀(5)、安装在环形掺混管道（2）上的流量调节阀（6）和安装在出气管（19）上的耐高温压力调节阀（15）的阀门开度调节值，进而实现高温风洞快速变温变压调节。
2.根据权利要求1所述的一种高温风洞快速变温变压装置，其特征在于，所述主进气管（1）、稳压箱（11）和出气管（19）同轴布置安装，出气管（19）长度方向的横轴中心线上安装有耐高温压力调节阀（15），耐高温压力调节阀（15）左侧间距设有第三耐高温总压探针（12）、第三热电偶（13）和耐高温背压阀组（14），耐高温压力调节阀（15）右侧间距设有第四耐高温总压探针（16）和第四热电偶（17），出气管（19）上还连通有变马赫数喷管（18）。
3.一种高温风洞快速变温变压方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、进行主进气管内热气流的总温、总压数据采集；
在高温热气流主进气管（1）中，高温气流经过第一耐高温流量计（3）进行流量测量，并通过耐高温流量调节阀（5）的调节后，利用第一耐高温总压探针（7）和第一热电偶（9）分别进行总压总温值的数据采集；
步骤2、进行环形掺混管道内冷气流的总压总温值数据采集；
环形掺混管道（2）中，常温冷气流经过第二流量计（4）进行流量测量，并通过流量调节阀（6）的调节后，利用第二总压探针（8）和第二热电偶（10）分别进行总压总温值的数据采集；
步骤3、高温热气流主进气管（1）中的高温气流和环形掺混管道（2）中的常温冷气流掺混后全部流入稳压箱（11）进行掺混稳压，两股气流混合后进入出气管（19），并由安装在出气管（19）上的第三耐高温总压探针（12）和第三热电偶（13）分别采集掺混后气流的总压和总温值；
步骤4、完成总温总压调节；
首先通过背压阀组（14），将出气管（19）内气流总压限定一个范围值，然后根据耐高温压力调节阀（15）上游第三耐高温总压探针（12）和第三热电偶（13）采集的总压总温值与耐高温压力调节阀（15）下游第四耐高温总压探针（16）和第四热电偶（17）测得的试验所需总压总温值进行差值计算，并结合步骤1中采集的主进气管（1）内热气流的总温、总压数据和步骤2中采集的环形掺混管道内冷气流的总温、总压数据，获得安装在主进气管（1）上的耐高温流量调节阀（5）、安装在环形掺混管道（2）上的流量调节阀（6）和安装在出气管（19）上的耐高温压力调节阀（15）的阀门开度调节值，进而实现高温风洞快速变温变压调节。
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