CN108760222B - 抽吸流量可调的静音风洞喷管 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种抽吸流量可调的静音风洞喷管，扩张段与收缩段两者之间的连通过渡部位设有沿风洞喷管径向布设并用于供收缩段壁面发展的湍流边界层内的湍流向外抽吸的抽吸缝。扩张段进流端的外圆上具有外凸的调节凸缘，扩张段进流端的外圆上还装设有抽吸调节环件。抽吸调节环件第一端端面与收缩段出流端的端面密封连接，以使由抽吸缝吸出的抽吸气体经由抽吸调节环件向外吸出。抽吸调节环件的第二端与调节凸缘配合设置，通过调节抽吸调节环件或扩张段沿轴向相对平移运动，以控制抽吸缝抽吸气体流量的大小。本发明中，可通过调节抽吸缝抽吸流量的大小，提高静音风洞喷管的性能和流场品质，也可改变抽吸缝抽吸流量的大小，改变静音喷管流场的湍流度。

Description

抽吸流量可调的静音风洞喷管

技术领域

本发明涉及风洞喷管领域，特别地，涉及一种抽吸流量可调的静音风洞喷管。

背景技术

风洞广泛的应用于导弹、高速飞行器、人造卫星、航天飞机、空天飞机的模型实验，是航空航天领域内非常重要的空气动力地面模拟试验设备。普通的超声速和高超声速风洞流场存在较高的气动噪声和湍流度，比高空大气的“安静”流场大1～2个数量级，因此模型在常规风洞中进行试验，某些试验结果的准确性严重偏离真实情况，从而影响到飞行器等的设计指标。

由于层流边界层与湍流边界层在热传递速率、表面摩阻、稳定性效应等方面存在显著的差异，而风洞的这些噪声通常会对模型表面的层流-湍流转捩造成极大的影响。受传统设计方法、加工工艺的局限，常规风洞喷管的边界层大多处于湍流状态，导致了试验段流场的噪声往往比真实飞行环境高，严重影响模型表面边界层的转捩，因此很难在传统风洞中获得可信的边界层转捩试验数据，相关研究的进一步开展就对风洞性能提出了更高的要求。

随着研究的深入和相关测试技术的发展，设计产生与高空真实飞行环境相当的低湍流度的超声速和高超声速流场，这对加快国内流体力学特别是高超声速流体力学领域的发展将具有重要现实意义，其中最为关键的就是静音风洞喷管的设计加工。

常规风洞喷管一般包括收缩段、喉道段和扩张段三部分，如附图图1所示，静音风洞喷管是整个风洞系统中最为关键的部件，要求喷管的设计达到层流喷管的水平，所谓层流喷管，就是说喷管表面的流动必须是层流附面层，为了实现这一点，将喷管在喉道段的曲线分段，将喷管分成四部分，收缩段61、抽吸段62、喉道段63、扩张段64，抽吸段62的作用是将收缩段壁面发展的湍流边界层抽吸出去，消除了前方湍流对喷管下游的影响，维持喷管壁面边界层为层流。

现有技术中，通过在收缩段61与抽吸段62之间设置流量截面一定的抽吸缝，以将收缩段61壁面发展的湍流边界层抽吸出去。由于抽吸缝的流量截面一定，故而通过该抽吸缝抽吸的抽吸气体流量固定，故而超声速和高超声速静音风洞喷管的性能和流场品质可调性差，且不可以根据实验需求改变喷管流场湍流度，进而静音风洞的试验能力和水平低。

发明内容

本发明提供了一种抽吸流量可调的静音风洞喷管，以解决现有风洞喷管抽吸缝的抽吸流量不可调节的技术问题。

本发明采用的技术方案如下：

一种抽吸流量可调的静音风洞喷管，包括：沿来流方向依次设置的收缩段和扩张段，扩张段的进流端沿轴向伸入收缩段的出流端，扩张段与收缩段两者之间的连通过渡部位设有沿静音风洞喷管径向布设并用于供收缩段壁面发展的湍流边界层内的湍流向外抽吸的抽吸缝；扩张段进流端的外圆上具有外凸且呈环形的调节凸缘，扩张段进流端的外圆上还装设有抽吸调节环件；抽吸调节环件第一端的端面与收缩段出流端的端面密封连接，以使由抽吸缝吸出的抽吸气体经由抽吸调节环件向外吸出；抽吸调节环件的第二端与调节凸缘配合设置，通过调节抽吸调节环件或扩张段沿轴向相对平移运动，以控制抽吸缝抽吸气体流量的大小。

进一步地，扩张段进流端的端面具有伸入收缩段出流端内的调节唇口，调节唇口呈环形，其外环面为沿轴向倾斜的斜面；收缩段出流端的内壁面与调节唇口外环面之间的间隙构成抽吸缝。

进一步地，抽吸调节环件包括装设于扩张段的外圆上且与收缩段固定连接的抽吸环，抽吸环呈环形，其第一端的端面与收缩段出流端的端面密封贴合；抽吸环上设有多个抽吸孔，多个抽吸孔的进气端分别与抽吸缝连通，多个抽吸孔的出气端分别与用于抽吸气体的气体抽吸装置相连。

进一步地，抽吸调节环件还包括装设于扩张段的外圆上且与抽吸环固定连接的抽吸调节法兰，抽吸调节法兰呈环形，其第一端的端面与抽吸环第二端的端面密封贴合；抽吸调节法兰的第二端与调节凸缘螺纹连接，以当旋动扩张段时，扩张段相对抽吸调节法兰沿轴向平移。

进一步地，抽吸调节法兰包括装设于扩张段外圆上的调节环，调节环的外环面上加工有外螺纹；调节凸缘上朝向抽吸环的第一端面上设有内凹的用于容置调节环的第一环槽，第一环槽的外环壁上加工有与调节环上的外螺纹匹配的内螺纹。

进一步地，抽吸调节环件还包括多个密封件，多个密封件装设于第一环槽的内环壁上，用于密封第一环槽的内环壁与调节环内环面之间的间隙。

进一步地，抽吸调节环件还包括多组限位件和多组锁紧件；多组限位件装设于调节凸缘上且抵顶抽吸调节法兰第二端的端面，以对扩张段进行限位；多组锁紧件同时穿设于收缩段、抽吸环、抽吸调节法兰及调节凸缘中，以将扩张段与抽吸调节法兰固定。

进一步地，抽吸调节环件还包括装设于扩张段的外圆上且与抽吸环固定连接的调节片，调节片呈环形，其两端面分别与抽吸环第二端端面和调节凸缘第一端端面密封贴合。

进一步地，多个抽吸孔沿抽吸环的外环面依次间隔设置；抽吸环第一端的端面加工有多个连接孔，各连接孔的进气端和出气端分别与抽吸缝和对应设置的抽吸孔连通。

进一步地，收缩段用于与位于其上游的稳定段固定连接；扩张段由多段沿轴向依次布设的扩张分段连接而成。

本发明具有以下有益效果：

本发明的抽吸流量可调的静音风洞喷管中，通过调节抽吸调节环件或者扩张段，均可使扩张段相对收缩段沿轴向平移，进而使抽吸缝抽吸流量的大小可调，防止抽吸缝过小时，湍流边界层抽吸不完全，进而影响试验，或者抽吸缝加过大，湍流边界层外的气流被误排，进而使得试验数据不准。相比现有技术中，抽吸缝抽吸流量的大小固定，不可调，本发明中，可通过调节抽吸缝抽吸流量的大小，进而提高超声速和高超声速静音风洞喷管的性能和流场品质，也可根据试验需求，改变抽吸缝抽吸流量的大小，进而改变静音喷管流场的湍流度，最终提高静音风洞的试验能力和水平。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是常规的风洞喷管示意图；

图2是本发明优选实施例的抽吸流量可调的静音风洞喷管实验示意图；

图3是图2中抽吸流量可调的静音风洞喷管的原理图；

图4是图3中抽吸流量调节过程中喷管唇口移动示意图；

图5是图3中抽吸流量可调的静音风洞喷管调节后固定方式示意图。

图例说明

10、收缩段；20、扩张段；201、调节凸缘；202、调节唇口；21、扩张分段；30、抽吸缝；40、抽吸调节环件；41、抽吸环；410、抽吸孔；42、抽吸调节法兰；421、调节环；43、限位件；44、锁紧件；45、密封件；61、收缩段；62、抽吸段；63、喉道段；64、扩张段。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。

参照图2，本发明的优选实施例提供了一种抽吸流量可调的静音风洞喷管，包括：沿来流方向依次设置的收缩段10和扩张段20，扩张段20的进流端沿轴向伸入收缩段10的出流端，且扩张段20与收缩段10两者之间的连通过渡部位设有沿静音风洞喷管径向布设并用于供收缩段10壁面发展的湍流边界层内的湍流向外抽吸的抽吸缝30。扩张段20进流端的外圆上具有外凸且呈环形的调节凸缘201，扩张段20进流端的外圆上还装设有抽吸调节环件40。抽吸调节环件40第一端的端面与收缩段10出流端的端面密封连接，以使由抽吸缝30吸出的抽吸气体经由抽吸调节环件40向外吸出。抽吸调节环件40的第二端与调节凸缘201配合设置，通过调节抽吸调节环件40或扩张段20沿轴向相对平移运动，以控制抽吸缝30抽吸气体流量的大小。

本发明的抽吸流量可调的静音风洞喷管，包括装设于扩张段20进流端外圆上的抽吸调节环件40，抽吸调节环件40第一端的端面与收缩段10出流端的端面密封连接，以使由抽吸缝30吸出的抽吸气体经由抽吸调节环件40向外吸出；抽吸调节环件40的第二端与调节凸缘201配合设置，以调节抽吸调节环件40时，使扩张段20相对收缩段10沿轴向平移，进而调节抽吸缝30抽吸流量的大小，或者调节扩张段20时，扩张段20相对收缩段10沿轴向平移，进而调节抽吸缝30抽吸流量的大小。本发明的静音风洞喷管中，通过调节抽吸调节环件40或者扩张段20，均可使扩张段20相对收缩段10沿轴向平移，进而使抽吸缝30抽吸流量的大小可调，防止抽吸缝过小时，湍流边界层抽吸不完全，进而影响试验，或者抽吸缝加过大，湍流边界层外的气流被误排，进而使得试验数据不准。相比现有技术中，抽吸缝抽吸流量的大小固定，不可调；本发明中，可通过调节抽吸缝30抽吸流量的大小，进而提高超声速和高超声速静音风洞喷管的性能和流场品质，也可根据试验需求，改变抽吸缝30抽吸流量的大小，进而改变静音喷管流场的湍流度，最终提高静音风洞的试验能力和水平。

可选地，如图4所示，扩张段20进流端的端面具有伸入收缩段10出流端内的调节唇口202，调节唇口202呈环形，其外环面为沿轴向倾斜的斜面。收缩段10出流端的内壁面与调节唇口202外环面之间的间隙构成抽吸缝30。由于调节唇口202的外环面为沿轴向倾斜的斜面，故当扩张段20相对收缩段10沿轴向平移时，收缩段10出流端的内壁面和出流端端面两者连接处的连接面与调节唇口202外环面间的抽吸缝的截面大小将改变，进而通过该截面的抽吸流量的大小将改变，从而实现抽吸流量的可调。

可选地，如图3和图4所示，抽吸调节环件40包括装设于扩张段20的外圆上且与收缩段10固定连接的抽吸环41，抽吸环41呈环形，其第一端的端面与收缩段10出流端的端面密封贴合。抽吸环41上设有多个抽吸孔410，多个抽吸孔410的进气端分别与抽吸缝30连通，多个抽吸孔410的出气端分别与用于抽吸气体的气体抽吸装置相连。本可选方案的具体实施例中，抽吸环41第一端的端面与收缩段10出流端的端面之间设有用于密封两者之间间隙的密封圈，抽吸环41通过连接螺栓或螺钉与收缩段10可拆卸连接。实际工作时，收缩段10壁面发展的湍流边界层，即抽吸气体，首先由抽吸缝30进入抽吸孔410中，然后再由与抽吸孔410连通的气体抽吸装置(图未示)的作用下，由抽吸孔410被抽入气体抽吸装置中。

进一步地，如图4和图5所示，多个抽吸孔410沿抽吸环41的外环面依次间隔设置。抽吸环41第一端的端面加工有多个连接孔(图未示)，各连接孔的进气端和出气端分别与抽吸缝30和对应设置的抽吸孔410连通。抽吸气体首先由抽吸缝30进入连接孔中，然后再由连接孔进入到抽吸孔410中。更进一步地，每个抽吸孔410处连接有一个孔接头，孔接头连接输气管，用于将抽吸孔410中的抽吸气体通过孔接头、输气管输送至气体抽吸装置中。

本发明的第一实施例中，如图3和图4所示，抽吸调节环件40还包括装设于扩张段20的外圆上且与抽吸环41固定连接的抽吸调节法兰42，抽吸调节法兰42呈环形，其第一端的端面与抽吸环41第二端的端面密封贴合。抽吸调节法兰42的第二端与调节凸缘201螺纹连接，以当旋动扩张段20时，扩张段20相对抽吸调节法兰42沿轴向平移。本实施例的具体实施方式中，抽吸调节法兰42第一端的端面与抽吸环41第二端的端面之间设有用于密封两者之间间隙的密封圈。抽吸调节法兰42通过连接螺钉或螺钉螺栓等与抽吸环41可拆卸连接。

第一实施例的具体实施方案中，如图4所示，抽吸调节法兰42包括装设于扩张段20外圆上的调节环421，调节环421的外环面上加工有外螺纹。调节凸缘201上朝向抽吸环41的第一端面上设有内凹的用于容置调节环421的第一环槽，第一环槽的外环壁上加工有与调节环421上的外螺纹匹配的内螺纹。调节抽吸流量时，旋动扩张段20，由于调节凸缘201上的第一环槽与抽吸调节法兰42上的调节环421螺纹连接，故而扩张段20进流端的调节唇口202将沿轴向前后平移，又由于调节唇口202的外环面为沿轴向倾斜的斜面，故当调节唇口202沿轴向前后平移时，收缩段10出流端的内壁面和出流端端面两者连接处的连接面与调节唇口202外环面间的抽吸缝的截面大小将改变，进而通过该截面的抽吸流量的大小将改变，从而实现抽吸流量的连续可调。

第一实施例的实际设计方案中，调节唇口202的最小位移为0.25mm，基本实现在一定范围内抽吸流量的连续调节，每次调节完后，通过设置于风洞喷管出口的脉动压力传感器(图未示)测量抽吸流量大小和出口湍流度。由于风洞流场品质与喷管壁面边界层层流长度有密切关系，喷管壁面边界层层流长度越长，喷管的流场品质越好。通过抽吸调节法兰42和调节凸缘201的配合，实现了对抽吸流量的连续调节，从而可以为提高超声速和高超声速静音风洞喷管的性能和流场品质提供基础，同时可根据试验需求改变喷管流场湍流度，进而提高静音风洞的试验能力和水平。

第一实施例的优选方案，如图4所示，抽吸调节环件40还包括多个密封件45，多个密封件45装设于第一环槽的内环壁上，用于密封第一环槽的内环壁与调节环421内环面之间的间隙。具体地，密封件45为密封环，第一环槽的内环壁上加工有多个内凹且呈环形的安装槽，多个密封环分设于多个安装槽中。

进一步地，第一实施例的具体实施方案中，如图5所示，抽吸调节环件40还包括多组限位件43和多组锁紧件44。多组限位件43装设于调节凸缘201上且抵顶抽吸调节法兰42第二端的端面，以对扩张段20进行限位。多组锁紧件44同时穿设于收缩段10、抽吸环41、抽吸调节法兰42及调节凸缘201中，以将扩张段20与抽吸调节法兰42固定。限位件43为限位螺钉，限位螺钉穿设于调节凸缘201中，且端部伸出调节凸缘201后抵顶抽吸调节法兰42第二端的端面，用于对旋动至所需位置后的扩张段20进行限位。锁紧件44为锁紧螺栓，锁紧螺栓同时穿设于收缩段10、抽吸环41、抽吸调节法兰42及调节凸缘201中，以将四者连接成一个整体。

本发明的第一实施例中，静音风洞喷管抽吸流量调节结构和方法简单，容易实施，制作成本低，流量调节过程中不会损伤喷管型面，且流量调节范围广、调节精度高。

本发明的第二实施例，图未示，抽吸调节环件40还包括装设于扩张段20的外圆上且与抽吸环41固定连接的调节片，调节片呈环形，其两端面分别与抽吸环41第二端端面和调节凸缘201第一端端面密封贴合。

第二实施例的具体实施方案中，调节片为密封垫片，密封垫片不仅用于密封调节凸缘201第一端的端面与抽吸环41第二端的端面之间的间隙，同时通过更换不同厚度的密封垫片，即可使扩张段20相对收缩段10沿轴向前后平移，进而使扩张段20进流端的调节唇口202沿轴向前后平移，又由于调节唇口202的外环面为沿轴向倾斜的斜面，故当调节唇口202沿轴向前后平移时，收缩段10出流端的内壁面和出流端端面两者连接处的连接面与调节唇口202外环面间的抽吸缝的截面大小将改变，进而通过该截面的抽吸流量的大小将改变，从而实现抽吸流量的可调。

本发明的第一实施例相比于第二实施例，可实现抽吸流量的连接调节，且流量调节范围更宽，调节操作简单，无需完全将扩张段20和抽吸环41分开，并调节过程中不易损伤喷管型面。

可选地，如图3所示，收缩段10用于与位于其上游的稳定段固定连接。扩张段20由多段沿轴向依次布设的扩张分段21连接而成。如扩张段20的长度较短，则扩张段20也可一体成型。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种抽吸流量可调的静音风洞喷管，包括：沿来流方向依次设置的收缩段(10)和扩张段(20)，所述扩张段(20)的进流端沿轴向伸入所述收缩段(10)的出流端，其特征在于，

所述扩张段(20)与所述收缩段(10)两者之间的连通过渡部位设有沿静音风洞喷管径向布设并用于供所述收缩段(10)壁面发展的湍流边界层内的湍流向外抽吸的抽吸缝(30)；

所述扩张段(20)进流端的外圆上具有外凸且呈环形的调节凸缘(201)，所述扩张段(20)进流端的外圆上还装设有抽吸调节环件(40)；

所述抽吸调节环件(40)第一端的端面与所述收缩段(10)出流端的端面密封连接，以使由所述抽吸缝(30)吸出的抽吸气体经由所述抽吸调节环件(40)向外吸出；

所述抽吸调节环件(40)的第二端与所述调节凸缘(201)配合设置，通过调节所述抽吸调节环件(40)或所述扩张段(20)沿轴向相对平移运动，以控制所述抽吸缝(30)抽吸气体流量的大小；

所述扩张段(20)进流端的端面具有伸入所述收缩段(10)出流端内的调节唇口(202)，所述调节唇口(202)呈环形，其外环面为沿轴向倾斜的斜面；所述收缩段(10)出流端的内壁面与所述调节唇口(202)外环面之间的间隙构成所述抽吸缝(30)；由于调节唇口(202)的外环面为沿轴向倾斜的斜面，故当扩张段(20)相对收缩段(10)沿轴向平移时，收缩段(10)出流端的内壁面和出流端端面两者连接处的连接面与调节唇口(202)外环面间的抽吸缝的截面大小将改变，进而通过该截面的抽吸流量的大小将改变，从而实现抽吸流量的可调。

2.根据权利要求1所述的抽吸流量可调的静音风洞喷管，其特征在于，

所述抽吸调节环件(40)包括装设于所述扩张段(20)的外圆上且与所述收缩段(10)固定连接的抽吸环(41)，所述抽吸环(41)呈环形，其第一端的端面与所述收缩段(10)出流端的端面密封贴合；

所述抽吸环(41)上设有多个抽吸孔(410)，多个所述抽吸孔(410)的进气端分别与所述抽吸缝(30)连通，多个所述抽吸孔(410)的出气端分别与用于抽吸气体的气体抽吸装置相连。

3.根据权利要求2所述的抽吸流量可调的静音风洞喷管，其特征在于，

所述抽吸调节环件(40)还包括装设于所述扩张段(20)的外圆上且与所述抽吸环(41)固定连接的抽吸调节法兰(42)，所述抽吸调节法兰(42)呈环形，其第一端的端面与所述抽吸环(41)第二端的端面密封贴合；

所述抽吸调节法兰(42)的第二端与所述调节凸缘(201)螺纹连接，以当旋动所述扩张段(20)时，所述扩张段(20)相对所述抽吸调节法兰(42)沿轴向平移。

4.根据权利要求3所述的抽吸流量可调的静音风洞喷管，其特征在于，

所述抽吸调节法兰(42)包括装设于所述扩张段(20)外圆上的调节环(421)，所述调节环(421)的外环面上加工有外螺纹；

所述调节凸缘(201)上朝向所述抽吸环(41)的第一端面上设有内凹的用于容置所述调节环(421)的第一环槽，所述第一环槽的外环壁上加工有与所述调节环(421)上的外螺纹匹配的内螺纹。

5.根据权利要求4所述的抽吸流量可调的静音风洞喷管，其特征在于，

所述抽吸调节环件(40)还包括多个密封件(45)，多个所述密封件(45)装设于所述第一环槽的内环壁上，用于密封所述第一环槽的内环壁与所述调节环(421)内环面之间的间隙。

6.根据权利要求3所述的抽吸流量可调的静音风洞喷管，其特征在于，

所述抽吸调节环件(40)还包括多组限位件(43)和多组锁紧件(44)；

多组所述限位件(43)装设于所述调节凸缘(201)上且抵顶所述抽吸调节法兰(42)第二端的端面，以对所述扩张段(20)进行限位；

多组所述锁紧件(44)同时穿设于所述收缩段(10)、所述抽吸环(41)、所述抽吸调节法兰(42)及所述调节凸缘(201)中，以将所述扩张段(20)与所述抽吸调节法兰(42)固定。

7.根据权利要求2所述的抽吸流量可调的静音风洞喷管，其特征在于，

所述抽吸调节环件(40)还包括装设于所述扩张段(20)的外圆上且与所述抽吸环(41)固定连接的调节片，所述调节片呈环形，其两端面分别与所述抽吸环(41)第二端端面和所述调节凸缘(201)第一端端面密封贴合。

8.根据权利要求2所述的抽吸流量可调的静音风洞喷管，其特征在于，

多个所述抽吸孔(410)沿所述抽吸环(41)的外环面依次间隔设置；

所述抽吸环(41)第一端的端面加工有多个连接孔，各所述连接孔的进气端和出气端分别与所述抽吸缝(30)和对应设置的所述抽吸孔(410)连通。

9.根据权利要求1所述的抽吸流量可调的静音风洞喷管，其特征在于，

所述收缩段(10)用于与位于其上游的稳定段固定连接；

所述扩张段(20)由多段沿轴向依次布设的扩张分段(21)连接而成。

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