CN109632239A - 一种变截面重活塞压缩器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种变截面重活塞压缩器，包括活塞发射机构、自由活塞、第一压缩管、缓冲机构、第二压缩管和激波管；自由活塞安装在第一压缩管内；活塞发射机构与第一压缩管入口端相连；第一压缩管末端安装有所述缓冲机构，用于吸收自由活塞压缩最后时刻的残余动能；第二压缩管为直径小于第一压缩管的直管，其前端与第一压缩管的末端连通，第二压缩管的末端经由主膜片与激波管的一端相连，激波管的另一端经由膜片与喷管相连，在进行实验前，被主膜片隔开密封的所述第一压缩管与所述第二压缩管相连通的内腔中填充有轻质驱动气体。本发明克服了反射膨胀波引起的激波严重衰减，风洞的驱动效率较低以及风洞试验时间过短的缺点。

Description

一种变截面重活塞压缩器
技术领域
本发明涉及到自由活塞激波风洞的驱动技术，具体涉及到自由活塞激波风洞驱动技术中一种变截面重活塞压缩器。
背景技术
自由活塞激波风洞是采用自由活塞驱动技术的高焓激波风洞，此类风洞通过重活塞压缩器压缩轻质驱动气体，达到高温高压状态后驱动激波管运行，试验气体在激波管末端滞止后经过喷管膨胀加速，实现高速高焓流动模拟的目的。
重活塞压缩器是自由活塞激波风洞的关键系统级技术，它关系到设备安全及风洞运行条件的优劣。从设备安全角度来讲，重活塞在压缩管内加速时峰值速度接近声速，同时需要在压缩管末端很短距离内减速并实现软着陆，否则将会导致设备严重损坏。从风洞运行条件优化角度来讲，除了要实现活塞软着陆之外，压缩管末端的压力在主膜片打开后需要维持尽可能长的时间(即定压驱动时间)，这种运行方式被称作调谐运行。
结合图1描述活塞运动过程：初始时刻，活塞在上下游(上游高压空气与下游低压驱动气体)气体的压差作用下由静止开始加速运动，并开始压缩驱动气体，致其压力不断升高，直至活塞前后压力达到平衡，活塞速度达到峰值；随后活塞开始减速，在惯性作用下，继续压缩驱动气体直至主膜片打开，最后在缓冲吸能装置的协助下，实现软着陆。
传统的重活塞压缩器由活塞发射机构、自由活塞以及等截面压缩管组成。为了获得高焓流动条件，一方面，在膜片打开时刻，活塞非常靠近膜片，这意味着驱动段与被驱动段长度之比很小；另一方面，轻质气体经过重活塞压缩器压缩后具有较高的声速，这使得膜片破裂时形成的膨胀波具有很高的传播速度。这两种因素促使膨胀波迅速抵达活塞前端并发生反射，之后很快地追赶上接触面(激波)，并与之发生相互作用，这就导致反射膨胀波对激波管内的入射激波产生极大的影响，并严重减少试验时间。
发明内容
本发明的目的是为了克服传统重活塞压缩器驱动方式中出现的反射膨胀波引起激波严重衰减，驱动效果明显降低，以及风洞试验时间较短的缺点，提供了一种变截面重活塞压缩器的设计方案。
本发明的变截面重活塞压缩器包括活塞发射机构、自由活塞、第一压缩管、缓冲机构、第二压缩管和激波管；所述自由活塞安装在第一压缩管内；所述活塞发射机构与第一压缩管入口端相连，用以向所述第一压缩管中提供用于驱动所述自由活塞的气体；第一压缩管末端安装有所述缓冲机构，用于吸收所述自由活塞压缩最后时刻的残余动能；所述第二压缩管为直径小于第一压缩管的直管，其前端与所述第一压缩管的末端连通，所述第二压缩管的末端经由主膜片与激波管的一端相连，所述激波管的另一端经由膜片与喷管相连，在进行实验前，被所述主膜片隔开密封的所述第一压缩管与所述第二压缩管相连通的内腔中填充有轻质驱动气体。
优选所述第一压缩管长度L1与内径D1之比的范围是60～120。
优选所述第一压缩管与所述第二压缩管内径之比为2.2～3.7；所述第一压缩管与所述第二压缩管长度之比为2～9。
优选所述第二压缩管的内径大于或者等于所述激波管的内径。
优选所述激波管与第二压缩管之间通过主膜片隔开，所述激波管长度与直径之比的范围为90～133。
优选采用空气作为驱动自由活塞的气体。
优选采用氦气或者氦氩混合气体作为所述轻质驱动气体。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
(1)本发明采用两段压缩管，两段压缩管内径不同，活塞仅在第一压缩管内运动，当主膜片破裂时，驱动段的长度为第二压缩管的长度，与传统压缩管构型相比，膨胀波向上游传播抵达活塞前端并发生反射的时间大大延长。通过选择合适的第二压缩管长度及激波管长度，反射激波先于反射膨胀波与接触面相互作用，这样激波衰减能够很大缓解。
(2)如上所述，反射激波先于反射膨胀波与接触面相互作用，试验时间能够大大延长。
(3)采用传统构型时，压缩管末端被压缩气体的压力可能出现的高频扰动波，这是由活塞压缩产生的压缩波在压缩管末端与自由活塞前端来回反射导致的。采用变截面重活塞压缩器，当活塞压缩到第一压缩管末端时，第二压缩管中被压缩气体(驱动气体)具有平稳的压力/温度平台，更利于激波管内形成稳定的流场。
附图说明
图1为自由活塞运动过程示意图。
图2为新型活塞压缩器结构示意图。
其中：1-活塞发射机构，2-自由活塞，3-第一压缩管，4-缓冲机构，5-第二压缩管，6-主膜片，7-激波管，8-第二膜片，9喷管，10试验段。
具体实施方式
以下将结合附图详细地说明本发明的技术方案。
如图2所示，本发明的重活塞压缩器包括活塞发射机构1、自由活塞2、第一压缩管3、缓冲机构4以及第二压缩管5。活塞发射机构1用于自由活塞的发射；压缩管采用变截面构型，第一压缩管3直径大于第二压缩管5，第一压缩管3与第二压缩管5的直径之比范围为2.2～3.7，第一压缩管与第二压缩管的长度之比范围为2～9，第一压缩管3与第二压缩管5内部直接连通；自由活塞2仅在第一压缩管内3运动，第一压缩管末端装有缓冲机构4，用于吸收自由活塞残余动能；第二压缩管5与激波管7之间通过主膜片6隔开，激波管7直径等于或者小于第二压缩管5直径。当所述活塞发射机构1将自由活塞发射出去之后，自由活塞2在第一压缩管3内加速运动，压缩第一压缩管及第二压缩管内的轻质驱动气体至高温高压状态，第二压缩管末端的主膜片6达到破膜压力后破裂，自由活塞2减速最后以较低的速度撞击到缓冲机构4上。
与传统构型的重活塞压缩器相比，变截面活塞压缩器中自由活塞仅在直径较大的第一压缩管内运动，这意味着在压缩结束阶段，活塞必须在更短距离上完成减速抵达设备允许的安全速度，这一问题是该设计方案具有应用价值的关键。
在变截面压缩管中，第一压缩管的长度为L1，直径为D1，第一压缩管的长度为L2，直径为D2。自由活塞质量为Mp。假定活塞发射机构的初始压力为PA,0，初始声速为aA,0，压缩管内的气体的初始压力Pdr,0，比热比为γdr。活塞在第一压缩管末端抵达安全速度(<20m/s)时则认为活塞可以实现软着陆，当无量纲参数的范围0.01～0.035，的范围为18～30，活塞可以实现软着陆。
通过合理选择两段压缩管的直径及长度，可以获得长时间的高焓试验气体，并且重活塞可以实现软着陆。在本实施例中，选用第一压缩管3的长度为48m，内径为0.668m，第二压缩管5的长度为20m，内径为0.29m，激波管长度为32m，内径为0.29m。混合驱动气体中氦气质量百分比为0.22，混合气体的摩尔质量为13.426，混合气体常数为620.73，压缩比为30。
以上对本发明的优选实施方式进行了说明，但本发明并不限定于上述实施例。对本领域的技术人员来说，在权利要求书所记载的范畴内，显而易见地能够想到各种变更例或者修正例，当然也属于本发明的技术范畴。

Claims (8)

1.一种变截面重活塞压缩器，其特征在于：包括活塞发射机构、自由活塞、第一压缩管、缓冲机构、第二压缩管和激波管；所述自由活塞安装在第一压缩管内；所述活塞发射机构与第一压缩管入口端相连，用以向所述第一压缩管中提供用于驱动所述自由活塞的气体；第一压缩管末端安装有所述缓冲机构，用于吸收所述自由活塞压缩最后时刻的残余动能；所述第二压缩管为直径小于第一压缩管的直管，其前端与所述第一压缩管的末端连通，所述第二压缩管的末端经由主膜片与激波管的一端相连，所述激波管的另一端经由膜片与喷管相连，在进行实验前，被所述主膜片隔开密封的所述第一压缩管与所述第二压缩管相连通的内腔中填充有轻质驱动气体。
2.根据权利要求1所述的变截面重活塞压缩器，其特征在于：所述第一压缩管长度L1与内径D1之比的范围是60～120。
3.根据权利要求1所述的变截面重活塞压缩器，其特征在于：所述第一压缩管与所述第二压缩管内径之比为2.2～3.7；所述第一压缩管与所述第二压缩管长度之比为2～9。
4.根据权利要求1所述的变截面重活塞压缩器，其特征在于：所述第二压缩管的内径大于或者等于所述激波管的内径。
5.根据权利要求1所述的变截面重活塞压缩器，其特征在于：所述激波管与第二压缩管之间通过主膜片隔开，所述激波管长度与直径之比的范围为90～133。
6.根据权利要求1所述的变截面重活塞压缩器，其特征在于：采用空气作为驱动自由活塞的气体。
7.根据权利要求1～6中任意一项所述的变截面重活塞压缩器，其特征在于：采用氦气或者氦氩混合气体作为所述轻质驱动气体。
8.根据权利要求7所述的变截面重活塞压缩器，其特征在于：所述混合气体中氦气质量百分比为0.22。
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