CN110057533A - 一种风洞试验中喷流压力流量控制装置及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种风洞试验中喷流压力流量控制装置及控制方法，包括：在气源入口螺母的环形限位部处依次连接放置节流孔板和紫铜管套筒；气源出口螺母旋拧入气源入口螺母内且将节流孔板和紫铜管套筒压紧连接在环形限位部上；紫铜管伸入气源出口螺母与紫铜管套筒连接，紫铜管的另一端与喷管系统的尾支杆内的通气管道连接；使用本发明的喷流压力流量控制的装置，提出了详细的节流小孔计算方法，为大流量喷管驻室压力准确控制提供了依据。使用本发明的喷流压力流量控制的方法，给出了一整套大流量喷流的驻室压力调试方法，确保了该类型喷流的地面调试成功。

Description

一种风洞试验中喷流压力流量控制装置及控制方法

技术领域

本发明属于风洞试验技术领域，具体涉及一种风洞试验中喷流压力流量控制装置及控制方法。

背景技术

喷流研究是风洞中一项很重要的试验任务，包括用于飞行器姿态控制的侧向喷流研究、飞行器与助推段分离的级间分离、推进系统的尾喷流研制等，每一项都关系着运行稳定性和控制安全性，直接决定飞行器的设计是否成功。而喷流的数值模拟在很多细节上还不能反映真实状态，所以在飞行器数据库的建立过程中，风洞试验是必须的环节。

但在风洞中进行喷流试验时，喷流的气源是有限的，部分试验无法顺利开展，包括两个意思：一是，高压气源的压力有限，达到上限后不能再增压；二是，气源流量有限，当喷管出口大时，管路流量损失较大，喷管的驻室压力不能积累到理论值。所以，我们需要一种装置可以限流增压，为大流量喷流控制研究提供可靠气源。

本发明的应用范围是风洞喷流气源控制系统。当高压气源建成后，其能够提供的压力上限和流量是固定的，而本发明主要目的是在风洞段内对压力再次调控，以满足喷管出口处压力和流量到位。

发明内容

本发明的一个目的是解决至少上述问题和/或缺陷，并提供至少后面将说明的优点。

为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种风洞试验中喷流压力流量控制装置，包括：

与风洞试验模型的喷管系统的喷管连接的通气管路，其包括紫铜管套筒和与紫铜管套筒连接的紫铜管；所述紫铜管与喷管系统的尾支杆内的通气管道连接；

气源入口螺母，其内一端设置有环形限位部；所述气源入口螺母的内壁上设置有螺纹Ⅰ；

节流孔板，其外侧为圆柱形，中心处开小孔作为喉道，喉道连接一喇叭口作为扩散段；所述节流孔板位于气源入口螺母的环形限位部处；

气源出口螺母，其外壁上设置有与气源入口螺母的螺纹Ⅰ相匹配的螺纹Ⅱ；

其中，在所述气源入口螺母的环形限位部处依次连接放置节流孔板和紫铜管套筒；所述气源出口螺母旋拧入气源入口螺母内且将节流孔板和紫铜管套筒压紧连接在环形限位部上；所述紫铜管伸入气源出口螺母与紫铜管套筒连接。

优选的是，所述气源入口螺母上应设置有用于卡扳手的六边形凸起部Ⅰ；所述气源入口螺母的材质为30CrMnSIa。

优选的是，所述节流孔板的喉道所在面位于进气位置，喇叭口所在面位于出气位置。

优选的是，所述气源出口螺母上设置有用于卡扳手的六边形凸起部Ⅱ；所述气源出口螺母的材质为30CrMnSIa。

优选的是，所述紫铜管套筒的一端为与节流孔板直径大小相当的环形板，另一端为圆柱筒；所述紫铜管套筒设置在气源入口螺母内，且所述环形板夹持在节流孔板和气源出口螺母的端部之间，并使所述圆柱筒设置在气源出口螺母内部。

优选的是，所述喷管系统包括：尾支杆、驻室和喷管；所述驻室的外侧为长方体，内侧为圆柱形空腔；所述驻室的一侧与尾支杆相连，另一侧与传感器相连；所述驻室侧侧面设置有安装喷管的喷管安装螺纹孔；所述喷管为锥形喷管，其通过喷管喉道和出口面积确定出口马赫数，所述喷管通过喷管安装螺纹孔安装在驻室上。

优选的是，所述紫铜管内部通气面积为喷管喉道面积4倍以上；紫铜管套筒的材料为黄铜。

本发明还提供一种风洞试验中喷流压力流量控制方法，包括以下步骤：

步骤一、根据确定的喷流驻室总压p₁、喷流驻室总温T₁和喷管喉道面积A推算出满足喷管运行所需的质量流量q_m，采用以下公式：

步骤二、将q_m除以1kg/m³后作为保证体积流量q_z，采用以下公式推算出气源处节流孔有效截面积S，并进一步推算出节流孔的直径D；

其中，p₁为节流孔上游压力；T₁为节流孔上游总温；Δp为节流孔上下游压差；S为节流孔有效截面积；

步骤三、加工节流孔板，根据步骤二获得的小孔直径D、D*(1+10％)、D*(1-10％)、D*(1+20％)、D*(1-20％)，加工五个节流孔板；

步骤四：将气源出口螺母套在紫铜管上，焊接紫铜管和紫铜管套筒；将节流孔板安装在气源入口螺母和气源出口螺母之间，与紫铜管套筒压紧；将紫铜管的另一侧与尾支杆相连；将尾支杆与驻室相连；并将喷管与驻室相连；将传感器与驻室相连；

步骤五、将各部件连接后，进行密封验证试验，确保管路和各连接处不漏气；

步骤六、采集驻室压力，当压力需要进一步增加时，更换为更小口径的节流孔板；反之，更换为更大的节流孔板，直到获得理想状态。

本发明至少包括以下有益效果：

(1)使用喷流压力流量控制的装置，提出了详细的节流小孔计算方法，为大流量喷管驻室压力准确控制提供了依据。

(2)使用喷流压力流量控制的方法，给出了一整套大流量喷流的驻室压力调试方法，确保了该类型喷流的风洞试验成功。

本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。

附图说明：

图1为本发明风洞试验中喷流压力流量控制装置的立体结构示意图；

图2为本发明风洞试验中喷流压力流量控制装置的另一视角的立体结构示意图；

图3为本发明风洞试验中喷流压力流量控制装置的剖面结构示意图；

图4为本发明风洞试验中喷流压力流量控制装置的局部结构的剖面结构示意图；

图5为本发明风洞试验中喷流压力流量控制装置的喷管系统的结构示意图；

图6为本发明风洞试验中喷流压力流量控制装置的喷管系统的剖面结构示意图；

图7为本发明气源入口螺母的结构示意图；

图8为本发明气源出口螺母的结构示意图；

图9为本发明紫铜管套筒的结构示意图；

图10为本发明节流孔板的结构示意图；

图11为本发明节流孔板的剖面结构示意图。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不配出一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。

图1～11示出了本发明的一种风洞试验中喷流压力流量控制装置，包括：

与风洞试验模型的喷管系统的喷管8连接的通气管路，其包括紫铜管套筒3和与紫铜管套筒3连接的紫铜管5；所述紫铜管5与喷管系统的尾支杆6内的通气管道61连接；

气源入口螺母1，其内一端设置有环形限位部11；所述气源入口螺母1的内壁上设置有螺纹Ⅰ；

节流孔板2，其外侧为圆柱形，中心处开小孔21作为喉道，喉道连接一喇叭口22作为扩散段；所述节流孔板2位于气源入口螺母1的环形限位部11处；

气源出口螺母4，其外壁上设置有与气源入口螺母1的螺纹Ⅰ相匹配的螺纹Ⅱ；

其中，在所述气源入口螺母1的环形限位部11处依次连接放置节流孔板2和紫铜管套筒3；所述气源出口螺母4旋拧入气源入口螺母4内且将节流孔板2和紫铜管套筒3压紧连接在环形限位部11上；所述紫铜管5伸入气源出口螺母4内与紫铜管套筒3连接。

在这种技术方案中，将气源出口螺母套在紫铜管上，焊接紫铜管和紫铜管套筒；将节流孔板安装在气源入口螺母和气源出口螺母之间，与紫铜管套筒压紧，即通过螺纹Ⅰ和螺纹Ⅱ的相匹配连接，将气源入口螺母和气源出口螺母拧紧，将节流孔板和紫铜管套筒压紧在环形限位部和气源出口螺母的端部之间；将紫铜管的另一侧与尾支杆内的通气管道相连；将尾支杆的通气管道与喷管系统的驻室相连；并将喷管与驻室相连；通过向气源入口螺母内通气，并采集驻室压力，当压力需要进一步增加时，更换为更小口径的节流孔板；反之，更换为更大的节流孔板，直到获得理想状态。

在上述技术方案中，所述气源入口螺母上应设置有用于卡扳手的六边形凸起部Ⅰ12；所述气源入口螺母的材质为30CrMnSIa。

在上述技术方案中，所述节流孔板2的喉道所在面位于进气位置，喇叭口所在面位于出气位置，采用这种方式，喉道用于压缩增速，喇叭口用于进一步增速。

在上述技术方案中，所述气源出口螺母4上设置有用于卡扳手的六边形凸起部Ⅱ41；所述气源出口螺母的材质为30CrMnSIa。

在上述技术方案中，所述紫铜管套筒3的一端为与节流孔板直径大小相当的环形板31，另一端为圆柱筒32；所述紫铜管套筒3设置在气源入口螺母1内，且所述环形板31夹持在节流孔板2和气源出口螺母4的端部之间，并使所述圆柱筒32设置在气源出口螺母4内部；采用这种技术方案，可以使节流孔板的密封效果更优。

在上述技术方案中，所述喷管系统包括：尾支杆6、驻室7和喷管8；所述驻室7的外侧为长方体，内侧为圆柱形空腔；所述驻室7的一侧与尾支杆6相连，另一侧与传感器相连；所述驻室侧面设置有安装喷管的喷管安装螺纹孔10和压力传感器安装孔9；所述喷管8为锥形喷管，其通过喷管喉道和出口面积确定出口马赫数，所述喷管8通过喷管安装螺纹孔10安装在驻室上。

在上述技术方案中，所述紫铜管内部通气面积为喷管喉道面积4倍以上，采用这种方式可以保证流量稳定；紫铜管套筒的材料为黄铜。

本发明中节流孔板最关键的部分是如何确定喉道尺寸，本发明从流量上来确定：

第一，根据喷管尺寸和压力要求推算所需的喷流流量：

气体质量流量：

q_m——气体的质量流量(kg/s)；

p₁——驻室总压(Mpa)；

T₁——驻室总温(K)；

A——喉道面积(mm²)；

各参数固定，该流量公式可推出确切结果；

第二，列出管路内流量计算公式：

可压缩气体的体积流量：

q_z——保证体积流量(L/min)

p₁——节流孔上游压力(Mpa)

T₁——节流孔上游总温(K)

Δp——节流孔上下游压差(Mpa)

S——节流孔有效截面积(mm²)

其中，S是节流孔板的喉道面积，再换算成直径D既可获得节流孔板尺寸；

第三，公式(1)和公式(2)的流量计算结果，单位不同，二者之间相差一个密度；但在公式(2)中是可压缩气体，密度不好估算。因此，建议设流体密度为1kg/m³乘以公式(2)后再与公式(1)一起推算出喉道面积S；

第四，根据上面三个步骤，计算所得S是一个预想值，为了保证试验的顺利进行，建议以此值为中间点，直径D增加10％～20％和减少10％～20％的状态下各加工两个；在风洞调试过程中也可酌情增减节流孔板喉道尺寸以满足要求。

本发明的一种风洞试验中喷流压力流量控制方法，主要是为流量大的喷流控制提供方法，保证喷流驻室压力模拟到位；同时提供足够流量的喷流气源。

所述的喷流压力流量控制方法，利用节流孔板安装在通气管道中，依次包括如下步骤：

步骤一、根据确定的喷流驻室总压p₁、喷流驻室总温T₁和喷管喉道面积A推算出满足喷管运行所需的流量q_m：

步骤二、将q_m除以1kg/m³后作为保证状态流量q_z，采用公式(2)推算出气源处节流孔有效截面积S，并进一步推算出节流孔的直径D；

其中，p₁为节流孔上游压力；T₁为节流孔上游总温；Δp为节流孔上下游压差；S为节流孔有效截面积；

步骤三、加工节流孔板，根据步骤二获得的小孔直径D、D*(1+10％)、D*(1-10％)、D*(1+20％)、D*(1-20％)，加工五个节流孔板；例如以3mm厚孔板为例，1mm作为喉道，直径为D；2mm作为扩散段，一般取喇叭口扩张半角为45°；根据实际应用需要增厚时，可按照该比例增厚；需要缩薄时，可按照该比例缩薄，如果空间确实不够，可取消扩散段，只保留喉道小孔。应指出的是，小孔直径D的获取是一个经验值，给出了一个可能的控制范围，若有需要可进一步减小或增加；

步骤四：将气源出口螺母套在紫铜管上，焊接紫铜管和紫铜管套筒；将节流孔板安装在气源入口螺母和气源出口螺母之间，与紫铜管套筒压紧；将紫铜管的另一侧与尾支杆相连；将尾支杆与驻室相连；并将喷管与驻室相连；将传感器与驻室相连；

步骤五、将各部件连接后，进行密封验证试验，确保管路和各连接处不漏气；

步骤六、采集驻室压力，当压力需要进一步增加时，更换为更小口径的节流孔板；反之，更换为更大的节流孔板，直到获得理想状态。

本发明的一种风洞试验中喷流压力流量控制装置和控制方法解决了大流量喷流的压力、流量控制问题，提供了详细的节流、增压的计算方法，按照这种计算方法，可将喷流总压准度控制在百帕量级；同时，本发明提供了明确的压力调试流程，给出了压力偏大或偏小时节流孔板所采取的措施。该发明的出现解决了风洞中大流量喷流供气问题，对工程应用具有明确的指导意义。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (8)

1.一种风洞试验中喷流压力流量控制装置，其特征在于，包括：

与风洞试验模型的喷管系统的喷管连接的通气管路，其包括紫铜管套筒和与紫铜管套筒连接的紫铜管；所述紫铜管与喷管系统的尾支杆内的通气管道连接；

气源入口螺母，其内一端设置有环形限位部；所述气源入口螺母的内壁上设置有螺纹Ⅰ；

节流孔板，其外侧为圆柱形，中心处开小孔作为喉道，喉道连接一喇叭口作为扩散段；所述节流孔板位于气源入口螺母的环形限位部处；

气源出口螺母，其外壁上设置有与气源入口螺母的螺纹Ⅰ相匹配的螺纹Ⅱ；

其中，在所述气源入口螺母的环形限位部处依次连接放置节流孔板和紫铜管套筒；所述气源出口螺母旋拧入气源入口螺母内且将节流孔板和紫铜管套筒压紧连接在环形限位部上；所述紫铜管伸入气源出口螺母与紫铜管套筒连接。

2.如权利要求1所述的风洞试验中喷流压力流量控制装置，其特征在于，所述气源入口螺母上应设置有用于卡扳手的六边形凸起部Ⅰ；所述气源入口螺母的材质为30CrMnSIa。

3.如权利要求1所述的风洞试验中喷流压力流量控制装置，其特征在于，所述节流孔板的喉道所在面位于进气位置，喇叭口所在面位于出气位置。

4.如权利要求1所述的风洞试验中喷流压力流量控制装置，其特征在于，所述气源出口螺母上设置有用于卡扳手的六边形凸起部Ⅱ；所述气源出口螺母的材质为30CrMnSIa。

5.如权利要求1所述的风洞试验中喷流压力流量控制装置，其特征在于，所述紫铜管套筒的一端为与节流孔板直径大小相当的环形板，另一端为圆柱筒；所述紫铜管套筒设置在气源入口螺母内，且所述环形板夹持在节流孔板和气源出口螺母的端部之间，并使所述圆柱筒设置在气源出口螺母内部。

6.如权利要求1所述的风洞试验中喷流压力流量控制装置，其特征在于，所述喷管系统包括：尾支杆、驻室和喷管；所述驻室的外侧为长方体，内侧为圆柱形空腔；所述驻室的一侧与尾支杆相连，另一侧与传感器相连；所述驻室侧侧面设置有安装喷管的喷管安装螺纹孔；所述喷管为锥形喷管，其通过喷管喉道和出口面积确定出口马赫数，所述喷管通过喷管安装螺纹孔安装在驻室上。

7.如权利要求1所述的风洞试验中喷流压力流量控制装置，其特征在于，所述紫铜管内部通气面积为喷管喉道面积4倍以上；紫铜管套筒的材料为黄铜。

8.一种风洞试验中喷流压力流量控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、根据确定的喷流驻室总压p₁、喷流驻室总温T₁和喷管喉道面积A推算出满足喷管运行所需的质量流量q_m，采用以下公式：

步骤二、将q_m除以1kg/m³后作为保证体积流量q_z，采用以下公式推算出气源处节流孔有效截面积S，并进一步推算出节流孔的直径D；

其中，p₁为节流孔上游压力；T₁为节流孔上游总温；Δp为节流孔上下游压差；S为节流孔有效截面积；

步骤三、加工节流孔板，根据步骤二获得的小孔直径D、D*(1+10％)、D*(1-10％)、D*(1+20％)、D*(1-20％)，加工五个节流孔板；

步骤四：将气源出口螺母套在紫铜管上，焊接紫铜管和紫铜管套筒；将节流孔板安装在气源入口螺母和气源出口螺母之间，与紫铜管套筒压紧；将紫铜管的另一侧与尾支杆相连；将尾支杆与驻室相连；并将喷管与驻室相连；将传感器与驻室相连；

步骤五、将各部件连接后，进行密封验证试验，确保管路和各连接处不漏气；

步骤六、采集驻室压力，当压力需要进一步增加时，更换为更小口径的节流孔板；反之，更换为更大的节流孔板，直到获得理想状态。