CN110333044A - 激波风洞进气道自起动试验出口气动旋转门装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种激波风洞进气道自起动试验出口气动旋转门装置、及利用该装置进行激波风洞进气道自起动试验出口气动旋转门动作历程高速摄影的方法、进行激波风洞进气道自起动试验的节流方法，包括：位于进气道出口端部的门板，门板通过轴套与转轴转动连接，转轴固定于进气道出口端部下方，门板的下沿垂直连接限位台阶，倾斜的门板与进气道出口端面之间的夹角为3‑5°，风洞流场稳定后，气动旋转门在气流推动下绕转轴旋转被打开使进气道起动；本发明可以方便地对激波风洞中进气道自起动试验进行有效的自动节流控制，为掌握进气道流动控制规律及高超声速进气道设计提供可靠的试验依据。
Description
技术领域
本发明属于属于实验空气动力学技术领域，是一种激波风洞进气道自起动试验出口气动旋转门装置，及利用该装置进行激波风洞进气道自起动试验出口气动旋转门动作历程高速摄影的方法、进行激波风洞进气道自起动试验的节流方法。
背景技术
进气道是超燃冲压发动机首当其冲的气动部件，其性能将直接影响动力系统的工作特性。进气道自起动并稳定工作是动力系统能够正常工作的前提，不起动的进气道将导致燃烧室无法正常工作，从而导致动力系统无法产生应有的动力。因此，自起动性能是进气道的关键气动性能之一，对实现吸气式飞行器飞行具有重要意义。
常规风洞中开展进气道自起动性能试验研究时，通常采用电机对节流装置进行机械控制来实现进气道的节流与打开，此时节流锥的进退动作时间常常在秒量级。但是在激波风洞中进行进气道自起动性能试验时，由于风洞试验时间非常短(毫秒级)，需要考虑三个因素：(1)打开节流门的动力来源，(2)节流门打开的同步控制，(3)节流门打开的响应速度。这三个因素对进气道模型的节流方式提出了非常苛刻的要求。由此可见，使用电机方案来控制节流锥在激波风洞中已不现实，若使用快速抽拉节流门还需要在动力、同步以及响应速度上投入大量研究工作，目前该技术尚未开展。为此必须发展可靠的适用于激波风洞的可快速打开的进气道节流装置，以有效地考察进气道的自起动性能。
国内外在进气道自起动试验节流技术领域的研究工作，主要表现在以下三个方面：
①自带动力节流锥技术，主要用于连续风洞的进气道自起动试验节流。
②自带动力快速抽拉节流门技术，主要用于连续风洞，能否可使用于激波风洞尚未可知。
③预设轻质堵块技术，主要用于激波风洞的进气道自起动试验节流。
现有技术存在的不足之处如下：
①自带动力节流锥技术，推动节流锥前进或后退的电机马达运行、导轨滑块机构或丝杠螺母机构的运行时间远大于激波风洞的试验时间，所以不能用于激波风洞的进气道自起动试验节流。
②自带动力快速抽拉节流门技术，采用的动力为另配的高压气缸活塞系统，常用在暂冲风洞试验中打开与关闭进气道出口，同步装置采用快速气动阀，抽拉门的开启速度较快。已在暂冲风洞中推广使用，但在同步控制以及响应速度上均需要额外投入大量研究，才有可能使用在激波风洞中。
③预设轻质堵块技术，很难控制预设堵块的质量。一是质量太轻容易导致堵块在风洞流场尚未稳定时就被气流从进气道中吹跑，达不到进气道节流效果而使节流试验失败；二是质量太重容易导致风洞稳定流场气流也无法将堵块吹跑，造成进气道不起动而使进气道节流试验失败。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种激波风洞进气道自起动试验出口气动旋转门装置，及利用该装置进行激波风洞进气道自起动试验出口气动旋转门动作历程高速摄影的方法、进行激波风洞进气道自起动试验的节流方法。
为实现上述发明目的，本发明技术方案如下：
一种激波风洞进气道自起动试验出口气动旋转门装置，包括：位于进气道出口端部的门板9，门板9通过轴套2与转轴8转动连接，转轴8固定于风洞进气道出口端部下方，门板9的下沿垂直连接限位台阶7，门板的尺寸大于进气道内流道的尺寸且小于进气道出口端面的外轮廓尺寸，从而使门板在进气道起动前封闭进气道但不超出进气道出口端面的外轮廓，限位台阶7限定门板9绕转轴8的转动不大于90°，门板9的上沿紧贴进气道出口端部，门板9的下沿与进气道出口端部留有间隙，使倾斜的门板9与进气道出口端面之间的夹角为3-5°，门板9斜靠在进气道出口端部，防止气动旋转门在激波风洞流场尚未稳定前因震动等因素被提前打开，风洞流场稳定后，气动旋转门在气流推动下绕转轴8旋转被打开，从而使进气道起动。
作为优选方式，风洞来流条件为:马赫数11.6，总温7880K，总压17.6MPa。
作为优选方式，激波风洞流场稳定时间为毫秒量级。
作为优选方式，风洞流场稳定后，气动旋转门在气流推动下绕转轴旋转在1毫秒时间内被打开，从而使进气道起动。
作为优选方式，门板厚度2.5mm，转轴直径5mm，门板和转轴材料为304不锈钢。
为实现上述发明目的，本发明还提供一种利用上述装置的激波风洞进气道自起动试验出口气动旋转门动作历程高速摄影方法，在进气道出口端部安装气动旋转门装置，然后对进气道进行自起动试验，采用阴影仪系统作为气动旋转门装置的投影照明系统，通过高速摄像机将高速气动旋转门在进气道自起动试验中动作历程的投影图像成像记录到摄像机CCD上，然后经千兆网络传输至计算机进行存储分析。
作为优选方式，阴影仪系统的光源是36V400W卤钨灯，高速相机的拍摄帧频为10000fps，曝光时间为1/440000s，图像的像素分辨率为896*848。
作为优选方式，方法中使用的高速摄影实验系统包括第一纹影反射镜11，卤钨灯光源12，风洞试验段13，模型支座14，风洞观察窗15，进气道模型总成16，平行光束17，第二纹影反射镜18，高速摄像机19，计算机20，风洞喷管21；
进气道模型总成16固定在模型支座14上，模型支座14位于风洞试验段13的中轴线上，第一纹影反射镜11和第二纹影反射镜18分别位于风洞试验段外面的两端，卤钨灯光源12位于风洞试验段13外侧，卤钨灯光源12出的光投射到第一纹影反射镜11表面，经第一纹影反射镜11反射以后的平行光束17穿过风洞观察窗15对进气道模型总成16进行照明，进气道模型总成16位于风洞试验段13内部并位于风洞喷管21出口，风洞观察窗15位于风洞试验段13的端部，第二纹影反射镜18与第一纹影反射镜11相向设置，平行光束17投射到第二纹影反射镜18经第二纹影反射镜18反射后到达高速摄像机19，高速摄像机19与计算机20连接。
作为优选方式，所述高速摄影实验系统中，卤钨灯光源12发出的光经扩束后变成发散光束入射到第一纹影反射镜11的表面，从第一纹影反射镜11出射的平行光束17通过风洞观察窗15的第一窗口进入风洞试验段13对进气道模型总成16进行投影照明，经过进气道模型总成16的平行光束17从与风洞观察窗15的第一窗口正对的第二窗口出射后入射到第二纹影反射镜18的表面，经第二纹影反射镜18会聚后到达高速摄像机19的镜头上，通过对高速摄像机19进行调焦将进气道模型总成16成像在高速摄像机的CCD上，高速摄像机19通过千兆网络与计算机20相连，计算机20将采集到的图像进行存储和处理分析。
为实现上述发明目的，本发明还提供一种利用上述装置进行激波风洞进气道自起动试验的节流方法，在进气道出口端部安装气动旋转门装置，确保在激波风洞流场稳定前气动旋转门始终处于关闭状态，流场稳定后气动旋转门被气流推动在1毫秒时间内打开使进气道起动，给进气道自起动试验中流场的数据测量留下足够的时间。
本发明的有益效果为：本发明可以方便地对激波风洞中进气道自起动试验进行有效的自动节流控制，为掌握进气道流动控制规律及高超声速进气道设计提供可靠的试验依据。
附图说明
图1是本发明中的气动旋转门结构示意图；
图2是气动旋转门结构与进气道的装配示意图；
图3是激波风洞进气道自起动试验出口气动旋转门动作历程高速摄影实验系统图；
图4是激波风洞进气道自起动试验出口气动旋转门动作历程的高速摄影图；
1为进气道出口的端部，2为轴套，3为安装孔，4为进气道模型支杆，5为进气道模型总成与支杆的固定螺钉，6为转轴基座，7为限位台阶，8为转轴，9为门板，10为进气道，11为第一纹影反射镜，12为卤钨灯光源，13为风洞试验段，14为模型支座，15为风洞观察窗，16为进气道模型总成，17为平行光束，18为第二纹影反射镜，19为高速摄像机，20为计算机，21为风洞喷管。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
实施例1
一种激波风洞进气道自起动试验出口气动旋转门装置，包括：位于进气道出口端部的门板9，门板9通过轴套2与转轴8转动连接，转轴8固定于风洞进气道出口端部下方，门板9的下沿垂直连接限位台阶7，门板的尺寸大于进气道内流道的尺寸且小于进气道出口端面的外轮廓尺寸，从而使门板在进气道起动前封闭进气道但不超出进气道出口端面的外轮廓，限位台阶7限定门板9绕转轴8的转动不大于90度，门板9的上沿紧贴进气道出口端部，门板9的下沿与进气道出口端部留有间隙，使倾斜的门板9与进气道出口端面之间的夹角为3-5°，门板9斜靠在进气道出口端部，防止气动旋转门在激波风洞流场尚未稳定前因震动等因素被提前打开，风洞流场稳定后进气道起动，气动旋转门被气流推动绕转轴8旋转从而在1毫秒时间内打开进气道，从而使进气道起动。
本实施例中，风洞来流条件为：马赫数11.6，总温7880K，总压17.6MPa。
具体的，门板厚度2.5mm，转轴直径5mm，门板和转轴材料为304不锈钢。
实施例2
本实施例提供一种利用实施例1的装置进行激波风洞进气道自起动试验出口气动旋转门动作历程高速摄影的方法，在进气道出口端部安装气动旋转门装置，然后对进气道进行自起动试验，采用阴影仪系统作为气动旋转门装置的投影照明系统，通过高速摄像机将高速气动旋转门在进气道自起动试验中动作历程的投影图像成像记录到摄像机CCD上，然后经千兆网络传输至计算机进行存储分析。
具体的，阴影仪系统的光源是36V400W卤钨灯，高速相机的拍摄帧频为10000fps，曝光时间为1/440000s，图像的像素分辨率为896*848。
实施例3
本实施例提供实施例1或实施例2中的一种高速摄影实验系统，包括第一纹影反射镜11，卤钨灯光源12，风洞试验段13，模型支座14，风洞观察窗15，进气道模型总成16，平行光束17，第二纹影反射镜18，高速摄像机19，计算机20，风洞喷管21；
进气道模型总成16固定在模型支座14上，模型支座14位于风洞试验段13的中轴线上，第一纹影反射镜11和第二纹影反射镜18分别位于风洞试验段外面的两端，卤钨灯光源12位于风洞试验段13外侧，卤钨灯光源12发出的光投射到第一纹影反射镜11表面，经第一纹影反射镜11反射以后的平行光束17穿过风洞观察窗15对进气道模型总成16进行照明，进气道模型总成16位于风洞试验段13内部并位于风洞喷管21出口，风洞观察窗15位于风洞试验段13的端部，第二纹影反射镜18与第一纹影反射镜11相向设置，平行光束17投射到第二纹影反射镜18经第二纹影反射镜18反射后到达高速摄像机19，高速摄像机19与计算机20连接。
本实施例所述的高速摄影实验系统中，卤钨灯光源12发出的光经扩束后变成发散光束入射到第一纹影反射镜11的表面，从第一纹影反射镜11出射的平行光束17通过风洞观察窗15的第一窗口进入风洞试验段13对进气道模型总成16进行投影照明，经过进气道模型总成16的平行光束17从与风洞观察窗15的第一窗口正对的第二窗口出射后入射到第二纹影反射镜18的表面，经第二纹影反射镜18会聚后到达高速摄像机19的镜头上，通过对高速摄像机19进行调焦将进气道模型总成16成像在高速摄像机的CCD上，高速摄像机19通过千兆网络与计算机20相连，计算机20将采集到的图像进行存储和处理分析。
具体的，气动旋转门动作历程的高速摄影实验拍摄结果如图4所示。图4(a)显示流场未稳定前气动旋转门处于关闭状态，图4(b)显示流场稳定瞬间气动旋转门即将打开状态，图4(c)显示流场稳定后气动旋转门打开30°状态，图4(d)显示流场稳定后气动旋转门打开45°状态，图4(e)显示流场稳定后气动旋转门完全打开状态，图4(f)显示稳定流场结束兼高速相机照相结束时气动旋转门状态，拍摄图片显示的结果与激波风洞中进气道自起动试验对气动旋转门装置的要求完全一致。
实施例4
本实施例提供一种利用实施例3的装置进行激波风洞进气道自起动试验的节流方法，在进气道出口端部安装气动旋转门装置，确保在激波风洞流场稳定前气动旋转门始终处于关闭状态，流场稳定后气动旋转门被气流推动在1毫秒时间内打开使进气道起动，给进气道自起动试验中流场的数据测量留下足够的时间。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (10)
1.一种激波风洞进气道自起动试验出口气动旋转门装置，其特征在于，包括：位于进气道出口端部的门板(9)，门板(9)通过轴套(2)与转轴(8)转动连接，转轴(8)固定于进气道出口端部下方，门板(9)的下沿垂直连接限位台阶(7)，门板的尺寸大于进气道内流道的尺寸且小于进气道出口端面的外轮廓尺寸，从而使门板在进气道起动前封闭进气道但不超出进气道出口端面的外轮廓，限位台阶(7)限定门板(9)绕转轴(8)的转动不大于90°，门板(9)的上沿紧贴进气道出口端部，门板(9)的下沿与进气道出口端部留有间隙，使倾斜的门板(9)与进气道出口端面之间的夹角为3-5°，风洞流场稳定后，气动旋转门在气流推动下绕转轴(8)旋转被打开，从而使进气道起动。
2.根据权利要求1所述的激波风洞进气道自起动试验出口气动旋转门装置，其特征在于：风洞来流条件为：马赫数11.6，总温7880K，总压17.6MPa。
3.根据权利要求1所述的激波风洞进气道自起动试验出口气动旋转门装置，其特征在于：激波风洞流场稳定时间为毫秒量级。
4.根据权利要求1所述的激波风洞进气道自起动试验出口气动旋转门装置，其特征在于：风洞流场稳定后，气动旋转门在气流推动下绕转轴旋转在1毫秒时间内被打开，从而使进气道起动。
5.根据权利要求1所述的激波风洞进气道自起动试验出口气动旋转门装置，其特征在于：门板厚度2.5mm，转轴直径5mm，门板和转轴材料为304不锈钢。
6.利用权利要求1至5任意一项装置的激波风洞进气道自起动试验出口气动旋转门动作历程高速摄影方法，其特征在于：在进气道出口端部安装气动旋转门装置，然后对进气道进行自起动试验，采用阴影仪系统作为气动旋转门装置的投影照明系统，通过高速摄像机将高速气动旋转门在进气道自起动试验中动作历程的投影图像成像记录到摄像机CCD上，然后经千兆网络传输至计算机进行存储分析。
7.根据权利要求6所述的高速摄影方法，其特征在于：阴影仪系统的光源是36V400W卤钨灯，高速相机的拍摄帧频为10000fps，曝光时间为1/440000s，图像的像素分辨率为896*848。
8.根据权利要求6所述的高速摄影方法，其特征在于：方法中使用的高速摄影实验系统包括第一纹影反射镜(11)，卤钨灯光源(12)，风洞试验段(13)，模型支座(14)，风洞观察窗(15)，进气道模型总成(16)，平行光束(17)，第二纹影反射镜(18)，高速摄像机(19)，计算机(20)，风洞喷管(21)；
进气道模型总成(16)固定在模型支座(14)上，模型支座(14)位于风洞试验段(13)的中轴线上，第一纹影反射镜(11)和第二纹影反射镜(18)分别位于风洞试验段(13)外面的两端，卤钨灯光源(12)位于风洞试验段(13)外侧，卤钨灯光源(12)发出的光投射到第一纹影反射镜(11)表面，经第一纹影反射镜(11)反射以后的平行光束(17)穿过风洞观察窗(15)对进气道模型总成(16)进行照明，进气道模型总成(16)位于风洞试验段(13)内部并位于风洞喷管(21)出口，风洞观察窗(15)位于风洞试验段(13)的端部，第二纹影反射镜(18)与第一纹影反射镜(11)相向设置，平行光束(17)投射到第二纹影反射镜(18)经第二纹影反射镜(18)反射后到达高速摄像机(19)，高速摄像机(19)与计算机(20)连接。
9.根据权利要求8所述的高速摄影方法，其特征在于：所述高速摄影实验系统中，卤钨灯光源(12)发出的光经扩束后变成发散光束入射到第一纹影反射镜(11)的表面，从第一纹影反射镜(11)出射的平行光束(17)通过风洞观察窗(15)的第一窗口进入风洞试验段(13)对进气道模型总成(16)进行投影照明，经过进气道模型总成(16)的平行光束(17)从与风洞观察窗(15)的第一窗口正对的第二窗口出射后入射到第二纹影反射镜(18)的表面，经第二纹影反射镜(18)会聚后到达高速摄像机(19)的镜头上，通过对高速摄像机(19)进行调焦将进气道模型总成(16)成像在高速摄像机的CCD上，高速摄像机(19)通过千兆网络与计算机(20)相连，计算机(20)将采集到的图像进行存储和处理分析。
10.利用权利要求1至5任意一项装置进行激波风洞进气道自起动试验的节流方法，其特征在于：在进气道出口端部安装气动旋转门装置，确保在激波风洞流场稳定前气动旋转门始终处于关闭状态，流场稳定后气动旋转门被气流推动在1毫秒时间内打开使进气道起动，给进气道自起动试验中流场的数据测量留下足够的时间。
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