CN111077345A - 一种高温超声速纯净气体流场环境下马赫数校准方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种高温超声速纯净气体流场环境下马赫数校准方法，采用高温纯洁气体作为来流，通过高温高压换热装置获得高温，均流装置形成均匀流场，采用超音速喷管形成特定超声速流。与常规校准风洞下的校准方法相比，本发明的校准方法，一方面利用纯洁空气或氮气作为风洞的来流，绝热指数不受燃气成分影响，解决通过燃料燃烧形成的高温气体燃气成分变化大，绝热指数不断变化，影响马赫数；一方面，通过高温燃气发生器设备和高温高压换热器组合方式，实现大流量高压纯洁气体的高效换热，获得高温高压气体。本发明解决了由于污染燃气的绝热指数变化影响马赫数校准结果，显著降低了校准的不确定度，满足高超声速流场马赫数校准的使用要求。

Description

一种高温超声速纯净气体流场环境下马赫数校准方法

技术领域

本发明涉及一种高温超声速纯净气体流场环境下马赫数校准方法，属于超声速、高超声速液体动力系统地面试验技术领域，主要涉及超声速、高超声速液体动力系统地面试验系统模拟来流马赫数测量装置的校准，具体是一种高温超声速纯净气体流场环境下马赫数校准方法，用于高温超声速流场的马赫数校准方法研究和测量装置校准实验。

背景技术

超声速、高超声速液体动力系统研制过程中，需要开展大量地面模拟试验，模拟试验有效性的前提是动力系统入口来流与真实飞行来流一致，具有高温、高压和超声速的特点。地面模拟试验系统或风洞的模拟来流最重要的参数是马赫数。由于模拟来流具有高温高压超声速的特点，采用非接触式测量需要设置光学玻璃，难度很大，马赫数测量装置依然是评定来流的最常用接触式测量设备。但马赫数测量装置置于超声速流场，将产生激波，激波前和激波后的总温、总压参数不一致，实际测量感受到的是激波后的参数，不恰当的探头结构引起的紊乱的激波系，无法得到真正的压力和温度参数，导致马赫数偏离实际流场参数。由于马赫数测量装置结构设置不一，测量准确度、不确定度和修正系数需要在标准风洞中进行标定。

目前国内高温环境下的校准风洞为亚声速风洞，超声速标准风洞为常温高压风洞，缺乏高温高压超声速流风洞，没有形成高温高压超声速环境下的马赫数校准方法。此外，高温高压超声速环境下的马赫数由计算获得，需要同时获得当地点总温、总压、静压和气体的比热比。气体的比热比是燃气成分、温度的函数，并且由燃料燃烧形成的燃气实际成分往往是不确定的、变化的或者根本无法准确获得，使得实际气体比热比未知，而比热比在计算马赫数影响很大，因此高温超声速纯净气体流场环境进行马赫数测量装置的校准具有很大的先进性，但该方法在国外也鲜有报道。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种高温超声速纯净气体流场环境下马赫数校准方法，采用高温纯洁气体作为来流，通过高温高压换热装置获得高温，均流装置形成均匀流场，采用超音速喷管形成特定超声速流。与常规校准风洞下的校准方法相比，本发明的校准方法，一方面利用纯洁空气或氮气作为风洞的来流，绝热指数不受燃气成分影响，解决通过燃料燃烧形成的高温气体燃气成分变化大，绝热指数不断变化，影响马赫数；一方面，通过高温燃气发生器设备和高温高压换热器组合方式，实现大流量高压纯洁气体的高效换热，获得高温高压气体。本发明解决了由于污染燃气的绝热指数变化影响马赫数校准结果，显著降低了校准的不确定度，满足高超声速流场马赫数校准的使用要求。

本发明目的通过以下技术方案予以实现：

一种高温超声速环境下现场校准直连试验系统，包括加热器、换热器、均流装置、超声速喷管、马赫数校准装置；

所述加热器输出高温燃气给换热器；纯净气体通过所述换热器换热后进入均流装置；所述均流装置内设有格栅；所述超声速喷管安装在均流装置的下游，所述马赫数校准装置安装在超声速喷管的下游。

优选的，所述均流装置包括入口扩散段、整流段、第一格栅、第二格栅，所述整流段包括第一平直段和第二平直段，所述第一格栅安装在入口扩散段和第一平直段的连接面，所述第二格栅安装在第一平直段和第二平直段的连接面。

优选的，所述第一格栅、第二格栅上均设有通孔，且呈蜂窝状分布；所述第一格栅上的通孔直径大于所述第二格栅上的通孔直径；所述第一格栅的通孔的总面积和第二格栅的通孔的总面积相等。

优选的，所述换热器选用盘管式换热器，所述加热器输出高温燃气位于换热器的盘管外，所述纯净气体位于换热器的盘管内；所述纯净气体与高温燃气逆向流动。

优选的，所述加热器的温度可调。

优选的，所述纯净气体的流量和压力均可调。

一种高温超声速纯净气体流场环境下马赫数校准方法，采用上述的高温超声速环境下现场校准直连试验系统，包括如下步骤：

S1、将马赫数校准装置通过法兰置于超声速喷管出口测量段，与气流成90°夹角，通过马赫数校准装置测量得到模拟来流的总温、总压和静压；

S2、将马赫数测量装置通过法兰置于超声速喷管出口测量段，与气流成90°度夹角，通过马赫数测量装置得到模拟来流的总温、总压和静压；

S3、利用纯洁气体的温度计算纯洁气体的比热比，然后获得当地的马赫数；

S4、根据马赫数测量装置和马赫数校准装置的测量结果进行比对，获得不同纯净气体来流条件下的测量装置的测量精度和修正系数。

优选的，所述纯净气体为纯净空气或纯净氮气。

本发明相比于现有技术具有如下有益效果：

(1)本发明采用高温换热装置，解决了高压大流量纯洁气体高温换热的难题；

(2)本发明采用高温高压纯洁气体通过均流装置、超声速喷管形成高温纯洁气体超声速流场环境，纯净气体可采用纯洁空气或氮气，气体成分已知，相应的绝热指数仅仅为温度的函数且基本为常数，不受气体成分差异而影响测量马赫数，有效解决了有效解决了模拟来流气体成分未知导致气体比热比未知，严重影响实际超声速流场马赫数的难题；

(3)本发明通过提供纯洁气体温度和压力均可调的超声速流场环境，有效实现了宽范围马赫数的校准；

(4)本发明提供的校准方法，在来流马赫数Ma＝2～3.2，校准不确定度U＝0.15Ma(k＝2)。

附图说明

图1为本发明的高温超声速环境下现场校准直连试验系统示意图；

图2是本发明的均流装置总体结构图；

图3为本发明的第一格栅结构示意图；

图4为本发明的第二格栅结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的实施方式作进一步详细描述。

图1为实现该方法的高温超声速环境下现场校准直连试验系统示意图。本发明的高温超声速环境下现场校准直连试验系统，包括一个加热器、换热器、均流装置、超声速喷管和校准装置，以及空气供应系统、酒精供应系统、燃气废气排放等辅助设备。加热器头部连接空气供应系统、酒精供应系统，酒精和空气按特定比例在加热器中燃烧产生高温燃气。加热器的出口连接换热器的一端，换热器为能在高压高温环境下工作的盘管式换热器，加热器产生的高温气体位于换热器盘管外，纯净气体通入换热器盘管内，纯净气体与高温气体逆向流动。换热器的纯净气体换热后进入均流装置，均流装置内设有格栅，格栅上设有通孔，格栅起整流和减小超声速喷管内振荡波向校准装置传递的作用。

本发明的均流装置如图2所示，均流装置设置的格栅为2道，如图3和图4所示，采用高温合金钢GH202材料制成，具有整流效果好、耐高温高压和流阻损失小的优点。本发明的加热器温度可调，换热器的纯净气体流量、压力可调。

一种高温超声速纯净气体流场环境下马赫数现场校准实验方法，利用加热器1产生高温高压富燃燃气，对换热器2中的纯净气体进行换热，在校准装置中形成相对均匀的高温高压超声速气体流场环境。

对于某一气流环境下超声速流场的当地马赫数，计算式如下：

式中，P₀、P_s分别为当地气流总压和静压；κ为该点实际气体的比热比，根据当地的总温和气体成分的质量分数迭代求得，对于特定气体是总温T0的函数。

由关系式(1)可知，要准确测量超声速气流的马赫数，影响最大的参数和测量不确定度是实际气体的比热比，若采用燃料燃烧的方式产生高温高压燃气，燃烧产物气体成分难以确定，并受环境温度、压力等变化较大。燃气成分不确定，一方面燃气成分辐射系数不准确，导致总温测量一定的误差；一方面难以确定实际气体的比热比κ。最终导致马赫数校准、测量结果，使得难以评估马赫数校准的不确定度。本发明采用纯净气体，很好地解决了常规燃烧燃气风洞的不足。

使用本发明的实验方法可进行以下实验：

(1)将马赫数校准装置通过法兰置于超声速喷管出口测量段，通过马赫数校准装置测量得到模拟来流的总温、总压和静压；

(2)将马赫数测量装置通过法兰置于超声速喷管出口测量段，安装位置与马赫数测量装置呈90°或180°，通过马赫数测量装置得到模拟来流的总温、总压和静压；

(3)通过纯洁气体的温度得到对应的比热比，采用计算关系式(1)获得当地的马赫数；

(4)马赫数测量装置和马赫数校准装置的结果进行比对，获得不同纯净气体来流条件下的测量装置的测量精度、修正系数。

高温超声速纯净气体流场环境生成装置采用一套加热器产生富燃燃气，燃气的压力大于2.0MPa，温度为600K～1500K，通过改变酒精与空气比例使燃气温度在600K～1500K连续可调；燃气通过燃气发生器出口进入高温高压换热器燃气通道。

利用燃气发生器产生富燃燃气，高压换热器内管道的纯净气体换热后，依次通过纯净气体均流装置、超声速喷管，形成高温、高压、超声速模拟来流。所述超声速模拟来流是指纯净气体，压力不小于2.0MPa，温度600K～1500K连续可调，超声速流场的马赫数1.0～4.5连续可调。

所述的纯净气体指纯洁空气或氮气，气体成分已知，相应的绝热指数仅仅为温度的函数且基本为常数，不受气体成分差异而影响测量马赫数，显著降低了校准的不确定度。

高温超声速纯净气体流场环境生成装置采用的高温高压换热器采用高温高压盘管式，换热器盘管外侧为加热器高温燃气，盘管内侧为高压纯净气体。高压纯净气体通过换热后形成高温高压气体，并依次通过纯净气体均流装置、超声速喷管和马赫数校准测量装置。

所述校准不确定度在来流马赫数Ma＝2～3.2，校准不确定度：U＝0.15Ma(k＝2)。

本发明提出的高温超声速纯净气体流场环境下马赫数校准方法，使用了高温高压纯洁气体和通过超声速喷管形成高温超声速模拟来流，有效解决了模拟来流气体成分未知导致气体比热比未知，严重影响实际超声速流场马赫数，以及高压大流量纯洁气体难以形成高温高压来流的难题。

采用本发明的实验方法，为超声速、高超声速动力系统地面试验系统成功研制了多种马赫数测量装置，一方面为马赫数车测量装置的结构优化提供基础数据和依据，一方面对多种特定的试验系统马赫数测量装置进行标定和校准，提高测量精度，为型号研制提供技术支持。

实施例：

一种高温超声速环境下现场校准直连试验系统，包括加热器、换热器、均流装置、超声速喷管、马赫数校准装置；

所述加热器输出高温燃气给换热器；纯净气体通过所述换热器换热后进入均流装置；所述均流装置内设有格栅；所述超声速喷管安装在均流装置的下游，所述马赫数校准装置安装在超声速喷管的下游。

所述均流装置包括入口扩散段、整流段、第一格栅、第二格栅，所述整流段包括第一平直段和第二平直段，所述第一格栅安装在入口扩散段和第一平直段的连接面，所述第二格栅安装在第一平直段和第二平直段的连接面。，所述第一格栅、第二格栅上均设有通孔，且呈蜂窝状分布；所述第一格栅上的通孔直径大于所述第二格栅上的通孔直径；所述第一格栅的通孔的总面积和第二格栅的通孔的总面积相等。

所述换热器选用盘管式换热器，所述加热器输出高温燃气位于换热器的盘管外，所述纯净气体位于换热器的盘管内；所述纯净气体与高温燃气逆向流动。

所述加热器的温度可调。所述纯净气体的流量和压力均可调。

一种高温超声速纯净气体流场环境下马赫数校准方法，采用高温超声速环境下现场校准直连试验系统，包括如下步骤：

S1、将马赫数校准装置通过法兰置于超声速喷管出口测量段，与气流成90°夹角，通过马赫数校准装置测量得到模拟来流的总温、总压和静压；

S2、将马赫数测量装置通过法兰置于超声速喷管出口测量段，与气流成90°度夹角，通过马赫数测量装置得到模拟来流的总温、总压和静压；

S3、利用纯洁气体的温度计算纯洁气体的比热比，然后获得当地的马赫数；

S4、根据马赫数测量装置和马赫数校准装置的测量结果进行比对，获得不同纯净气体来流条件下的测量装置的测量精度和修正系数。

所述纯净气体为纯净空气或纯净氮气。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (8)

1.一种高温超声速环境下现场校准直连试验系统，其特征在于，包括加热器、换热器、均流装置、超声速喷管、马赫数校准装置；

所述加热器输出高温燃气给换热器；纯净气体通过所述换热器换热后进入均流装置；所述均流装置内设有格栅；所述超声速喷管安装在均流装置的下游，所述马赫数校准装置安装在超声速喷管的下游。

2.根据权利要求1所述的一种高温超声速环境下现场校准直连试验系统，其特征在于，所述均流装置包括入口扩散段、整流段、第一格栅、第二格栅，所述整流段包括第一平直段和第二平直段，所述第一格栅安装在入口扩散段和第一平直段的连接面，所述第二格栅安装在第一平直段和第二平直段的连接面。

3.根据权利要求2所述的一种高温超声速环境下现场校准直连试验系统，其特征在于，所述第一格栅、第二格栅上均设有通孔，且呈蜂窝状分布；所述第一格栅上的通孔直径大于所述第二格栅上的通孔直径；所述第一格栅的通孔的总面积和第二格栅的通孔的总面积相等。

4.根据权利要求1所述的一种高温超声速环境下现场校准直连试验系统，其特征在于，所述换热器选用盘管式换热器，所述加热器输出高温燃气位于换热器的盘管外，所述纯净气体位于换热器的盘管内；所述纯净气体与高温燃气逆向流动。

5.根据权利要求1所述的一种高温超声速环境下现场校准直连试验系统，其特征在于，所述加热器的温度可调。

6.根据权利要求1所述的一种高温超声速环境下现场校准直连试验系统，其特征在于，所述纯净气体的流量和压力均可调。

7.一种高温超声速纯净气体流场环境下马赫数校准方法，其特征在于，采用权利要求1～6之一所述的高温超声速环境下现场校准直连试验系统，包括如下步骤：

S1、将马赫数校准装置通过法兰置于超声速喷管出口测量段，与气流成90°夹角，通过马赫数校准装置测量得到模拟来流的总温、总压和静压；

S2、将马赫数测量装置通过法兰置于超声速喷管出口测量段，与气流成90°度夹角，通过马赫数测量装置得到模拟来流的总温、总压和静压；

S3、利用纯洁气体的温度计算纯洁气体的比热比，然后获得当地的马赫数；

S4、根据马赫数测量装置和马赫数校准装置的测量结果进行比对，获得不同纯净气体来流条件下的测量装置的测量精度和修正系数。

8.根据权利要求7所述的一种高温超声速纯净气体流场环境下马赫数校准方法，其特征在于，所述纯净气体为纯净空气或纯净氮气。

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