CN111426445A - 一种路德维希管风洞及其扩展高马赫数方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种路德维希管风洞及其扩展高马赫数方法，属于高超声速风洞技术领域。本发明在传统路德维希管风洞的基础上中加入了稳定段，所述稳定段入口和快开阀出口匹配，稳定段出口和喷管入口匹配，在风洞快开阀和喷管段之间形成了一段稳定的亚声速流场，同时，设计了一种与稳定段相匹配的，喉道规格可替换喷管，由于稳定段的加入，可以在不改变风洞其他部件的前提下，仅通过换喉道规格不同的喷管实现风洞的运行马赫数扩展到高马赫数。通过本发明的技术方案，可实现路德维希管风洞的高马赫数扩展。该扩展高马赫数风洞的方法简单经济，且容易获得较好的试验流场，此外本发明也可作为一种改善路德维希管风洞流场质量的方法。

Description

一种路德维希管风洞及其扩展高马赫数方法
技术领域
本发明属于高超声速风洞技术领域，更具体地，涉及一种路德维希管风洞及其扩展高马赫数方法。
背景技术
高超声速风洞作为空气动力学地面实验平台，是研究空气动力学不可或缺的实验装备。常规路德维希(Ludwieg)管风洞建设、使用和维护成本低，运行效率高，运行总温总压稳定。但常规路德维希(Ludwieg)管风洞马赫数单一，不适用于大速域空气动力学相关实验研究。目前仅有常规路德维希(Ludwieg)管风洞从基础马赫数往低马赫数扩展报道，对于高超声速飞行器的探索则需要高马赫数风洞设备的支撑。常规路德维希(Ludwieg)管风洞由基础马赫数往高马赫数扩展技术暂时空缺。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种路德维希管风洞及其扩展高马赫数方法，其目的在于在传统路德维希管风洞中加入了稳定段，通过稳定段的加入，可以在不改变风洞其他部件的前提下，仅通过换喉道规格不同的喷管实现风洞的运行马赫数扩展到高马赫数，由此解决常规路德维希管风洞由基础马赫数往高马赫数扩展的技术空缺。
为实现上述目的，本发明提供了一种路德维希管风洞，包括储气段，快开阀，稳定段、喷管，试验段，扩散段和真空罐，其特征在于，所述稳定段包括稳定段入口段、稳定段喉道、稳定段扩张段以及稳定段出口段；
所述稳定段入口段为收缩型面，所述稳定段入口段和所述快开阀联合设计，所述稳定段入口段的收缩型面和所述快开阀出口相匹配；
稳定段喉道位于稳定段入口段和稳定段扩张段之间；稳定段扩张段是扩张型面，稳定段扩张段和稳定段出口段相连；
所述稳定段出口段为圆筒型面，所述稳定段出口段和所述喷管联合设计，所述稳定段出口段的圆筒型面和所述喷管入口匹配；
所述喷管包括喷管入口段、喷管喉道和喷管出口段；所述喷管入口段为收缩型面，所述喷管入口段和所述稳定段联合设计，所述喷管入口和所述稳定段出口相匹配；
所述喷管喉道位于喷管入口段和喷管出口段之间；所述喷管出口段为扩张型面，所述喷管出口和所述试验段入口相匹配。
进一步地，所述稳定段出口段直径和风洞储气段直径一致。
进一步地，所述喷管为可替换部件，且包含多种规格；不同规格的喷管之间，喷管出口尺寸相同，喷管入口尺寸相同，喷管喉道直径不同；风洞通过替换喷管喉道直径不同的喷管实现调整风洞的运行马赫数。
进一步地，所述稳定段喉道直径由风洞基础马赫数和所述试验段入口直径决定；所述喷管喉道直径小于稳定段喉道直径。
进一步地，所述稳定段出口段的长度为试验段入口直径的2倍。
进一步地，所述稳定段出口段中有阻尼材料。
按照本发明的另一方面，本发明提供了一种路德维希管风洞扩展高马赫数方法，所述方法为：所述风洞中的喷管为可替换部件，且包含多种规格；不同规格的喷管之间，喷管出口尺寸相同，喷管入口尺寸相同，喷管喉道直径不同；风洞通过替换喷管喉道直径不同的喷管实现调整风洞的运行马赫数。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：
(1)本发明基于传统路德维希管风洞设计了一种新的路德维希管风洞，其中包括稳定段，以及喉道规格不同的可替换的喷管，该稳定段入口的收缩型面与快开阀联合设计，稳定段出口和喷管联合设计，气体在通过快开阀后，通过稳定段喉道，在稳定段中成为稳定的亚声速流场，由于稳定段的加入，可以在不改变风洞其他部件的前提下，仅通过换喉道规格不同的喷管实现风洞的运行马赫数扩展到高马赫数；
(2)本发明风洞扩展高马赫数风洞的方法简单、经济且灵活，只需提前准备好不同规格喉道的喷管，不同规格的喷管对应不同的扩展高马赫数，在需要时替换上对应马赫数的喷管即可实现高马赫数的风洞；
(3)本发明风洞不仅仅可以实现扩展高马赫数风洞，还可以通过在稳定段中合理布置阻尼材料，即可提高风洞运行的流场品质。
附图说明
图1是常规路德维希管风洞结构原理图；
图2是本发明路德维希管风洞结构原理图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1所示，传统路德维希管风洞包含储气段，快开阀，喷管，试验段，扩散段和真空罐。其中风洞运行马赫数由喷管喉道和出口的面积比决定的。喷管收缩段与喉道部分是与快开阀门配合的重要型面，需与快开阀联合设计。喷管出口尺寸直接决定风洞实验能力，且需和实验段接口尺寸匹配。
为在不改变常规路德维希管风洞部件的前提下实现风洞的高马赫数扩展，如图2所示，本申请方案在常规路德维希管风洞中加入亚声速流域的稳定段。稳定段的左端收缩型面与快开阀联合设计，稳定段的右端接喷管入口。通过更换入口和出口直径相同的高马赫数喷管即可以实现风洞的高马赫数扩展。
设稳定段和快开阀门之间为稳定段第一喉道，喷管收缩段和扩张段之间为喷管第二喉道。稳定段喉道面积由风洞基础马赫数和风洞喷管出口直径决定。
原有的风洞没有稳定段，这时候喷管喉道和快开阀配合。增加稳定段后，稳定段第一喉道和快开阀配合。在不改变快开阀的情况下，稳定段的喉道要和原有风洞喷管喉道保持一致。
需要向高马赫数扩展时，风洞中喷管第二喉道面积小于稳定段第一喉道。此时稳定段内部流动为亚声速，气流压力损失小，流动稳定，经过简单的稳流措施(稳定段内加合适的阻尼材料)即可在试验段内获得较好的超声速流场。
本方案旨在扩展传统路德维希管风洞的运行马赫数，提出了一种在不改变风洞部件的前提下实现传统路德维希管风洞往高马赫数扩展的方法。该方法核心思想是在风洞快开阀门和喷管段之间加入一段亚声速流动的稳定段，之后通过更换喷管实现风洞的高马赫数扩展。
在常规路德维希管风洞中加入稳定段。根据常规路德维希管风洞基础马赫数确定好稳定段喉部直径和出口直径。通过更换不同喉部直径喷管实现风洞运行马赫数的改变。在稳定段中加入合适的阻尼材料以提供风洞运行的流场品质。
由于稳定段的加入，可以在不改变风洞其他部件的前提下，仅通过换喷管实现风洞的运行马赫数扩展到高马赫数。此外稳定段可作为提高风洞流场品质的部件，在其中合理布置阻尼材料即可提高风洞运行的流场品质。
下面结合具体实施方式对本发明做进一步的详细说明。
实施例：路德维希管风洞变马赫数方法，本实施例选择对基础马赫数5，出口直径600毫米的路德维希管风洞进行高马赫数扩展设计。
具体步骤如下：
1，设计稳定段
稳定段喉道之前内部型面与风洞马赫5喷管内部型面保持一致。确保快开阀和稳定段收缩型面正常啮合。稳定段出口直径选择和风洞储气段直径保证一致。稳定段长度选为喷管出口直径的2倍，即1.2米。通过简单的型线设计得到稳定段扩张部分的内部型线。
2，装上高马赫数喷管
在稳定段后装上马赫8喷管，实现风洞向高马赫数扩展。除此之外还可以换装马赫6、7、9等喷管实现风洞的可变马赫数。
以上内容本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种路德维希管风洞，包括储气段，快开阀，稳定段、喷管，试验段，扩散段和真空罐，其特征在于，所述稳定段包括稳定段入口段、稳定段喉道、稳定段扩张段以及稳定段出口段；
所述稳定段入口段为收缩型面，所述稳定段入口段和所述快开阀联合设计，所述稳定段入口段的收缩型面和所述快开阀出口相匹配；
稳定段喉道位于稳定段入口段和稳定段扩张段之间；稳定段扩张段是扩张型面，稳定段扩张段和稳定段出口段相连；
所述稳定段出口段为圆筒型面，所述稳定段出口段和所述喷管联合设计，所述稳定段出口段的圆筒型面和所述喷管入口匹配；
所述喷管包括喷管入口段、喷管喉道和喷管出口段；所述喷管入口段为收缩型面，所述喷管入口段和所述稳定段联合设计，所述喷管入口和所述稳定段出口相匹配；
所述喷管喉道位于喷管入口段和喷管出口段之间；所述喷管出口段为扩张型面，所述喷管出口和所述试验段入口相匹配。
2.根据权利要求1所述的一种路德维希管风洞，其特征在于，所述稳定段出口段直径和风洞储气段直径一致。
3.根据权利要求2所述的一种路德维希管风洞，其特征在于，所述喷管为可替换部件，且包含多种规格；不同规格的喷管之间，喷管出口尺寸相同，喷管入口尺寸相同，喷管喉道直径不同；风洞通过替换喷管喉道直径不同的喷管实现调整风洞的运行马赫数。
4.根据权利要求3所述的一种路德维希管风洞，其特征在于，所述稳定段喉道直径由风洞基础马赫数和所述试验段入口直径决定；所述喷管喉道直径小于稳定段喉道直径。
5.根据权利要求4所述的一种路德维希管风洞，其特征在于，所述稳定段出口段的长度为试验段入口直径的2倍。
6.根据权利要求1所述的一种路德维希管风洞，其特征在于，所述稳定段出口段中有阻尼材料。
7.根据权利要求1所述的一种路德维希管风洞扩展高马赫数方法，其特征在于，所述方法为：所述风洞中的喷管为可替换部件，且包含多种规格；不同规格的喷管之间，喷管出口尺寸相同，喷管入口尺寸相同，喷管喉道直径不同；风洞通过替换喷管喉道直径不同的喷管实现调整风洞的运行马赫数。
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