CN111473942B - 基于风洞的磁流体加速系统及加速优化方法 - Google Patents

Abstract

公开了基于风洞的磁流体加速系统及加速优化方法，系统中，纳秒脉冲发生器可调节参数，所述参数包括脉冲上升沿、脉宽、幅值和频率，真空腔本体配置成密封结构，加热单元设在所述真空腔本体内部以调节温度，气压控制单元经由设在所述真空腔本体的气孔连通其内部以调节气压，上电极动密封地贯通所述真空腔本体的上表面，下电极密封地贯通所述真空腔本体的下表面，上电极和下电极在所述真空腔本体内部相距预定距离形成放电间隙，所述预定距离经由调节上电极而调整，永磁体设在所述真空腔本体内部以生成可调节的磁场，所述磁场覆盖所述放电间隙以磁流体加速，电参数测量装置配置成测量放电间隙的电压电流特性。

Description

基于风洞的磁流体加速系统及加速优化方法

技术领域

本发明涉及风洞技术领域，特别是一种基于风洞的磁流体加速系统及加速优化方法。

背景技术

风洞的模拟试验能力对飞行器的研制具有重大意义。随着航天航空事业的日益发展，飞行器的飞行速度日趋提高，从一开始亚音速逐步发展到现在的高超声速，于此同时飞行器的研制也对风洞的性能有了更高的要求。

磁流体加速技术可以有效的提升风洞性能，但是其在具体应用时，同时涉及电场、气压、温度、磁场等多条件的复杂环境，对于具体的应用参数设计具有较大难度。

在背景技术部分中公开的上述信息仅仅用于增强对本发明背景的理解，因此可能包含不构成本领域普通技术人员公知的现有技术的信息。

发明内容

针对上述问题，本发明提供了基于风洞的磁流体加速系统及加速优化方法，能够对风洞中磁流体加速的进行优化设计，特别是小型风洞，解决了磁流体加速技术参数优化问题。本发明的目的是通过以下技术方案予以实现。

一种基于风洞的磁流体加速系统，其包括，

纳秒脉冲发生器，其配置成生成纳秒级脉冲，所述纳秒脉冲发生器可调节参数，所述参数包括脉冲上升沿、脉宽、幅值和频率，

真空腔，其配置成实现风洞环境，所述真空腔包括，

真空腔本体，其配置成密封结构，

加热单元，其设在所述真空腔本体内部以调节温度，

气压控制单元，其经由设在所述真空腔本体的气孔连通其内部以调节气压，

温度传感器，其测量所述真空腔本体内部的温度数据，

压力传感器，其测量所述真空腔本体内部的气压数据，

上电极，其动密封地贯通所述真空腔本体的上表面，所述上电极连接所述纳秒脉冲发生器的一端，

下电极，其密封地贯通所述真空腔本体的下表面，所述下电极连接所述纳秒脉冲发生器的另一端，所述上电极和下电极在所述真空腔本体内部相距预定距离形成放电间隙，所述预定距离经由调节上电极而调整，

永磁体，其设在所述真空腔本体内部以生成可调节的磁场，所述磁场覆盖所述放电间隙以磁流体加速，

电参数测量装置，其配置成测量放电间隙的电压电流特性。

所述的基于风洞的磁流体加速系统中，所述上电极螺纹连接所述真空腔本体以调节所述预定距离。

所述的基于风洞的磁流体加速系统中，所述永磁体通过螺纹结构控制永磁体位置以调节磁场大小。

所述的基于风洞的磁流体加速系统中，所述真空腔本体内壁设有保温层。

所述的基于风洞的磁流体加速系统中，压力传感器经由孔连通所述真空腔本体以测量气压数据。

所述的基于风洞的磁流体加速系统中，所述真空腔本体包括加热单元的电源连接口和观察窗。

所述的基于风洞的磁流体加速系统中，气压控制单元包括真空泵，所述气压控制单元气压调节范围为0.1kPa-50kPa，精确度不低于5％。

所述的基于风洞的磁流体加速系统中，加热单元包括电加热器，所述加热单元的温度调节范围为300K-550K，精确度不低于2％。

本发明又一方面，一种所述基于风洞的磁流体加速系统的加速优化方法包括以下步骤，

第一步骤，经由加热单元和气压控制单元调节真空腔本体内部的温度和气压，经由上电极调节所述预定距离，调节所述永磁铁使得磁场处于最小磁场强度下，

第二步骤，控制所述纳秒脉冲发生器输出最短脉冲上升沿及脉宽的脉冲，调节脉冲幅值并记录电流波形直到获得预定电流波形的电压值，基于电压值计算放电沉积能量，调节脉冲上升沿与脉宽，调节脉冲幅值并记录电流波形直到获得预定电流波形的电压值，基于电压值计算放电沉积能量，获得不同脉冲上升沿及脉宽的脉冲下的放电沉积能量，

第三步骤，调节所述永磁铁使得磁场强度增加后重复第二步骤，最高放电沉积能量对应的磁场强度和所述参数作为磁流体加速的参数设置。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明种针对如小型风洞中磁流体加速进行优化，针对性强、运用范围广，对于单个风洞而言，本发明可以对其提出针对性的参数优化；而对于各种结构与马赫数的小型风洞而言，本发明均可以优化其磁流体加速技术，极大程度上增强了能量耦合效果，提升了风洞总焓。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够使得本发明的技术手段更加清楚明白，达到本领域技术人员可依照说明书的内容予以实施的程度，并且为了能够让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，下面以本发明的具体实施方式进行举例说明。

附图说明

通过阅读下文优选的具体实施方式中的详细描述，本发明各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。说明书附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。显而易见地，下面描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。而且在整个附图中，用相同的附图标记表示相同的部件。

在附图中：

图1是本发明的基于风洞的磁流体加速系统整体示意图；

图2(A)和图2(B)是本发明基于风洞的磁流体加速系统的真空腔体结构示意图；

图3(A)和图3(B)是本发明基于风洞的磁流体加速系统的电流波形示意图。

以下结合附图和实施例对本发明作进一步的解释。

具体实施方式

下面将参照附图1至附图3(B)更详细地描述本发明的具体实施例。虽然附图中显示了本发明的具体实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。

需要说明的是，在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可以理解，技术人员可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名词的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”或“包括”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。说明书后续描述为实施本发明的较佳实施方式，然所述描述乃以说明书的一般原则为目的，并非用以限定本发明的范围。本发明的保护范围当视所附权利要求所界定者为准。

为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个附图并不构成对本发明实施例的限定。

为了更好地理解，如图1至图2(B)所示，一种基于风洞的磁流体加速系统包括，

纳秒脉冲发生器12，其配置成生成纳秒级脉冲，所述纳秒脉冲发生器12可调节参数，所述参数包括脉冲上升沿、脉宽、幅值和频率，

真空腔，其配置成实现风洞环境，所述真空腔包括，

真空腔本体4，其配置成密封结构，

加热单元3，其设在所述真空腔本体4内部以调节温度，

气压控制单元，其经由设在所述真空腔本体4的气孔11连通其内部以调节气压，

温度传感器1，其测量所述真空腔本体4内部的温度数据，

压力传感器，其测量所述真空腔本体4内部的气压数据，

上电极2，其动密封地贯通所述真空腔本体4的上表面，所述上电极2连接所述纳秒脉冲发生器12的一端，

下电极5，其密封地贯通所述真空腔本体4的下表面，所述下电极5连接所述纳秒脉冲发生器12的另一端，所述上电极2和下电极5在所述真空腔本体4内部相距预定距离形成放电间隙，所述预定距离经由调节上电极2而调整，

永磁体6，其设在所述真空腔本体4内部以生成可调节的磁场，所述磁场覆盖所述放电间隙以磁流体加速，

电参数测量装置，其配置成测量放电间隙的电压电流特性。

所述的基于风洞的磁流体加速系统的优选实施例中，所述上电极2螺纹连接所述真空腔本体4以调节所述预定距离。

所述的基于风洞的磁流体加速系统的优选实施例中，所述永磁体6通过螺纹结构控制永磁体6位置以调节磁场大小。

所述的基于风洞的磁流体加速系统的优选实施例中，所述真空腔本体4内壁设有保温层7。

所述的基于风洞的磁流体加速系统的优选实施例中，压力传感器经由通孔8连通所述真空腔本体4以测量气压数据。

所述的基于风洞的磁流体加速系统的优选实施例中，所述真空腔本体4包括加热单元3的电源连接口10和观察窗9。

所述的基于风洞的磁流体加速系统的优选实施例中，气压控制单元包括真空泵，所述气压控制单元气压调节范围为0.1kPa-50kPa，精确度不低于5％，这在保证风洞模拟环境准确性的基础上扩大了气压范围。

所述的基于风洞的磁流体加速系统的优选实施例中，加热单元3包括电加热器，所述加热单元3的温度调节范围为300K-550K，精确度不低于2％。这在保证风洞模拟环境准确性的基础上扩大了温度范围。

所述的电参数测量装置的优选实施例中，其包括采集放电间隙电参数的电流探针和示波器13，所述示波器13一端连接所述电流探针，另一端连接所述纳秒脉冲发生器12。

为了进一步理解本发明，在一个实施例中，基于风洞的磁流体加速系统包括：纳秒脉冲发生器12、如电参数测试平台的电参数测量装置、如可调性磁铁的永磁体6、温度控制系统、气压控制系统、真空腔。风洞环境模拟通过真空泵以及气压传感器组成的气压控制系统实现相同静压环境，通过电加热器以及温度传感器1组成的温度控制系统实现气体温度控制，通过调节磁铁相对位置控制环境磁场强度。如电参数测量装置的电参数测试平台包括精密电压、电流探针以及示波器13组成，用于测量放电间隙电压电流特性。

在一个实施例中，所述纳秒脉冲发生器12可实现脉冲上升沿、脉宽、幅值、频率可调节，且满足风洞实际应用功率要求。

在一个实施例中，所述真空泵与气压控制系统可以实现0.1kPa～50kPa的气压调节范围，并且精确度不低于5％。

在一个实施例中，所述温度控制系统可实现300K～550K的温度调节范围，并且精确度不低于2％。

在一个实施例中，所述永磁体6可实现中心磁场强度最大值不小于0.1T。

在一个实施例中，所述真空腔可实现电极的预定距离0-20mm可调节。

在一个实施例中，上电极2采用动密封结构，以便于调节电极距离，其针尖材料为铜钨合金，通过螺纹结构与上电极连接。下电极5的电极材料为304不锈钢。永磁体6通过螺纹结构控制永磁体位置，调节磁场大小。电加热器3通过内嵌的方式连接于腔体内壁，最高加热温度为550K。温度传感器1获取腔内温度，控制加热器保持温度腔内于设定值。7为保温层，以减少热量传递，保持腔内温度稳定。气压通过气孔11进行调节，并且通过通孔8连接的压力传感器进行气压测量。观察窗9可以观察内部电极距离及放电情况。

一种所述基于风洞的磁流体加速系统的加速优化方法包括以下步骤，

第一步骤，经由加热单元3和气压控制单元调节真空腔本体4内部的温度和气压，经由上电极2调节所述预定距离，调节所述永磁铁使得磁场处于最小磁场强度下，

第二步骤，控制所述纳秒脉冲发生器12输出最短脉冲上升沿及脉宽的脉冲，调节脉冲幅值并记录电流波形直到获得预定电流波形的电压值，基于电压值计算放电沉积能量，调节脉冲上升沿与脉宽，调节脉冲幅值并记录电流波形直到获得预定电流波形的电压值，基于电压值计算放电沉积能量，获得不同脉冲上升沿及脉宽的脉冲下的放电沉积能量，

第三步骤，调节所述永磁铁使得磁场强度增加后重复第二步骤，最高放电沉积能量对应的磁场强度和所述参数作为磁流体加速的参数设置。

在一个实施方式中，加速优化方法包括，

在实际应用时根据风洞的实际环境，利用所述温度控制系统、气压控制系统复现风洞气压、温度环境，并根据风洞结构调节电极的预定距离。

选取根据应用所需脉冲频率，在所示磁铁可实现的最小磁场强度下，控制所述纳秒脉冲源输出可实现最短上升沿、脉宽的脉冲，调节脉冲幅值并记录电流波形，与典型波形对比。如图3(A)和图3(B)所示，若与典型电流波形A相同，则提升电压幅值，若与典型波形B相同，则降低电压幅值，直到找到在多次脉冲中可能出现两种典型波形的电压值，并在该条件下计算放电沉积能量。调节脉冲上升沿与脉宽，重复上述过程，获得不同条件下单次放电的沉积能量。

调节磁场强度，重复上述过程，比较各条件下沉积能量，对应沉积能量最高的条件即为该结构风洞中磁流体加速技术最佳应用方案。

在一个实施方式中，所述气压复现时为调节气压与风洞静压相同。

在一个实施方式中，所述温度复现时为调节温度与风洞气流温度相同。

本发明提出的一种针对小型风洞中优化磁流体加速技术应用设计的平台及方法，对小型风洞磁流体加速技术应用的设计提供了优化方案。本发明针对性强、运用范围广，对于单个风洞而言，本发明可以对其提出针对性的优化方案；而对于各种结构与马赫数的小型风洞而言，本发明均可以应用于其磁流体加速技术应用优化上。

工业实用性

本发明所述的基于风洞的磁流体加速系统及加速优化方法可以在风洞领域制造并使用。

以上结合具体实施例描述了本申请的基本原理，但是，需要指出的是，在本申请中提及的优点、优势、效果等仅是示例而非限制，不能认为这些优点、优势、效果等是本申请的各个实施例必须具备的。另外，上述公开的具体细节仅是为了示例的作用和便于理解的作用，而非限制，上述细节并不限制本申请为必须采用上述具体的细节来实现。

为了例示和描述的目的已经给出了以上描述。此外，此描述不意图将本申请的实施例限制到在此公开的形式。尽管以上已经讨论了多个示例方面和实施例，但是本领域技术人员将认识到其某些变型、修改、改变、添加和子组合。

Claims (9)

1.一种基于风洞的磁流体加速系统，其包括，

纳秒脉冲发生器，其配置成生成纳秒级脉冲，所述纳秒脉冲发生器可调节参数，所述参数包括脉冲上升沿、脉宽、幅值和频率，

真空腔，其配置成实现风洞环境，所述真空腔包括，

真空腔本体，其配置成密封结构，

加热单元，其设在所述真空腔本体内部以调节温度，

气压控制单元，其经由设在所述真空腔本体的气孔连通其内部以调节气压，

温度传感器，其测量所述真空腔本体内部的温度数据，

压力传感器，其测量所述真空腔本体内部的气压数据，

上电极，其动密封地贯通所述真空腔本体的上表面，所述上电极连接所述纳秒脉冲发生器的一端，

下电极，其密封地贯通所述真空腔本体的下表面，所述下电极连接所述纳秒脉冲发生器的另一端，所述上电极和下电极在所述真空腔本体内部相距预定距离形成放电间隙，所述预定距离经由调节上电极而调整，

永磁体，其设在所述真空腔本体内部以生成可调节的磁场，所述磁场覆盖所述放电间隙以磁流体加速，

电参数测量装置，其配置成测量放电间隙的电压电流特性。

2.如权利要求1所述的基于风洞的磁流体加速系统，其中，所述上电极螺纹连接所述真空腔本体以调节所述预定距离。

3.如权利要求1所述的基于风洞的磁流体加速系统，其中，所述永磁体通过螺纹结构控制永磁体位置以调节磁场大小。

4.如权利要求1所述的基于风洞的磁流体加速系统，其中，所述真空腔本体内壁设有保温层。

5.如权利要求1所述的基于风洞的磁流体加速系统，其中，压力传感器经由孔连通所述真空腔本体以测量气压数据。

6.如权利要求1所述的基于风洞的磁流体加速系统，其中，所述真空腔本体包括加热单元的电源连接口和观察窗。

7.如权利要求1所述的基于风洞的磁流体加速系统，其中，气压控制单元包括真空泵，所述气压控制单元气压调节范围为0.1kPa-50kPa，精确度不低于5％。

8.如权利要求1所述的基于风洞的磁流体加速系统，其中，加热单元包括电加热器，所述加热单元的温度调节范围为300K-550K，精确度不低于2％。

9.一种权利要求1-8中任一项所述基于风洞的磁流体加速系统的加速优化方法，其包括以下步骤，

第一步骤，经由加热单元和气压控制单元调节真空腔本体内部的温度和气压，经由上电极调节所述预定距离，调节所述永磁体使得磁场处于最小磁场强度下，

第二步骤，控制所述纳秒脉冲发生器输出最短脉冲上升沿及脉宽的脉冲，调节脉冲幅值并记录电流波形直到获得预定电流波形的电压值，基于电压值计算放电沉积能量，调节脉冲上升沿与脉宽，调节脉冲幅值并记录电流波形直到获得预定电流波形的电压值，基于电压值计算放电沉积能量，获得不同脉冲上升沿及脉宽的脉冲下的放电沉积能量，

第三步骤，调节所述永磁体使得磁场强度增加后重复第二步骤，最高放电沉积能量对应的磁场强度和所述参数作为磁流体加速的参数设置。

Images