CN112729754A - 一种适用于超高温等离子体风洞的冷却器 - Google Patents

一种适用于超高温等离子体风洞的冷却器 Download PDF

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易欢
贾英胜
黄炳修
石运军
赵旭飞
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Abstract

本申请公开了一种适用于超高温等离子体风洞的冷却器，该冷却器包括：预冷导流锥部、管式冷却部以及收缩排气部；预冷导流锥部，包括扩压锥、导流锥以及水路管道；扩压锥为内部中空的锥形腔体结构，用于对输入的高温气流进行扩压和预冷；导流锥为内部中空的导流式腔体结构，设置于锥形腔体结构中，用于对锥形腔体结构中高温气流进行预冷；水路管道，用于支撑导流锥固定于扩压锥壳体上；管式冷却部，设置于预冷导流锥部的输出端，且内部设置冷却水，用于对预冷导流锥部输出的预冷后的气流进行降温得到冷却后的气流；收缩排气部，用于将冷却后的气流排出。本申请解决了现有技术中不能满足超高温等离子体风洞的低压损的冷却运行需求的技术问题。

Description

一种适用于超高温等离子体风洞的冷却器
技术领域
本申请涉及超高温等离子体风洞冷却技术领域，尤其涉及一种适用于超高温等离子体风洞的冷却器。
背景技术
超高温等离子体风洞是一种能够提供纯净的、长时间稳定运行的高焓等离子体射流的试验设备，可以开展高超声速飞行器等离子体鞘层电磁特性的研究，对军用及民用空间领域的探索均具有重大意义，是国内近年新兴发展的一个研究领域设备。相比常规风洞，等离子体风洞要求运行总温极高，总温一般在4000K量级以上，其下游必需的冷却设备必须能经受住该量级高温考核；等离子体风洞运行总压低，下游采用真空泵排气时，为维持风洞正常运行压比，对下游的冷却设备阻力损失要求极为严苛；等离子体风洞下游低真空排气设备为罗茨真空泵，不能耐受水环境。与传统风洞或试车台类冷却设备相比，其所需的冷却器必须同时满足超高温、低压损、无水的冷却运行需求。
目前，现有的风洞或试车台类设备用的高温冷却装置主要包括壳管式冷却器、喷水冷却器、喷水与壳管式组合冷却器等，其中，壳管式冷却器又分为管式冷却器和列管式冷却器，由于列管式冷却器是通过管外走高温气体，其与高温气流迎面接触的为小细管，冷却热流较为分散，可冷却的来流温度极高，一般可达6000K以上，但是，现有的列管式冷却器气流横略过换热管外侧，其压力损失为气动阻力损失，不能满足超高温等离子体风洞的低压损的冷却运行需求。
发明内容
本申请解决的技术问题是：针对现有技术中不能满足超高温等离子体风洞的低压损的冷却运行需求。本申请提供了一种适用于超高温等离子体风洞的冷却器，本申请实施例所提供的方案中，在冷却器的管式冷却部之前采用预冷导流锥部对高温气体进行扩压和预冷，然后通过管式冷却部对预冷后的气流进行进一步降温使得输入到冷却器中的高温气流降到常温。因此，本申请实施例所提供的方案中，采用预冷导流锥部和管式冷却部结合对高温气流进行降温，满足对超高温等离子体风洞的温度极高来流进行降温需求，以及预冷导流锥部对高温气体进行扩压，降低压损，以满足在对温度极高来流进行降温的基础上，实现超高温等离子体风洞的低压损的冷却运行需求。
第一方面，本申请实施例提供一种适用于超高温等离子体风洞的冷却器，该冷却器包括：预冷导流锥部、管式冷却部以及收缩排气部；其中，
所述预冷导流锥部，包括扩压锥、导流锥以及水路管道；所述扩压锥为内部中空的锥形腔体结构，包括输入端和输出端，用于对输入端输入的高温气流进行扩压和预冷；所述导流锥为内部中空的导流式腔体结构，设置于所述锥形腔体结构中，且与所述管式冷却部贯通连接，用于对所述锥形腔体结构中高温气流进行预冷；所述水路管道，贯穿所述扩压锥的壳体，用于支撑所述导流锥固定于所述扩压锥壳体上；
所述管式冷却部，设置于所述预冷导流锥部的输出端，且内部设置冷却水，用于对所述预冷导流锥部输出的预冷后的气流进行降温得到冷却后的气流；
所述收缩排气部，设置于所述管式冷却部的输出端，用于将所述冷却后的气流排出。
本申请实施例所提供的方案中，在冷却器的管式冷却部之前采用预冷导流锥部对高温气体进行扩压和预冷，然后通过管式冷却部对预冷后的气流进行进一步降温使得输入到冷却器中的高温气流降到常温。因此，本申请实施例所提供的方案中，采用预冷导流锥部和管式冷却部结合对高温气流进行降温，满足对超高温等离子体风洞的温度极高来流进行降温需求，以及预冷导流锥部对高温气体进行扩压，降低压损，以满足在对温度极高来流进行降温的基础上，实现超高温等离子体风洞的低压损的冷却运行需求。
可选地，所述扩压锥的全锥角取值范围为(0°，45°)，所述扩压锥的输出端直径为输入端直径的3～5倍。
可选地，所述扩压锥的全锥角为20°，所述扩压锥的输出端直径为输入端直径的4倍。
可选地，所述导流锥与所述扩压锥输入端之间的距离不小于1000mm，所述导流锥的全锥角取值范围为(20°，50°)。
可选地，所述导流锥包括钝头和输出端，所述钝头的半径取值范围为(40mm，60mm)，所述输出端的直径为所述扩压锥输入端直径的1～1.5倍。
可选地，所述导流锥的全锥角为30°，所述钝头的半径为50mm。
可选地，所述预冷导流锥部还包括：第一导流板，所述第一导流板沿着所述导流锥的中轴线设置于所述导流式腔体内部，用于使得所述导流锥内水路能拐弯经过所述钝头区域，增大对所述钝头高热流负载区域的冷却能力。
可选地，所述管式冷却部包括：前端板、后端板、壳体、多个第二导流板、多个换热管、进水口以及出水口；其中，
所述壳体与所述前端板以及所述后端板连接，用于形成内部中空的腔体结构；所述前端板以及所述后端板均设置有多个第一小孔；所述多个第二导流板上下交错设置于所述腔体结构内部，且设置有多个第二小孔；所述多个换热管按照预设间距平行于所述腔体结构中轴线设置于所述腔体结构内部，每个所述换热管直径与所述小孔的直径相同，与所述第一小孔焊接连接，且从所述第二小孔穿过；所述进水口设置于所述壳体上，用于向所述腔体结构中输入冷却水；所述出水口设置于所述壳体上，用于将所述腔体结构中冷却水放出。
可选地，所述每个换热管的直径取值范围为(50mm，60mm)，所述预设间距为所述每个换热管直径的2倍。
可选地，所述前端板厚度取值范围为(40mm，50mm)。
附图说明
图1为本申请实施例所提供的一种适用于超高温等离子体风洞的冷却器的结构示意图；
图2为本申请实施例所提供的一种管式冷却部的截面示意图。
附图标记：1：预冷导流锥部；2：管式冷却部；3：收缩排气部；11：扩压锥；12：导流锥；13：水路管道；14：第一导流板；121：钝头；122：输出端；21：前端板；22：后端板；23：壳体；24：多个第二导流板；25：多个换热管；26：进水口；27：出水口。
具体实施方式
本申请实施例提供的方案中，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本申请保护的范围。
为了更好的理解上述技术方案，下面通过附图以及具体实施例对本申请技术方案做详细的说明，应当理解本申请实施例以及实施例中的具体特征是对本申请技术方案的详细的说明，而不是对本申请技术方案的限定，在不冲突的情况下，本申请实施例以及实施例中的技术特征可以相互组合。
参见图1，本申请实施例所提供的一种适用于超高温等离子体风洞的冷却器，该装置包括：预冷导流锥部1、管式冷却部2以及收缩排气部3；其中，所述预冷导流锥部1，包括扩压锥11、导流锥12以及水路管道13；所述扩压锥11为内部中空的锥形腔体结构，包括输入端和输出端，用于对输入端输入的高温气流进行扩压和预冷；所述导流锥12为内部中空的导流式腔体结构，设置于所述锥形腔体结构中，且与所述管式冷却部2贯通连接，用于对所述锥形腔体结构中高温气流进行预冷；所述水路管道13，贯穿所述扩压锥11的壳体，用于支撑所述导流锥12固定于所述扩压锥11壳体上；所述管式冷却部2，设置于所述预冷导流锥部1的输出端，且内部设置冷却水，用于对所述预冷导流锥部1输出的预冷后的气流进行降温得到冷却后的气流；所述收缩排气部3，设置于所述管式冷却部2的输出端，用于将所述冷却后的气流排出。
在一种可能实现的方式中，所述扩压锥11的全锥角取值范围为(0°，45°)，所述扩压锥11的输出端直径为输入端直径的3～5倍。
进一步，在一种可能实现的方式中，所述扩压锥11的全锥角为20°，所述扩压锥11的输出端直径为输入端直径的4倍。
具体的，在本申请实施例所提供的方案中，扩压锥11的全锥角用θ1表示；扩压锥11的输入端直径用d1表示；输入到冷却器的高温气流的温度为4000K量级及以下，冷却后的气流温度需达到常温。在通过冷却器对高温气流进行冷却的过程中，首先将高温气流从扩压锥11输入端输入到锥形腔体结构中，且输入端的直径小于输出端的直径，可以使得高温气体输入速度逐步降低，不仅使得气流扩张过程中的气流死区更小，降低了高温气流在锥形腔体结构中扩张过程的气流分离，还可以使得高温气流在锥形腔体结构中运动过程中减速和均匀化，到达出口处的最大气流速度降低，其对后续管式冷却部前端板的气动冲击阻力降低，进而降低了后续气流流入管式冷却部2中入口压损。
进一步，在本申请实施例所提供的方案中，选取扩压锥11的全锥角取值范围为(0°，45°)，可以使得高温气流在流经扩压锥11的锥形腔体结构时形成较弱的涡流，使高温气流与扩压锥11充分换热冷却，完成高温气流的部分预冷。选取扩压锥11输出端直径为输入端直径的3～5倍，使得输出端直径大于输入端直径，使得集中在锥形腔体结构的高温气流充分降速扩散，降低了导流锥部1出口气流的热流密度，降低了高温气流对后续管式冷却部2的热负荷。
进一步，在一种可能实现的方式中，所述导流锥12与所述扩压锥11输入端之间的距离不小于1000mm，所述导流锥12的全锥角取值范围为(20°，50°)。
进一步，在一种可能实现的方式中，所述导流锥12包括钝头121和输出端122，所述钝头121的半径取值范围为(40mm，60mm)，所述输出端122的直径为所述扩压锥11输入端直径的1～1.5倍。
进一步，在一种可能实现的方式中，所述导流锥12的全锥角为30°，所述钝头121的半径为50mm。
具体的，在本申请实施例所提供的方案中，导流锥12的全锥角用θ2表示；导流锥12的输出端直径用d2表示；钝头121的半径用R表示；导流锥12与所述扩压锥11输入端之间的距离用L表示；导流锥12设置于扩压锥11的输出端，且与管式冷却部2贯通连接，使得管式冷却部2中的冷却水流入到导流锥12，进而通过导流锥12对扩压锥11腔体中的高温气流进行冷却。为了提高冷却器的冷却效果使得其满足高温等离子体风洞的需求，优选的导流锥12距离扩压锥11输入端的距离大于1000mm，由于导流锥12与扩压锥11输入端之间的距离大于1000mm，使得高温气流在扩压锥11中有足够的扩散空间，在具备足够的扩散空间条件下，高温气体在扩压锥11中扩散后可高温气流密度降低，更容易实现高温气流与周围环境的热交换，降低了预冷导流锥部1的整体热流负载，使其可满足4000K量级超温气流冷却需求。
进一步，在本申请实施例所提供的方案中，所述导流锥12采用钝头121结构，增大扩压锥11中高温气流与导流锥12的接触面积，进而实现与导流锥12中冷却水进行热交换，提高预冷导流锥部1的冷却能力，以实现将4000K高温气流冷却至2000K量级及以下。此种导流锥的位置、全锥角、锥底直径选取，与无导流锥或过于靠前的导流锥的预冷段相比，使预冷导流段内靠出口的气流死区减小，迫使气流涡结构前移，使预冷导流段前部的气流更充分混合，提高出口高温气流均匀度，降低出口最大气流速度，降低出口最大热流密度负荷，使后续管式冷却段前端板能够承受住该高温气流冲刷。
进一步，在本申请实施例所提供的方案中，为了将导流锥12设置于扩压锥11的锥形腔体结构中，预冷导流锥部1还设置有水路管道13。水路管道13支撑在扩压锥11的锥壳上，水路管道13贯穿导流锥12的锥壳，使得导流锥12固定于扩压锥11壳体上，进而使得导流锥12能够放置于高温气流内，且自身能承受高温气流，从而满足4000K量级超高温气流冷却使用需求。
进一步，为了提高冷却器的冷却效果，在一种可能实现的方式中，所述预冷导流锥部1还包括：第一导流板14，所述第一导流板14沿着所述导流锥12的中轴线设置于所述导流式腔体内部，用于使得所述导流锥12内水路能拐弯经过所述钝头121区域，增大对所述钝头121高热流负载区域的冷却能力。
具体的，在本申请实施例所提供的方案中，为了提高冷却器的冷却效果，预冷导流锥部1还设置有第一导流板14，第一导流板14沿着所述导流锥12的中轴线设置于所述导流式腔体内部，以使得导流锥12内冷却水流经钝头121区域时，增大在钝头121区域的时间，进而提高预冷导流锥部1的冷却性能，以满足4000K超高温气流冷却需求。
进一步，在一种可能实现的方式中，所述管式冷却部2包括：前端板21、后端板22、壳体23、多个第二导流板24、多个换热管25、进水口26以及出水口27；其中，
所述壳体23与所述前端板21以及所述后端板22连接，用于形成内部中空的腔体结构；所述前端板21以及所述后端板22均设置有多个第一小孔；所述多个第二导流板24上下交错设置于所述腔体结构内部，且设置有多个第二小孔；所述多个换热管25按照预设间距平行于所述腔体结构中轴线设置于所述腔体结构内部，每个所述换热管25直径与所述小孔的直径相同，与所述第一小孔焊接连接，且从所述第二小孔穿过；所述进水口26设置于所述壳体23上，用于向所述腔体结构中输入冷却水；所述出水口27设置于所述壳体23上，用于将所述腔体结构中冷却水放出。
进一步，在一种可能实现的方式中，所述每个换热管25的直径取值范围为(50mm，60mm)，所述预设间距为所述每个换热管25直径的2倍。
进一步，在一种可能实现的方式中，所述前端板21厚度取值范围为(40mm，50mm)。
具体的，在本申请实施例所提供的方案中，管式冷却部2的直径用d3表示；收缩排气部3的直径用d4表示；管式冷却部2设置于预冷导流锥部1出口处，采用管式冷却器结构；管式冷却部2的前端板21为开孔结构，开孔直径与换热管25直径一致，两者焊接成一体。参见图2，为本申请实施例提供的一种管式冷却部的截面示意图。在图2中，换热管25截面上采用等边三角形均匀布置形式，换热管25直径d5优选50～60mm，相邻换热管25之间的间距S优选约为2倍d5；管式冷却部2的后端板22为开孔结构，前端板21厚度优选40～50mm，开孔直径与换热管25直径一致，两者焊接成一体；管式冷却部2壳体与前端板21和后端板22相连，与换热管25外壁形成封闭的水路壳程。
进一步，管式冷却部2的前端下部设置进水口26，后端上部设置出水口27；管式冷却部2内部设置上下交错的多个第二导流板24，第二导流板24开孔结构，换热管25从第二导流板24孔内穿过。采用管式冷却器结构，高温气流走换热管25内部，换热管25为直管形式，其压损主要为摩擦阻力损失，保留该种冷却结构的低压损优势；采用此种前端板21开孔形式、换热管25布局形式、水路第二导流板24形式、进水口26形式，降低了管式冷却器的前端板21局部高热流负载，增强了前端板21侧冷却能力，使其能承受2000K量级高温气流冲刷，结合前部的预冷导流锥部1的冷却能力，满足4000K量级超高温冷却需求。
本申请实施例所提供的方案中，在冷却器的管式冷却部2之前采用预冷导流锥部1对高温气体进行扩压和预冷，然后通过管式冷却部2对预冷后的气流进行进一步降温使得输入到冷却器中的高温气流降到常温。因此，本申请实施例所提供的方案中，采用预冷导流锥部1和管式冷却部2结合对高温气流进行降温，满足对超高温等离子体风洞的温度极高来流进行降温需求，以及预冷导流锥部1对高温气体进行扩压，降低压损，以满足在对温度极高来流进行降温的基础上，实现超高温等离子体风洞的低压损的冷却运行需求。
显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种适用于超高温等离子体风洞的冷却器，其特征在于，包括：预冷导流锥部(1)、管式冷却部(2)以及收缩排气部(3)；其中，
所述预冷导流锥部(1)，包括扩压锥(11)、导流锥(12)以及水路管道(13)；所述扩压锥(11)为内部中空的锥形腔体结构，包括输入端和输出端，用于对输入端输入的高温气流进行扩压和预冷；所述导流锥(12)为内部中空的导流式腔体结构，设置于所述锥形腔体结构中，且与所述管式冷却部(2)贯通连接，用于对所述锥形腔体结构中高温气流进行预冷；所述水路管道(13)，贯穿所述扩压锥(11)的壳体，用于支撑所述导流锥(12)固定于所述扩压锥(11)壳体上；
所述管式冷却部(2)，设置于所述预冷导流锥部(1)的输出端，且内部设置冷却水，用于对所述预冷导流锥部(1)输出的预冷后的气流进行降温得到冷却后的气流；
所述收缩排气部(3)，设置于所述管式冷却部(2)的输出端，用于将所述冷却后的气流排出。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述扩压锥(11)的全锥角取值范围为(0°，45°)，所述扩压锥(11)的输出端直径为输入端直径的3～5倍。
3.如权利要求2所述的装置，其特征在于，所述扩压锥(11)的全锥角为20°，所述扩压锥(11)的输出端直径为输入端直径的4倍。
4.如权利要求3所述的装置，其特征在于，所述导流锥(12)与所述扩压锥(11)输入端之间的距离不小于1000mm，所述导流锥(12)的全锥角取值范围为(20°，50°)。
5.如权利要求4所述的装置，其特征在于，所述导流锥(12)包括钝头(121)和输出端(122)，所述钝头(121)的半径取值范围为(40mm，60mm)，所述输出端(122)的直径为所述扩压锥(11)输入端直径的1～1.5倍。
6.如权利要求5所述的装置，其特征在于，所述导流锥(12)的全锥角为30°，所述钝头(121)的半径为50mm。
7.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述预冷导流锥部(1)还包括：第一导流板(14)，所述第一导流板(14)沿着所述导流锥(12)的中轴线设置于所述导流式腔体内部，用于使得所述导流锥(12)内水路能拐弯经过所述钝头(121)区域，增大对所述钝头(121)高热流负载区域的冷却能力。
8.如权利要求1～7任一项所述的装置，其特征在于，所述管式冷却部(2)包括：前端板(21)、后端板(22)、壳体(23)、多个第二导流板(24)、多个换热管(25)、进水口(26)以及出水口(27)；其中，
所述壳体(23)与所述前端板(21)以及所述后端板(22)连接，用于形成内部中空的腔体结构；所述前端板(21)以及所述后端板(22)均设置有多个第一小孔；所述多个第二导流板(24)上下交错设置于所述腔体结构内部，且设置有多个第二小孔；所述多个换热管(25)按照预设间距平行于所述腔体结构中轴线设置于所述腔体结构内部，每个所述换热管(25)直径与所述小孔的直径相同，与所述第一小孔焊接连接，且从所述第二小孔穿过；所述进水口(26)设置于所述壳体(23)上，用于向所述腔体结构中输入冷却水；所述出水口(27)设置于所述壳体(23)上，用于将所述腔体结构中冷却水放出。
9.如权利要求8所述的装置，其特征在于，所述每个换热管(25)的直径取值范围为(50mm，60mm)，所述预设间距为所述每个换热管(25)直径的2倍。
10.如权利要求9所述的装置，其特征在于，所述前端板(21)厚度取值范围为(40mm，50mm)。
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