CN113049210A - 一种气流能量掺混的测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及风洞试验领域，公开了一种气流能量掺混的测量系统，所述测量系统包括进口段、节流段、所述节流段内设置节流锥，所述测量系统还包括混合段，所述混合段与节流段连接；所述混合段内部设置保护罩，所述保护罩的外壁与混合段内壁之间形成空腔；所述混合段前部设置供气管路、引射喷嘴；所述供气管路与引射喷嘴连通，并为所述引射喷嘴提供高压气流。本发明有效解决了现有技术中风洞进气道试验中，气体流量的测试与调节装置造成了进气道试验的装置的整体长度过长，带来模型和试验装置安装拆卸的麻烦和效率降低的问题。本发明所述系统能够一体实现流量模拟、调节和测量的作用。

Description

一种气流能量掺混的测量系统

技术领域

本发明属于风洞试验领域，更具体地涉及一种气流能量掺混的测量系统。

背景技术

进气道是吸气式飞行器动力装置的重要部件之一。为了在风洞试验中研究和评估这些飞行器设计的进气道气动性能，通常需要在风洞中模拟飞行器进气道管道流动工况，测量进气道在不同来流马赫数下的迎角、侧滑角气动性能。

气流流量是进气道试验测量的最基本气动参数，需要通过风洞的进气道试验系统精确模拟、调节和测量。目前高速、低速风洞的进气道试验技术测量流量的常用方法是，使用模型出口处测量段或者专用的流量调节和测量装置，测量截面的总压和静压，计算出流经的气流流量。流量调节则是在模型出口处测量段之后安装节流锥或者在流量调节和测量装置里安装节流锥，通过节流锥移动来调节节流面积实现。

但是在实际使用时，这种常用方法主要存在以下3个突出问题：首先，专门的流量调节和测量装置（例如专利号CN 104848904 A提到的进气道流量测量系统）为提高测量精度，安装了整流装置包括两层阻尼网和一层蜂窝器在平直段内，这无疑增加了装置的整体长度；为了确保低速和低亚声速以及某些扁平构型进气道进口外形的大流量模拟和测量需求，在装置后面需要加装引射器或真空抽吸管路，但是会导致引射器或真空抽吸管路长度很长，即使专利号CN 104848904 A提到的优选的扩张型混合段长度也达到了950毫米，因此专门的流量调节和测量装置以及配套的管路从洞内到洞外的整体长度会很长，其安装拆卸耗时耗力，同时也限制了试验模型大迎角和大侧滑角范围。其次，专门的流量调节和测量装置（例如专利号CN 104848904 A提到的进气道流量测量系统）为提高测量精度，基于文丘里管测量原理，用拉瓦尔喷管使气流在喷管喉道处加速到密流函数q(λ)＞0.8 后测量喉道处静压P，以保证q(λ) 测量的准确性，但是拉瓦尔喷管内型面是固定的，其尺寸是按照最大流量点进行设计的，因此只能在较大流量以上保证q(λ)＞0.8，小流量（例如流量系数在0.2~0.4）时q(λ)远小于0.8；最后，通过管路连接到真空气源或中引射器的情况通常不适于进气道超声速性能试验，其原因是为了不限制试验模型大迎角和大侧滑角范围，在进气道模型与专用的流量调节和测量装置之间采用软管连接，这个软管使得节流锥之前的管路形成明显的管腔效应，对进气道喘振边界等动态气动特性测量有明显影响，因此进行超声速试验时，需要将管路拆下，将节流锥或者流量调节和测量装置尽量靠近进气道模型连接，从而带来模型和试验装置安装拆卸的麻烦和效率降低的问题。

发明内容

为解决现有技术中风洞进气道试验中，气体流量的测试与调节装置造成了进气道试验的装置的整体长度过长，带来模型和试验装置安装拆卸的麻烦和效率降低的问题。本发明提供一种气流能量掺混的测量系统。

本发明采用的具体方案为：一种气流能量掺混的测量系统，所述测量系统包括进口段、节流段、所述节流段内设置节流锥，所述测量系统还包括混合段，所述混合段与节流段连接；所述混合段内部设置保护罩，所述保护罩的外壁与混合段内壁之间形成空腔；所述混合段前部设置供气管路、引射喷嘴；所述供气管路与引射喷嘴连通，并为所述引射喷嘴提供高压气流。

所述引射喷嘴设置在保护罩前部，所述引射喷嘴（8）的喷嘴向后设置。

所述混合段末端设置出口总压测量耙，所述供气管路前方设置锥后总压测量耙。

所述保护罩内设置电动缸，所述电动缸的推杆与节流锥连接；所述电动缸旁设置位移传感器，所述位移传感器的滑块与推杆连接。

所述出口总压测量耙、锥后总压测量耙沿混合段一周均匀分布。

所述位移传感器的滑道与所述推杆平行。

所述出口总压测量耙、锥后总压测量耙的耙位上布置有4～6个总压测量点。

在紧挨喉道的节流段3壁面上沿周向开静压孔，用于测量静压。

所述节流锥外形为圆锥体，圆锥体顶端修形倒圆，圆锥体半锥角为不大于30°。

所述节流段为一面积由小到大的扩散段，该节流段的扩散半角与所述节流锥的半锥角一致。

本发明相对于现有技术具有如下有益效果：

(1)本发明通过在节流段后整加混合段，在混合段的内设置与供气管路连接的引射喷嘴，将通气段内的高压气体引射入混合段内，在混合段内实现引射气体与进口段进入气体的混合，去掉了测试过程中需外加的整流装置，整合了引射器的结构，经过一体化设计后使整体结构更加紧凑，对于2.4米量级高速风洞，从进口段至混合段出口，其整体长度一般不大于1.2m，取消了洞内外过长的排气管路，其尺寸优势明显，可直接连接在模型出口测量段之后。

(2)本发明通过引射器引射进气道气流，对节流锥以及节流段进行改进，所述进口段和所述节流段相交的管道壁面与所述节流锥形成最小气流流通面积，并且引射器的引射抽吸能力能够保证节流锥下游反压足够低，使节流锥前后气流压比满足临界流动要求，因此对于节流锥行程内的任何流量，此处均为喉道，且其气流速度均为声速，其密流函数q(λ)均为1，因此流量测量时不需要考虑喉道流速，只需测量得到喉道面积、总压、总温即可计算得到流量，从而减少一个测量误差源。

(3)本发明直接连接到模型出口测量段，通过引射喷嘴的引射功能，能够满足低速、大迎角大侧滑角、扁平式或埋入式进气道等进气效率相对低的进气道试验工况的大流量需求，另一方面，超声速试验时管路造成的管腔效应大大减小，对进气道喘振边界等动态气动特性测量影响也会大大减小。

（4）本发明通过电动缸带动节流锥运动，并利用位移传感器测量节流锥的运动距离，指示和监测节流锥的前后位置。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为本发明安装示意图；

其中，附图标记分别为：

1-进口段、2-节流锥、3-节流段、4-推杆、5-锥后总压测量耙、6-保护罩、7-供气管路、8-引射喷嘴、9-滑道、10-滑块、11-位移传感器、12-电动缸、13-混合段、14-支架、15-出口总压测量耙、16-进气道模型、17-测量段、18-支撑系统、18-1支杆、18-2通气段、19-风洞迎角机构。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

一种气流能量掺混的测量系统，所述测量系统包括进口段1、节流段3、所述节流段3内设置节流锥2，所述测量系统还包括混合段13，所述混合段13与节流段3连接；所述混合段13内部设置保护罩6，所述保护罩6的外壁与混合段13内壁之间形成空腔；所述混合段13前部设置供气管路7、引射喷嘴8；所述供气管路7通过稳压腔引射喷嘴8连通，并为所述引射喷嘴8提供高压气流。

所述引射喷嘴8设置在保护罩6前部，所述引射喷嘴8的喷嘴向后设置。所述供气管路用于为所述引射喷嘴提供高压气流。所述电动缸通过螺丝固定在所述保护罩中，所述保护罩通过所述支架固定安装在所述混合段的内壁面。

所述混合段13末端设置出口总压测量耙15，所述供气管路7前方设置锥后总压测量耙5。所述出口总压测量耙15、锥后总压测量耙5沿混合段13一周均匀分布。所述锥后总压测量耙安装在所述节流锥下游和所述混合段前端，用于监测所述节流锥锥后气流总压。所述出口总压测量耙15、锥后总压测量耙5的耙位上布置有4～6个总压测量点。总压测量点在所布置的圆截面上按测压点等面积分布。在锥后总压测量耙5和出口总压测量耙15截面处设计静压孔，根据静压和总压，监测截面处流动是否均匀，并计算马赫数。

所述保护罩6内设置电动缸12，所述电动缸12的推杆4与节流锥2连接；所述电动缸12旁设置位移传感器11，所述位移传感器11的滑块10与推杆4连接。所述位移传感器11的滑道9与所述推杆4平行。在一种实施方式中，所述滑块10与推杆4固定连接，推杆运动，带动滑块运动；所述位移传感器选自直线位移传感器滑块电子尺，所述位移传感器根据所述滑块滑动的长度确定所述节流锥移动的位置；所述滑块在所述滑道上滑动，引起位移传感器11的电阻变化，电阻阻值的变化量反映了节流锥位移的量值，位移传感器11将电阻变化转换为电压输出，用以指示和监测节流锥的前后位置。

所述引射喷嘴个数为24～48，所述引射喷嘴沿混合段一周均匀分布。

所述节流锥2外形为圆锥体，圆锥体顶端修形倒圆，圆锥体半锥角为不大于30°，有利于减小整个系统在风洞中堵塞度，所述节流锥前后移动依靠所述电动缸带动所述推杆完成，由此改变了气流流通面积，实现流量调节功能。

所述节流段3为一面积由小到大的扩散段，该节流段的扩散半角与所述节流锥2的半锥角一致，进一步的，所述节流段为漏斗状，所述节流段与所述节流锥同轴设置。

所述进口段1和管道壁面相交处与所述节流锥形成最小气流流通面积，即为整个流道的喉道。在紧挨喉道的节流段3壁面上沿周向开静压孔，用于测量静压，在进口段1的进口测量总压，作为静压孔所在截面总压，根据一维等熵流气动函数公式，由静压和总压比值即可计算得到静压孔所在截面的马赫数，当静压和总压比值低于0.52828，则静压孔所在截面马赫数理论上大于1，则可判断其上游的喉道处达到声速，实际使用时需要考虑附面层以及流路形状等因素影响，通常使该马赫数达到1.3或以上，保证喉道必定完全节流，节流效果稳定，否则需要提高所述引射喷嘴8的供气压力，增强引射能力，确保静压孔所在截面的马赫数达到1.3或以上。

所述节流锥2的每个位置都对应一个喉道面积，每个喉道都能达到声速，产生节流，起到流动稳定作用，确保进口段1上游流动参数不受节流锥2下游流动扰动的影响。

在锥后总压测量耙5和出口总压测量耙15截面处设计静压孔，根据静压和总压，监测截面处流动是否均匀，并计算马赫数。

所述节流段3中空腔中由前向后依次连接所述节流锥2、所述推杆4和所述电动缸12。

参见附图2，进气道模型16安装在支撑系统18前端的支杆18-1上，支撑系统18尾端为通气段18-2，通气段18-2与风洞迎角机构19连接，进气道模型16出口与测量段17连接，测量段17出口与进口段1连接，从而实现进气道模型16和本发明在风洞中的支撑和安装。

由风洞洞外的中高压气源管路提供中高压气体，风洞洞外的中高压气源管路与通气段18-2连接，通气段18-2与供气管路7连接，供气管路7为引射喷嘴8供气，对进气道气流进行引射，实现流量模拟功能。

在对进气道气流进行引射过程中，节流锥2 、推杆4、电动缸12一起构成了反压调节装置，电动缸12与推杆4连接，电动缸12通过驱动装置，电动缸12为节流锥2前后移动的动力输出，其前端输出轴与推杆4连接，推杆4连接节流锥2；电动缸带动推杆4，控制节流锥2前后移动，引起气流流通面积的变化来改变进气道出口反压，电动缸12配备绝对编码器，能够反映节流锥2的移动位置，其位移分辨率优于0.03毫米；改变进口段1和节流段3相交的管道壁面与节流锥2形成的管路流通面积（喉道面积），每个节流锥的位置都对应一个喉道面积，达到改变进气道出口反压和流量调节的目的，实现模拟进气道不同反压下的流动特性。支架14用于支撑电动缸12。

所述保护罩与所述混合段壁面之间空腔为引射器的引射气流与被引射气流（由进口段进入的气体）混合的地方，为一段环形等直段，其长度L与当量直径D关系为L/D=2.5～3.5，其截面面积A3为引射气流截面面积与被引射气流截面面积之和。所述引射喷嘴的出口面积总和为引射器的引射气流面积A1。根据数值计算和试验验证，所述混合段面积A3与引射喷嘴总面积A1关系A3/A1优选8～12，所述引射喷嘴出口马赫数优选为2～3，所述引射喷嘴个数优选为24～48，所述引射喷嘴周向均匀分布在环形等直段入口，能够保证引射气流与被引射气流在混合段充分掺混，达到足够引射能力，混合段长度L与当量直径D关系L/D优选为2.5～3.5，所述引射喷嘴的引射压力优选为1.5～2.5兆帕，优选参数有利于整个系统结构紧凑的一体化设计与引射性能的兼顾。

流量测量系统数据处理方法如下：

测量段17上的测压耙总压测量截面平均总压，进口段1和节流段3相交的管道壁面与节流锥2形成的喉道处为声速，其密流函数q(λ)为1，假设从测量段17到节流锥2喉道处为等熵流动，且压力损失很小，则喉道处的总压等于测量段17测量截面的总压。喉道处的密流函数q(λ)为1，则喉道处的气体质量流量为

，式中k为比热比，对于空气k＝1.4，R为气体常数，对于空气R＝287J/(kg·K)，P₀为气流总压，T₀为气流总温，A为喉道流通面积，C为流出系数(通过标准流量校准装置标定得到)。此方法不需要测量喉道处的静压，从而不需要计算q(λ)，减少了一个测量误差源，能够简单计算出喉道处的气体质量流量，实现被引射气流（由进口段1进入的气体）的气体质量流量测量。

本发明将气流流量的测量、调节和引射功能整合，在尺寸上进行优化，通过在节流段后面加上气体混合段，并在混合段的内设置与供气管路连接的引射喷嘴，将通气段内的高压气体引射入混合段内，在混合段内实现引射气体与进口段进入气体的混合，处理后排出混合段。本发明去掉了整流装置，整合引射器的结构并优化了引射器的长度，同时取消了洞内外过长的排气管路，其尺寸优势非常明显，克服了现有技术中在风洞进气道试验必须配备引射器对气体进行处理的技术阻力。

另一方面，通过引射器引射进气道气流，并对节流锥以及节流段的形状、设定位置进行改进，使所述进口段和所述节流段相交的管道壁面与所述节流锥形成最小气流流通面积，并且引射器的引射抽吸能力能够保证节流锥下游反压足够低，使节流锥前后气流压比满足临界流动要求，因此对于节流锥行程内的任何流量，此处均为喉道，且其气流速度均为声速，起到流动稳定作用，确保进口段上游流动参数不受节流锥下游流动扰动的影响。

其密流函数q(λ)均为1，因此流量测量时不需要考虑喉道流速本发明流量测量时不需要考虑喉道流速，只需测量得到喉道面积、总压、总温即可计算得到流量，从而减少一个测量误差源，提高了计算的准确率，为我国的航空航天事业做出了一定的贡献。

本发明可直接连接到模型出口测量段，能够满足进气效率相对低的进气道试验工况的大流量需求，同时超声速试验时管路造成的管腔效应大大减小，对进气道喘振边界等动态气动特性测量影响也会大大减小。

本发明解决了现有技术中风洞进气道试验中，气体流量的测量、调节和引射装置造成进气道试验装置整体长度过长，带来的模型和试验装置安装拆卸的麻烦和效率降低的问题，可根据风洞尺寸和试验模型大小，可设计不同口径的本发明系统，也可同时采用多路本发明系统，为多个发动机进气道试验模型提供流量模拟、调节和测量。

Claims (10)

1.一种气流能量掺混的测量系统，所述测量系统包括进口段、节流段、所述节流段内设置节流锥，其特征在于，所述测量系统还包括混合段（13），所述混合段（13）与节流段（3）连接；所述混合段（13）内部设置保护罩（6），所述保护罩（6）的外壁与混合段（13）内壁之间形成空腔；所述混合段（13）前部设置供气管路（7）、引射喷嘴（8）；所述供气管路（7）通过稳压腔与引射喷嘴（8）连通，并为所述引射喷嘴（8）提供高压气流。

2.根据权利要求1所述的气流能量掺混的测量系统，其特征在于，所述引射喷嘴（8）设置在保护罩（6）前部，所述引射喷嘴（8）的喷嘴向后设置。

3.根据权利要求1所述的气流能量掺混的测量系统，其特征在于，所述混合段（13）末端设置出口总压测量耙（15），所述供气管路（7）前方设置锥后总压测量耙（5）。

4.根据权利要求1所述的气流能量掺混的测量系统，其特征在于，所述保护罩（6）内设置电动缸（12），所述电动缸（12）的推杆（4）与节流锥（2）连接；所述电动缸（12）旁设置位移传感器（11），所述位移传感器（11）的滑块（10）与推杆（4）连接。

5.根据权利要求3所述的气流能量掺混的测量系统，其特征在于，所述出口总压测量耙（15）、锥后总压测量耙（5）沿混合段（13）一周均匀分布。

6.根据权利要求4所述的气流能量掺混的测量系统，其特征在于，所述位移传感器（11）的滑道（9）与所述推杆（4）平行。

7.根据权利要求5所述的气流能量掺混的测量系统，其特征在于，所述出口总压测量耙（15）、锥后总压测量耙（5）的耙位上布置有4～6个总压测量点。

8.根据权利要求1-7任意一项所述的气流能量掺混的测量系统，其特征在于，在紧挨喉道的节流段（3）壁面上沿周向开静压孔，用于测量静压。

9.根据权利要求1-7任意一项所述的气流能量掺混的测量系统，其特征在于，所述节流锥（2）外形为圆锥体，圆锥体顶端修形倒圆，圆锥体半锥角为不大于30°。

10.根据权利要求8所述的气流能量掺混的测量系统，其特征在于，所述节流段（3）为一面积由小到大的扩散段，该节流段的扩散半角与所述节流锥（2）的半锥角一致。

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