CN113153528A - 一种类圆截面高超声速进气道脉动反压发生装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于超声速和高超声速进气道的技术领域，具体涉及一种类圆截面的高超声速进气道脉动反压发生装置，包括依次连通的实验段、节流段和喇叭状的扩张段，节流段包括圆筒形的第二水平气道和沿着第二水平气道同一周向上均匀布置的反压发生机构；反压发生机构包括电磁吸附机构和柔性板，其中柔性板突起于第二水平气道的面积即堵塞度可模拟类圆管高超声速进气道振荡的振幅，柔性板往复运动的频率可模拟高超声速进气道振荡的频率，通过更换顶板的圆弧顶高度和柔性板材质改变振幅的大小，通过控制电源电流强度，和通断电频率改变振荡的频率，且最高频率可达到400Hz，高于现有实验设备产生的频率，能更好模拟研究高超声速进气道下游受震荡的三维流动特性。

Description

一种类圆截面高超声速进气道脉动反压发生装置

技术领域

本发明属于超声速和高超声速进气道的技术领域，具体涉及一种类圆截面的高超声速进气道脉动反压发生装置。

背景技术

吸气式高超声速飞行器是指飞行马赫数(速度与声速的比值)大于5，从大气中获取助燃气流的飞行器，高超声速进气道为该类飞行器捕获并压缩助燃气流，从而为下游燃烧室燃烧提供足量的氧化剂。实际上，飞行器燃烧室燃烧产生的高温高压扰动会在进气道下游产生随时间变化的脉动反压，其主要脉动能量频率可达数百赫兹。

脉动反压可在进气道内部产生流体振荡，从而给进气道和飞行器工作性能产生重要影响，在飞行器研制中需要对其进行全面的实验研究。然而，若直接利用燃料燃烧进行进气道脉动反压研究，相应的实验设备复杂、研究成本昂贵，并且难以控制和观测。因此，当前多在冷流条件下通过在进气道出口的流道面积节流堵塞或质量射流喷射来模拟实际燃烧的脉动反压。

主要可分为以下两种：

1、在进气道下游节流段内设置高频运动的堵块，通过流道面积的减小，气流堵塞聚集产生反压。

2、在进气道下游通过外部气体的喷流的质量增加和喷流扰动等综合效应来产生反压。

已有专利的机构特点和限制包括：在进气道出口下游通过叶片旋转实现堵塞的不同产生反压，但该方法的节流扰动在进气道实验装置外部产生，与实际内部受限空间中的节流堵塞扰动明显不同；在进气道下游出口通过前后移动的锥体/楔块进而改变节流面积产生反压，但此装置受限于外部空间，难以实现百赫兹量级的燃烧反压脉动；在进气道下游通过凸轮机构带动方槽内的堵块进行运动，进而改变截流面积，产生脉动反压，但该类装置局限于二维方形流道的进气道脉动反压研究，且电机的高速旋转会有较大的损耗并影响其精度，对于类圆截面高超声速进气道的脉动反压并不适用。

发明内容

为了实现类圆截面高超声速进气道脉动反压的实验研究，本发明提供了基于弹簧和电磁铁吸附机构的高超声速进气道脉动反压发生装置，具体技术方案如下：

一种类圆截面高超声速进气道脉动反压发生装置，包括通过法兰依次连通的实验段、节流段和喇叭状的扩张段3，且实验段包括圆筒形的第一水平气道11；

所述节流段包括圆筒形的第二水平气道21和沿着第二水平气道21同一周向上均匀布置的反压发生机构22；

每个所述反压发生机构22包括电磁吸附机构和柔性板220；

每个所述电磁吸附机构包括圆柱形外壳221、圆柱形铁芯222、顶柱223和顶板224，铁芯222通过套筒225同轴设于外壳221内，套筒225上端配合设有盖帽226，套筒225外圆柱面上缠绕有线圈227，且线圈227通过导线和外部电源连接，所述顶柱223的一端为圆锥体，顶柱223的另一端空套有压缩弹簧41并螺纹连接着顶板224中部；

每个所述柔性板220均通过板槽配合安装在第二水平气道21内侧壁上，且沿着每个柔性板220对应的第二水平气道21径向侧壁依次开设有连通的第一安装腔211、第二安装腔212和第三安装腔213；

所述顶柱223贯穿第二安装腔212，使得顶板224配合布置于第一安装腔211内，所述外壳221和第三安装腔213螺纹连接，使得顶柱223的圆锥体端通过挡板42限位于第三安装腔213内并和铁芯222伸出端的圆锥槽对应配合；

实验时，改变通断电频率，顶柱223带动顶板224周期性来回运动，顶板224周期性挤压柔性板220使柔性板220变形，周期性改变第二水平气道21的截流面积，与实验段的高速来流作用模拟产生脉动反压。

进一步，每个所述柔性板220为合金纤维柔性复合材料制成，且柔性板220内侧壁的周向两端沿着轴向上开设有缺口，使得每个所述柔性板220分为内侧的凸起部和外侧的连接部，当所述柔性板220通过板槽214配合安装在第二水平气道21内侧壁上，且柔性板220和第二水平气道21同轴布置，柔性板220连接部对应所述顶板224。

进一步，每个所述套筒225外圆柱面上部设有第一环形凸台和第二环形凸台，且第一环形凸台和第二环形凸台间隔布置形成线槽51，所述第一环形凸台和第二环形凸台上分别开设有第一豁口52和第二豁口53，且外壳221侧壁上端对应线槽51开设有U形豁口54，使得导线一端接通所述线圈227，导线另一端从第一豁口52引出绕经线槽51后从U形豁口54穿出，并连接外部电源。

进一步，所述顶板224上端为圆弧顶，当所述压缩弹簧41回复时，所述顶柱223带动顶板224的圆弧顶挤压所述柔性板220，使得柔性板220产生弹性变形，改变第二水平气道21的截流面积；

所述挡板42对应压缩弹簧41的一端设有橡胶垫圈43，当压缩弹簧42回复至最大量时，防止挡板42和第三安装腔213侧壁碰撞。

进一步，所述实验段的圆柱筒侧壁上对应开设有矩形的一对窗口，沿着每个窗口12四周设有凸起的安装台13，安装台13上通过观察窗盖14安装有观察玻璃15，且观察玻璃15对应罩设在窗口12上。

进一步，每个所述窗口12为阶梯形开口，且阶梯面上设有密封气垫121，当观察玻璃15配合布置在窗口12的阶梯形开口上，所述观察窗盖14压设在观察玻璃15外侧的外缘，且观察窗盖14通过螺栓固定安装在对应的实验段的圆柱筒外圆柱面上。

进一步，所述扩张段3的喇叭状扩展角度为5°~7°。

本发明的有益技术效果如下：

本发明的类圆截面高超声速进气道脉动反压发生装置，包括依次连通的实验段、节流段和喇叭状的扩张段，节流段包括圆筒形的第二水平气道和沿着第二水平气道同一周向上均匀布置的反压发生机构；

1、每个所述反压发生机构包括电磁吸附机构和柔性板，当接通电源时，顶柱和铁芯吸合，此时压缩弹簧被压缩；当断开电源时，顶柱和铁芯之间的作用力消除，被压缩的压缩弹簧回复，带动顶柱向第二水平气道的中心轴线方向运动时，使得顶板的圆弧顶挤压柔性板，柔性板突起于第二水平气道的内侧壁，改变第二水平气道的截流面积，即节流段中的气流堵塞；当控制电源周期性通断时，第二水平气道的截流面积发生周期性变化，其截流面积变化范围为0

~11300

，堵塞度为0%~19%，并与实验段高速来流作用产生脉动反压。

2、其中柔性板突起于第二水平气道的面积即堵塞度可模拟类圆管高超声速进气道振荡的振幅，柔性板往复运动的频率可模拟高超声速进气道振荡的频率，通过更换顶板的圆弧顶高度和柔性板材质改变振幅的大小，且振幅为8mm～9mm；通过控制电源的电流强度和通断电频率改变振荡的频率，且最高频率可达到400Hz，高于现有实验设备产生的频率，能更好模拟研究高超声速进气道下游受震荡的三维流动特性。

3、本发明通过同时在周向布置六个反压机构，所产生的反压扰动沿周向是均匀的，这在以往的结构上难以实现，所述的反压机构通过电磁铁的通断电的情况控制，一方面可以进行非均匀调控，另一方面也可以实现多个频率的扰动控制。

4、本发明产生的反压扰动在频率方面精准可控，可实现百赫兹的高频，具体可以实现模拟脉动反压频率为200Hz-400Hz，并且可以通过控制外接电源的接断电频率，便捷的改变模拟的频率，具有较高的经济性和实用性。

5、本发明实用性强，可调电压变化范围大，关键零部件可单独拆卸，在实现不同工况时，可以方便更换部件。

附图说明

图1为本发明模拟发生装置的结构示意图。

图2为本发明第二水平气道的竖向截面图。

图3为本发明电磁吸附机构的爆炸图。

图4为本发明柔性板的结构示意图。

图5为本发明顶板的结构示意图。

图6为本发明顶柱的结构示意图。

图7为本发明实验段的爆炸图。

图8为图1模拟发生装置通电状态下A-A剖视图。

图9为图1模拟发生装置断电状态下A-A剖视图。

图10为图1模拟发生装置通电状态下B-B剖视图。

图11为图1模拟发生装置断电状态下B-B剖视图。

其中：11第一水平气道、12窗口、121密封气垫、13安装台、14观察窗盖、15观察玻璃、21第二水平气道、211第一安装腔、212第二安装腔、213第三安装腔、214板槽、22反压发生机构、220柔性板、221外壳、222圆柱形铁芯、223顶柱、224顶板、225套筒、226盖帽、227线圈、3扩张段、41压缩弹簧、42挡板、43橡胶垫圈、51线槽、52第一豁口、53第二豁口、54U形豁口。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例

见图1，一种类圆截面高超声速进气道脉动反压发生装置，包括通过法兰依次连通的实验段、节流段和喇叭状的扩张段3，扩张段3的喇叭状扩展角度为5°~7°。

实验段包括圆筒形的第一水平气道11；

所述节流段包括圆筒形的第二水平气道21和沿着第二水平气道21同一周向上均匀布置的反压发生机构22；

每个所述反压发生机构22包括电磁吸附机构和柔性板220；

见图3，每个所述电磁吸附机构包括圆柱形外壳221、圆柱形铁芯222、顶柱223和顶板224，铁芯222通过套筒225同轴设于外壳221内，套筒225上端配合设有盖帽226，套筒225外圆柱面上缠绕有线圈227，且线圈227通过导线和外部电源连接，所述顶柱223的一端为圆锥体，顶柱223的另一端空套有压缩弹簧41并螺纹连接着顶板223中部；

见图2，每个所述柔性板220均通过板槽214配合安装在第二水平气道21内侧壁上，且沿着每个柔性板220对应的第二水平气道21径向侧壁依次开设有连通的第一安装腔211、第二安装腔212和第三安装腔213；

所述顶柱223贯穿第二安装腔212，使得顶板223配合布置于第一安装腔211内，所述外壳221和第三安装腔213螺纹连接，使得顶柱223的圆锥体端通过挡板42限位于第三安装腔213内并和铁芯222伸出端的圆锥槽对应配合；

实验时，改变通断电频率，顶柱223带动顶板224周期性来回运动，顶板224周期性挤压柔性板220使柔性板220变形，周期性改变第二水平气道21的截流面积，与实验段的高速来流作用模拟产生脉动反压。

见图4，每个所述柔性板220为合金纤维柔性复合材料制成，既有一定的刚度，同时也具有纤维材料的变形能力，且柔性板220内侧壁的周向两端沿着轴向上开设有缺口，使得每个所述柔性板220分为内侧的凸起部和外侧的连接部，

凸起部的圆心角为25°，其连接部的圆心角为50°。

当所述柔性板220通过板槽214配合安装在第二水平气道21内侧壁上，且柔性板220和第二水平气道21同轴布置，柔性板220连接部对应所述顶板224。

每个所述套筒225外圆柱面上部设有第一环形凸台和第二环形凸台，且第一环形凸台和第二环形凸台间隔布置形成线槽51，所述第一环形凸台和第二环形凸台上分别开设有第一豁口52和第二豁口53，且外壳221侧壁上端对应线槽51开设有U形豁口54，使得导线一端接通所述线圈227，导线另一端从第一豁口52引出绕经线槽51后从U形豁口54穿出，并连接外部电源。第二豁口53的开设便于导线在线槽51上的调整。

见图5和图6，所述顶板224上端为圆弧顶，当所述压缩弹簧41回复时，所述顶柱223带动顶板224的圆弧顶挤压所述柔性板220，使得柔性板220产生弹性变形，改变第二水平气道21的截流面积；

所述挡板42对应压缩弹簧41的一端设有橡胶垫圈43，当压缩弹簧42回复至最大量时，防止挡板42和第三安装腔213侧壁碰撞。

见图7，所述实验段的圆柱筒侧壁上对应开设有矩形的一对窗口，沿着每个窗口12四周设有凸起的安装台13，安装台13上通过观察窗盖14安装有观察玻璃15，且观察玻璃15对应罩设在窗口12上。

每个所述窗口12为阶梯形开口，且阶梯面上设有密封气垫121，所述观察玻璃15的内侧凸起，当观察玻璃15配合布置在窗口12的阶梯形开口上，所述观察窗盖14压设在观察玻璃15外侧的外缘，且观察窗盖14通过螺栓固定安装在对应的实验段的圆柱筒外圆柱面上。

见图8～图11，当接通电源时，顶柱223和铁芯222吸合，此时压缩弹簧41被压缩；当断开电源时，顶柱223和铁芯222之间的作用力消除，被压缩的压缩弹簧41回复，带动顶柱223向第二水平气道21的中心轴线方向运动时，使得顶板224的圆弧顶挤压柔性板220，柔性板220突起于第二水平气道21的内侧壁，改变第二水平气道21的截流面积，即节流段中的气流堵塞；当控制电源周期性通断时，第二水平气道21的截流面积发生周期性变化，与实验段高速来流作用产生脉动反压；

其中柔性板220突起于第二水平气道21的面积即堵塞度可模拟高超声速进气道振荡的振幅，柔性板220往复运动的频率可模拟高超声速进气道振荡的频率，通过更换顶板224的圆弧顶高度和柔性板220材质改变振幅的大小，且振幅为8mm～9mm；通过控制电源的电流强度，和通断电频率改变振荡的频率，且最高频率可达到400Hz，高于现有实验设备产生的频率，能更好模拟研究高超声速进气道下游受震荡的三维流动特性。

其中柔性板220具有一定的刚度，在没有外部的压力时，可以恢复到原来的状态，柔性板220的变形使第二水平气道21的截流面积周期性变化，其最高变化范围9160~11310，堵塞度为0%~19%。其中电磁吸附机构在不同电压下的磁通量B可达到10T~20T，电磁吸引力可达到90N~350N；等效质量块为顶柱223、顶板224和挡板42的质量和，电源通断电的时间周期要大于等效质量块完成一个周期的时间间隔，以保证该装置可以完成一个完整周期的运动。等效质量块在8mm距离的下落时间为1.34ms~2.8ms，当电源断开时，等效质量块上升过程可简化为单自由度系统的自由振动，压缩弹簧41从被压缩8mm到恢复自然状态，所走过时间为1/4周期，所选压缩弹簧41刚度为2250N/m，上升时间约为0.001秒。故为使机构进行一个完整的周期运动，所选电源的接断电频率为200Hz~400Hz，本实验模拟的脉动反压范围为200 Hz ~400Hz。

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)

1.一种类圆截面高超声速进气道脉动反压发生装置，其特征在于：包括通过法兰依次连通的实验段、节流段和喇叭状的扩张段（3），且实验段包括圆筒形的第一水平气道（11）；

所述节流段包括圆筒形的第二水平气道（21）和沿着第二水平气道（21）同一周向上均匀布置的反压发生机构（22）；

每个所述反压发生机构（22）包括电磁吸附机构和柔性板（220）；

每个所述电磁吸附机构包括圆柱形外壳（221）、圆柱形铁芯（222）、顶柱（223）和顶板（224），铁芯（222）通过套筒（225）同轴设于外壳（221）内，套筒（225）上端配合设有盖帽（226），套筒（225）外圆柱面上缠绕有线圈（227），且线圈（227）通过导线和外部电源连接，所述顶柱（223）的一端为圆锥体，顶柱（223）的另一端空套有压缩弹簧（41）并螺纹连接着顶板（224）中部；

每个所述柔性板（220）均通过板槽（214）配合安装在第二水平气道（21）内侧壁上，且沿着每个柔性板（220）对应的第二水平气道（21）径向侧壁依次开设有连通的第一安装腔（211）、第二安装腔（212）和第三安装腔（213）；

所述顶柱（223）贯穿第二安装腔（212），使得顶板（224）配合布置于第一安装腔（211）内，所述外壳（221）和第三安装腔（213）螺纹连接，使得顶柱（223）的圆锥体端通过挡板（42）限位于第三安装腔（213）内并和铁芯（222）伸出端的圆锥槽对应配合；

实验时，改变通断电频率，顶柱（223）带动顶板（224）周期性来回运动，顶板（224）周期性挤压柔性板（220）使柔性板（220）变形，周期性改变第二水平气道（21）的流通截面积，与实验段的高速来流作用产生脉动反压。

2.根据权利要求1所述一种类圆截面高超声速进气道脉动反压发生装置，其特征在于：每个所述柔性板（220）为合金纤维柔性复合材料制成，且柔性板（220）内侧壁的周向两端沿着轴向上开设有缺口，使得每个所述柔性板（220）分为内侧的凸起部和外侧的连接部，当所述柔性板（220）通过板槽（214）配合安装在第二水平气道（21）内侧壁上，且柔性板（220）和第二水平气道（21）同轴布置，柔性板（220）连接部对应所述顶板（224）。

3.根据权利要求1所述一种类圆截面高超声速进气道脉动反压发生装置，其特征在于：每个所述套筒（225）外圆柱面上部设有第一环形凸台和第二环形凸台，且第一环形凸台和第二环形凸台间隔布置形成线槽（51），所述第一环形凸台和第二环形凸台上分别开设有第一豁口（52）和第二豁口（53），且外壳（221）侧壁对应线槽（51）开设有U形豁口（54），使得导线一端接通所述线圈（227），导线另一端从第一豁口（52）引出绕经线槽（51）后从U形豁口（54）穿出，并连接外部电源。

4.根据权利要求1所述一种类圆截面高超声速进气道脉动反压发生装置，其特征在于：所述顶板（224）上端为圆弧顶，当所述压缩弹簧（41）回复时，所述顶柱（223）带动顶板（224）的圆弧顶挤压所述柔性板（220），使得柔性板（220）产生弹性变形，改变第二水平气道（21）的截流面积；

所述挡板（42）对应压缩弹簧（41）的一端设有橡胶垫圈（43），当压缩弹簧（42）回复至最大量时，防止挡板（42）和第三安装腔（213）侧壁碰撞。

5.根据权利要求1所述一种类圆截面高超声速进气道脉动反压发生装置，其特征在于：所述实验段的圆柱筒侧壁上对应开设有矩形的一对窗口，沿着每个窗口（12）四周设有凸起的安装台（13），安装台（13）上通过观察窗盖（14）安装有观察玻璃（15），且观察玻璃（15）对应罩设在窗口（12）上。

6.根据权利要求5所述一种类圆截面高超声速进气道脉动反压发生装置，其特征在于：每个所述窗口（12）为阶梯形开口，且阶梯面上设有密封气垫（121），当观察玻璃（15）配合布置在窗口（12）的阶梯形开口上，所述观察窗盖（14）压设在观察玻璃（15）外侧的外缘，且观察窗盖（14）通过螺栓固定安装在对应的实验段的圆柱筒外圆柱面上。

7.根据权利要求1所述一种类圆截面高超声速进气道脉动反压发生装置，其特征在于：所述扩张段（3）的喇叭状扩展角度为5°~7°。

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