CN113188747B - 一种变马赫数超声速风洞 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种变马赫数超声速风洞，包括气流输入机构、喷管段和测试机构；气流输入机构的输出端与喷管段的输入端连接导通，喷管段的输出端与测试机构的输入端连接导通；喷管段包括管壳、喷管调节块和驱动机构；管壳内壁设有阻挡块；喷管调节块设于管壳内，喷管调节块邻近管壳的输出端布置，喷管调节块相对的两侧分别设有弧形抵接面和调节面；驱动机构用于驱动喷管调节块转动，转动过程中喷管喉道面积不变，出口面积变化；在足够压力驱动的前提下，在喷管出口形成不同马赫数的超声速气流，从而实现了喷管段出口的气流马赫数连续可调；该风洞调控结构简单，流场品质高，切实解决了现有变马赫数风洞调节结构复杂、不易操作且流场品质低的问题。

Description

一种变马赫数超声速风洞
技术领域
本发明涉及超声风洞的技术领域，特别涉及一种变马赫数超声速风洞。
背景技术
超声速(高超声速)风洞，是超声速(高超声速)飞行器研制过程中必不可少的地面实验装置，而马赫数是其关键的模拟参数。截止目前，大多数超声速(高超声速)风洞的单次运行仅能模拟一个马赫数，也就是说仅能用于研究飞行器在某一飞行马赫数下的流场参数，这种风洞称为定马赫数风洞。然而，飞行器在实际飞行过程中不可避免地产生加速度，导致其周围流场随着飞行马赫数的改变而发生变化。这种流场变化对飞行器的机动性、稳定性等造成的影响是定马赫数风洞无法模拟的。因此，需要建造一种单次运行可以模拟飞行器在不同马赫数下流场的变马赫数风洞。
目前，世界上仅有极少数的变马赫数风洞，这些风洞设计的关键在于通过机械装置调整喷管的形状，达到产生不同马赫数流场的目的。虽说可以在某种程度上做到单次运行可模拟不同马赫数流场的目的，但是这种技术存在着固有的缺点：
1.风洞结构复杂，尤其是喷管段，越是要产生高质量的出口流场品质，越是要加入更多的控制点，导致风洞结构异常复杂；
2.控制困难，主要的难点在于喷管型面的控制，对喷管的每个控制点都施加精确控制，而且相互之间有关联；
3.实现高质量的流场品质难度大，喷管每一个控制点都会对流场品质产生影响，要想连续调整喷管流场的出口马赫数，就要对每一个控制点进行精确的动态控制，在这一过程中，任何一个控制点在任何时刻的误差都会对喷管出口流场造成影响，因此，实现高质量的流场品质难度巨大。
为此急需一种能够降低模拟难度的装置，以更好的满足使用需求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种变马赫数超声速风洞，以解决现有风洞模拟结构过于复杂的问题。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种变马赫数超声速风洞，包括气流输入机构、喷管段和测试机构；所述气流输入机构的输出端与所述喷管段的输入端连接导通，所述喷管段的输出端与所述测试机构的输入端连接导通；所述喷管段包括管壳、喷管调节块和驱动机构；所述管壳内壁设有阻挡块；所述喷管调节块设于所述管壳内，所述喷管调节块邻近所述管壳的输出端布置，所述喷管调节块相对的两侧分别设有弧形抵接面和调节面；所述驱动机构用于驱动所述喷管调节块移动，在所述喷管调节块的各种移动状态下，所述弧形抵接面均与所述阻挡块保持抵接，所述调节面均与所述管壳内壁保持分离以形成导流通道。
在其中一个实施例中，所述喷管调节块包括依次连接的输入段、限流段和输出段，所述输入段的厚度小于所述限流段的厚度，所述输出段的厚度小于所述限流段的厚度，且所述输入段、所述限流段和所述输出段的表面平滑过渡连接成所述弧形抵接面和所述调节面。
在其中一个实施例中，所述输入段呈片状结构，在往远离所述限流段的方向上，所述输入段的厚度逐渐缩小。
在其中一个实施例中，所述输出段呈片状结构，在往远离所述限流段的方向上，所述输出段的厚度逐渐缩小。
在其中一个实施例中，在形成所述调节面处，所述输入段与所述限流段连接过渡形成有输入凹弧面，所述输出段与所述限流段连接过渡形成有输出凹弧面，所述输入凹弧面与所述输出凹弧面连接过渡形成有限流凸弧面。
在其中一个实施例中，所述弧形抵接面为所述输入段、所述限流段和所述输出段表面连接成的凸弧面，所述阻挡块的表面为与所述弧形抵接面匹配的凹弧面。
在其中一个实施例中，所述喷管调节块上设有弧形导向槽，所述弧形导向槽设于所述弧形抵接面和所述调节面之间，所述管壳内设有限位块，所述限位块嵌入所述弧形导向槽之间；所述驱动机构包括电机和传动齿，所述电机用于驱动所述传动齿自转，所述弧形抵接面设有齿条，所述齿条与所述传动齿啮合。
在其中一个实施例中，所述气流输入机构包括蝶阀、过渡管段和稳定管段，所述蝶阀设于所述过渡管段的输入端，所述过渡管段的输出端与所述稳定管段的输入端连接导通，所述稳定管段的输出端与所述喷管段的输入端连接导通。
在其中一个实施例中，所述测试机构包括实验腔、光学反射区、收缩管段和闸板阀；所述实验腔的输入端与所述喷管段的输出端连接导通，所述实验腔的输出端与所述光学反射区的输入端连接导通，所述光学反射区的输出端与所述收缩管段的输入端连接导通，所述收缩管段的输出端设有所述闸板阀。
本发明的有益效果如下：
由于所述驱动机构用于驱动所述喷管调节块移动，在所述喷管调节块的各种移动状态下，所述弧形抵接面均与所述阻挡块保持抵接，所述调节面均与所述管壳内壁保持分离以形成导流通道，所以随着喷管调节块的移动，将会形成尺寸各不相同的导流通道，从而实现了喷管段出口的气流马赫数可变，调控结构非常简单，切实解决了现有风洞模拟结构过于复杂的问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施方式，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。
图1是本发明变马赫数超声速风洞提供的结构示意图；
图2是图1的喷管段内部结构示意图；
图3是图2的喷管调节块上移状态示意图；
图4是本发明的Ma等值线图一；
图5是本发明的Ma等值线图二；
图6是本发明的Ma等值线图三。
附图标记如下：
10、气流输入机构；11、蝶阀；12、过渡管段；13、稳定管段；
20、喷管段；21、管壳；211、阻挡块；212、限位块；22、喷管调节块；221、弧形抵接面；223、输入段；224、限流段；225、输出段；226、输入凹弧面；227、输出凹弧面；228、限流凸弧面；229、弧形导向槽；220、齿条；231、电机；232、传动齿；24、导流通道；
30、测试机构；31、实验腔；32、光学反射区；33、收缩管段；34、闸板阀。
具体实施方式
下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述。
本发明提供了一种变马赫数超声速风洞，其实施例如图1至图3所示，包括气流输入机构10、喷管段20和测试机构30；气流输入机构10的输出端与喷管段20的输入端连接导通，喷管段20的输出端与测试机构30的输入端连接导通；喷管段20包括管壳21、喷管调节块22和驱动机构；管壳21内壁设有阻挡块211；喷管调节块22设于管壳21内，喷管调节块22邻近管壳21的输出端布置，喷管调节块22相对的两侧分别设有弧形抵接面221和调节面；驱动机构用于驱动喷管调节块22移动，在喷管调节块22的各种移动状态下，弧形抵接面221均与阻挡块211保持抵接，调节面均与管壳21内壁保持分离以形成导流通道24。
在进行应用时，气流输入机构10将气流平稳的输送至喷管段20，譬如此实施例的气流输入机构10包括蝶阀11、过渡管段12和稳定管段13，蝶阀11设于过渡管段12的输入端，过渡管段12的输出端与稳定管段13的输入端连接导通，稳定管段13的输出端与喷管段20的输入端连接导通，所以当蝶阀11打开后，气流流经过过渡管段12和稳定管段13则可变为稳定状态，从而确保了气流的平稳输入。
然后喷管段20进行马赫数的调控，譬如在图2所示的状态中，喷管调节块22移动至最低位，喷管段20输出端的开口变小，而在图3所示的状态中，喷管调节块22移动至最高位，喷管段20输出端的开口变大，即通过简单的调控便实现了马赫数变换。
最后，输出的气流进入测试机构30进行实验检测，譬如此实施例的测试机构30包括实验腔31、光学反射区32、收缩管段33和闸板阀34；实验腔31的输入端与喷管段20的输出端连接导通，实验腔31的输出端与光学反射区32的输入端连接导通，光学反射区32的输出端与收缩管段33的输入端连接导通，收缩管段33的输出端设有闸板阀34；所以气流在实验腔31和光学发射区的配合下将可完成模拟实验，然后便可经收缩管段33和闸板阀34排出。
综上所述，此方案通过控制喷管调节块22的移动形成尺寸各不相同的导流通道24，从而实现了喷管段20出口的气流马赫数可变，调控结构非常简单，切实解决了现有风洞模拟结构过于复杂的问题。
其中，图3至图6为不同旋转角对应的喷管段20输出端马赫数Ma以及流场的Ma等值线。从图中可以看出，Ma＝3.0、3.5和4.0分别对应的喷管调节块22旋转角为0°、8.8°和16°；每一种运行状态下，竖直方向均有一个比较大的设计Ma均匀流场区域，如图中实线框所示；随着喷管调节块22角度的调整，出口Ma发生变化，但是可以看出Ma＝3.0对应的均匀流场区域，仍能整体上保持流场的均匀性。
如图2和图3所示，喷管调节块22包括依次连接的输入段223、限流段224和输出段225，输入段223的厚度小于限流段224的厚度，输出段225的厚度小于限流段224的厚度，且输入段223、限流段224和输出段225的表面平滑过渡连接成弧形抵接面221和调节面。
在采用此设置方式后，喷管调节块22将呈中间厚两端窄的形状，从而使得喷管调节块22的输入区域和输出区域均具有较为充足的空间，以便于提高气流的流入量和气流的输出量。
如图2和图3所示，输入段223呈片状结构，在往远离限流段224的方向上，输入段223的厚度逐渐缩小，在采用此结构后，则可确保气流的输入量较大，并能够实现气流量往限流段224的平滑下降。
如图2和图3所示，输出段225呈片状结构，在往远离限流段224的方向上，输出段225的厚度逐渐缩小，在采用此结构后，则可确保气流的输出量较大，并能够实现气流量往喷管段20输出端的平滑上升。
如图2和图3所示，在形成调节面处，输入段223与限流段224连接过渡形成有输入凹弧面226，输出段225与限流段224连接过渡形成有输出凹弧面227，输入凹弧面226与输出凹弧面227连接过渡形成有限流凸弧面228。
在采用此结构后，若气流流经喷管调节块22，则可实现气流的平滑流入和平滑输出，为气流的平滑调控提供了重要保障。
如图2和图3所示，弧形抵接面221为输入段223、限流段224和输出段225表面连接成的凸弧面，阻挡块211的表面为与弧形抵接面221匹配的凹弧面。
在采用此结构后，则可确保弧形抵接面221能够与阻挡块211时刻保持紧密贴合接触，避免产生气流泄露，为马赫数的准确调控提供了重要保障。
如图1至图3所示，喷管调节块22上设有弧形导向槽229，弧形导向槽229设于弧形抵接面221和调节面之间，管壳21内设有限位块212，限位块212嵌入弧形导向槽229之间；驱动机构包括电机231和传动齿232，电机231用于驱动传动齿232自转，弧形抵接面221设有齿条220，齿条220与传动齿232啮合。
在设置限位块212后，将可限定喷管调节块22的移动轨迹，而电机231驱动传动齿232的自转，则可通过传动齿232与齿条220的啮合驱动喷管调节块22进行移动，从而使得喷管调节块22的移动调控得以实现。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种变马赫数超声速风洞，其特征在于，
包括气流输入机构、喷管段和测试机构；
所述气流输入机构的输出端与所述喷管段的输入端连接导通，所述喷管段的输出端与所述测试机构的输入端连接导通；
所述喷管段包括管壳、喷管调节块和驱动机构；
所述管壳内壁设有阻挡块；
所述喷管调节块设于所述管壳内，所述喷管调节块邻近所述管壳的输出端布置，所述喷管调节块相对的两侧分别设有弧形抵接面和调节面；
所述驱动机构用于驱动所述喷管调节块移动，在所述喷管调节块的各种移动状态下，所述弧形抵接面均与所述阻挡块保持抵接，所述调节面均与所述管壳内壁保持分离以形成导流通道。
2.根据权利要求1所述的变马赫数超声速风洞，其特征在于，所述喷管调节块包括依次连接的输入段、限流段和输出段，所述输入段的厚度小于所述限流段的厚度，所述输出段的厚度小于所述限流段的厚度，且所述输入段、所述限流段和所述输出段的表面平滑过渡连接成所述弧形抵接面和所述调节面。
3.根据权利要求2所述的变马赫数超声速风洞，其特征在于，所述输入段呈片状结构，在往远离所述限流段的方向上，所述输入段的厚度逐渐缩小。
4.根据权利要求2所述的变马赫数超声速风洞，其特征在于，所述输出段呈片状结构，在往远离所述限流段的方向上，所述输出段的厚度逐渐缩小。
5.根据权利要求2所述的变马赫数超声速风洞，其特征在于，在形成所述调节面处，所述输入段与所述限流段连接过渡形成有输入凹弧面，所述输出段与所述限流段连接过渡形成有输出凹弧面，所述输入凹弧面与所述输出凹弧面连接过渡形成有限流凸弧面。
6.根据权利要求2所述的变马赫数超声速风洞，其特征在于，所述弧形抵接面为所述输入段、所述限流段和所述输出段表面连接成的凸弧面，所述阻挡块的表面为与所述弧形抵接面匹配的凹弧面。
7.根据权利要求6所述的变马赫数超声速风洞，其特征在于，
所述喷管调节块上设有弧形导向槽，所述弧形导向槽设于所述弧形抵接面和所述调节面之间，所述管壳内设有限位块，所述限位块嵌入所述弧形导向槽之间；
所述驱动机构包括电机和传动齿，所述电机用于驱动所述传动齿自转，所述弧形抵接面设有齿条，所述齿条与所述传动齿啮合。
8.根据权利要求1所述的变马赫数超声速风洞，其特征在于，所述气流输入机构包括蝶阀、过渡管段和稳定管段，所述蝶阀设于所述过渡管段的输入端，所述过渡管段的输出端与所述稳定管段的输入端连接导通，所述稳定管段的输出端与所述喷管段的输入端连接导通。
9.根据权利要求1所述的变马赫数超声速风洞，其特征在于，所述测试机构包括实验腔、光学反射区、收缩管段和闸板阀；所述实验腔的输入端与所述喷管段的输出端连接导通，所述实验腔的输出端与所述光学反射区的输入端连接导通，所述光学反射区的输出端与所述收缩管段的输入端连接导通，所述收缩管段的输出端设有所述闸板阀。
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