CN113720571B - 一种Ludwieg管式静风洞及其起动方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种Ludwieg管式静风洞及其起动方法，基于双膜段起动装置置于喷管下游的静风洞，在起动过程中由于上游总压较低，双膜段充气压力相应较低，采用传统放气破膜方式进行破膜起动时，由于压差较小，膜片破裂不完全流场很难建立。为了Ludwieg管式静风洞起动中破膜完全，流场顺利建立，提出一种双膜段充气破膜方式及相应的Ludwieg管式静风洞。根据风洞喷管出口设计双膜段直径，根据气量计算双膜段长度，以及双膜段和真空罐间距离。膜片采用铝制膜片，单面刻槽，槽口统一朝下游安装。试验前充气至上游压力一半，起动时给双膜段充气，破膜后迅速关闭充气阀。本发明为Ludwieg管式静风洞稳定运行提供相应的支持，经过试验验证，破膜成功率100％，管式风洞流场全部建立。
Description
技术领域
本发明属于风洞试验技术领域，特别涉及一种Ludwieg管式静风洞及其起动方法。
背景技术
为了模拟高速飞行时的低噪声流场，必须研制静风洞作为地面试验模拟设备。在静风洞设计中，将起动装置置于喷管下游，能够消除起动装置对喷管流场的影响，从结构上降低来流噪声的引入，达到抑制喷管壁面边界层转捩的作用。
Ludwieg管式静风洞来流总压低，起动装置即双膜段位于喷管下游，从上游驱动段到双膜段再到下游与连接段相连的真空罐之间压力差相比于常规激波风洞激波管高压段和低压段之间压力差小很多。同时，膜片本身由于材料属性、切割工艺等微小区别，破膜压力为一个范围。两侧压力差较小，这就导致膜片选择比较困难，很可能压力波动范围涵盖了破膜压力，给双膜破膜起动带来很大不确定性。
因此，有必要针对起动装置位于喷管下游的Ludwieg管式静风洞起动问题，提出合理的风洞结构设计和起动方法，稳定获得风洞流场。
发明内容
为了克服现有技术中的不足，本发明人进行了锐意研究，提供了一种 Ludwieg管式静风洞及其起动方法，通过对风洞结构设计并采用充气式破膜，能够迅速进行双膜段破膜，实现破膜完全，从而建立稳定的静风洞流场，经过试验验证，破膜成功率100％，管式风洞流场全部建立。
本发明提供的技术方案如下：
第一方面，一种Ludwieg管式静风洞，由上游至下游包括依次连接的驱动段、喷管段、试验段、双膜段和连接段，所述驱动段、喷管段和试验段连通，存储有风洞运行所需要的高温高压空气；所述双膜段的两侧通过膜片封端，内部气压低于上游总压，直径为试验段直径的1.1～1.2倍，长度为其直径的1.1～1.3 倍，膜片承压能力为上游总压的70％～90％；所述连接段与真空罐连通，真空度为20Pa以下。
第二方面，一种Ludwieg管式静风洞的起动方法，包括如下步骤：
步骤1，设置Ludwieg管式静风洞，使其由上游至下游包括依次连接的驱动段、喷管段、试验段、双膜段和连接段，其中，所述驱动段、喷管段和试验段连通，用于存储风洞运行所需要的高温高压空气，所述双膜段的两侧通过膜片封端，内部气压低于上游总压，直径为试验段直径的1.1～1.2倍，长度为其直径的1.1～1.3倍，膜片承压能力为上游总压的70％～90％，并将连接段与真空罐连通；
步骤2，试验前，向双膜段充气至上游总压的40％～60％；风洞起动时，向双膜段充气至双膜段两侧的膜片破裂，然后迅速关闭充气阀，停止向双膜段充气。
根据本发明提供的一种Ludwieg管式静风洞及其起动方法，具有以下有益效果：
(1)本发明提供的一种Ludwieg管式静风洞，为充气式破膜而进行的专门性设计，双膜段直径为试验段直径的1.1～1.2倍，直径稍大于试验段直径，破膜后下游干扰小；长度为其直径的1.1～1.3倍，长度选择过短会影响破膜时膜片干扰，过长会使得双膜段容积变大，充气时需要更多气体，在下膜破裂后，双膜段压力降低缓慢，不利于上膜的迅速破裂；
(2)本发明提供的一种Ludwieg管式静风洞的起动方法，采用充气式破膜，该破膜方式能够迅速进行双膜段破膜，实现破膜完全，从而建立静风洞流场，经过试验验证，破膜成功率100％，管式风洞流场全部建立；
(3)本发明提供的一种Ludwieg管式静风洞的起动方法，相较于放气式破膜，在流场起动时，充气至破膜的破膜时间可控，整体试验时间可控。
附图说明
图1为Ludwieg管式静风洞的结构示意图；
图2为起动风洞时流场试验段测量的皮托压变化曲线。
附图标号说明
1-驱动段；2-喷管段；3-试验段；4-双膜段；5-连接段。
具体实施方式
下面通过对本发明进行详细说明，本发明的特点和优点将随着这些说明而变得更为清楚、明确。
在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。
基于双膜段起动装置置于喷管下游的静风洞，在起动过程中由于上游总压较低，双膜段充气压力相应较低，采用传统放气破膜方式进行破膜起动时，由于压差较小，膜片破裂不完全流场很难建立。为了Ludwieg管式静风洞起动中破膜完全，流场顺利建立，提出一种双膜段充气破膜方式及相应的Ludwieg管式静风洞。具体阐述如下。
根据本发明的第一方面，提供了一种Ludwieg管式静风洞，由上游至下游包括依次连接的驱动段1、喷管段2、试验段3、双膜段4和连接段5，所述驱动段1、喷管段2和试验段3连通，存储有风洞运行所需要的高温高压空气；所述双膜段4的两侧通过膜片封端，内部气压低于上游总压，直径为试验段直径的1.1～1.2倍，长度为其直径的1.1～1.3倍，膜片承压能力为上游总压的 70％～90％；所述连接段5与真空罐连通，真空度为20Pa以下。
在本发明一种优选实施方式中，所述膜片的抗拉强度为60～95MPa，有高的可塑性、耐蚀性，强度低，易承受各种压力加工和引伸、弯曲，优选采用牌号1035(或1A30)工业纯铝制得。
在本发明一种优选实施方式中，所述双膜段两侧的膜片以膜片圆心为起始点单面刻槽，刻槽沿周向每60°加工一条，成辐射状，刻槽面统一朝向下游。
在本发明一种优选实施方式中，所述连接段5的直径与双膜段4直径一致，长度为0.5～1m。
根据本发明的第二方面，提供了一种Ludwieg管式静风洞的起动方法，包括如下步骤：
设置Ludwieg管式静风洞，使其由上游至下游包括依次连接的驱动段、喷管段、试验段、双膜段和连接段，其中，所述驱动段、喷管段和试验段连通，用于存储风洞运行所需要的高温高压空气，所述双膜段的两侧通过膜片封端，内部气压低于上游总压，直径为试验段直径的1.1～1.2倍，长度为其直径的 1.1～1.3倍，膜片承压能力为上游总压的70％～90％，并将连接段与真空罐连通；
试验前，向双膜段充气至上游总压的40％～60％；风洞起动时，向双膜段充气至双膜段两侧的膜片破裂，然后迅速关闭充气阀，停止向双膜段充气。
本发明人经过研究发现，双膜段直径选择使得来流在双膜段继续膨胀，利于流场建立；长度选择过短会影响破膜时膜片干扰，过长会使得双膜段容积变大，充气时需要更多气体，在下膜破裂后，双膜段压力降低缓慢，不利于上膜的迅速破裂；膜片承压范围的选择为保证能够耐压总压50％左右，在风洞起动前维持上游压力，承压小于上游总压，在充气时方便破膜。
在本发明一种优选实施方式中，步骤1中，所述膜片的抗拉强度 60～95MPa，有高的可塑性、耐蚀性，强度低，易承受各种压力加工和引神、弯曲，优选采用牌号1035或1A30工业纯铝制得。膜片选择根据风洞流场总压确定，静风洞相较于激波风洞上游总压较低，选择工业纯铝强度较为合适。
在本发明一种优选实施方式中，步骤1中，还包括：对双膜段两侧的膜片以膜片圆心为起始点单面刻槽，刻槽沿周向每60°加工一条，成辐射状，刻槽面统一朝向下游。
在本发明一种优选实施方式中，步骤1中，设置所述连接段5的直径与双膜段4直径一致，长度为0.5～1m。上述范围内的连接段长度小，下游膜片破裂后气流迅速进入真空罐，上游膜片下游压力立刻降低，上游膜片破裂。
在本发明一种优选实施方式中，步骤1中，所述上游总压为试验所需压力，连接段的真空度为20Pa以下。
在试验段直径Φ＝400mm、双膜段4直径Φ＝440mm及长度＝520mm、连接段5的直径Φ＝440mm及长度＝0.5m并满足本发明中结构连接关系的风洞中，采用本发明中方法进行来流Ma＝6，总压0.6～1MPa的风洞试验，图2 给出了两种方式起动风洞时流场试验段测量的皮托压变化曲线，从图中看到，破膜前测量压力为上游总压，经过充气破膜起动风洞，风洞流场顺利建立，放气破膜时流场并未建立。
以上结合具体实施方式和范例性实例对本发明进行了详细说明，不过这些说明并不能理解为对本发明的限制。本领域技术人员理解，在不偏离本发明精神和范围的情况下，可以对本发明技术方案及其实施方式进行多种等价替换、修饰或改进，这些均落入本发明的范围内。本发明的保护范围以所附权利要求为准。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。
Claims (9)
1.一种Ludwieg管式静风洞，其特征在于，由上游至下游包括依次连接的驱动段(1)、喷管段(2)、试验段(3)、双膜段(4)和连接段(5)，所述驱动段(1)、喷管段(2)和试验段(3)连通，存储有风洞运行所需要的高温高压空气；所述双膜段(4)的两侧通过膜片封端，内部气压低于上游总压，直径为试验段直径的1.1～1.2倍，长度为其直径的1.1～1.3倍，膜片承压能力为上游总压的70％～90％；所述连接段(5)与真空罐连通，真空度为20Pa以下。
2.根据权利要求1所述的Ludwieg管式静风洞，其特征在于，所述膜片的抗拉强度为60～95MPa。
3.根据权利要求1所述的Ludwieg管式静风洞，其特征在于，所述双膜段两侧的膜片以膜片圆心为起始点单面刻槽，刻槽沿周向每60°加工一条，成辐射状，刻槽面统一朝向下游。
4.根据权利要求1所述的Ludwieg管式静风洞，其特征在于，所述连接段(5)的直径与双膜段(4)直径一致，长度为0.5～1m。
5.一种Ludwieg管式静风洞的起动方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1，设置Ludwieg管式静风洞，使其由上游至下游包括依次连接的驱动段、喷管段、试验段、双膜段和连接段，其中，所述驱动段、喷管段和试验段连通，用于存储风洞运行所需要的高温高压空气，所述双膜段的两侧通过膜片封端，内部气压低于上游总压，直径为试验段直径的1.1～1.2倍，长度为其直径的1.1～1.3倍，膜片承压能力为上游总压的70％～90％，并将连接段与真空罐连通；
步骤2，试验前，向双膜段充气至上游总压的40％～60％；风洞起动时，向双膜段充气至双膜段两侧的膜片破裂，然后迅速关闭充气阀，停止向双膜段充气。
6.根据权利要求5所述的Ludwieg管式静风洞的起动方法，其特征在于，步骤1中，所述膜片的抗拉强度为60～95MPa。
7.根据权利要求5所述的Ludwieg管式静风洞的起动方法，其特征在于，步骤1中，所述上游总压为试验所需压力，连接段的真空度为20Pa以下。
8.根据权利要求5所述的Ludwieg管式静风洞的起动方法，其特征在于，步骤1中，设置所述连接段的直径与双膜段直径一致，长度为0.5～1m。
9.根据权利要求5所述的Ludwieg管式静风洞的起动方法，其特征在于，步骤1中，还包括：在双膜段两侧的膜片以膜片圆心为起始点单面刻槽，刻槽沿周向每60°加工一条，成辐射状，刻槽面统一朝向下游。
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