CN113984325A - 一种提高高超声速静风洞来流总压的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种提高高超声速静风洞来流总压的装置及方法，通过对喷管外壁布置加热带对风洞喷管进行加热，通过提高喷管壁面温度来延迟边界层转捩，从而达到提高静风洞来流总压的目的。采用温度传感器对喷管加热温度、来流总温进行测量；通过温控仪精确实时控制和显示加热温度，还可以对加热温度进行设定，当达到设定温度后自动停止加热；当加热温度超过设定的临界值时，还会发出信号报警；当温度低于某一设定温度值时，加热系统自动重启，开始对喷管进行加热；同时，在加热带的外侧覆盖一层隔热棉，减少热量散失。该方法也可以用于提高超声速风洞喷管的性能和流场品质。

Description

一种提高高超声速静风洞来流总压的装置及方法

技术领域

本发明涉及高超声速风洞技术领域，具体为一种提高高超声速静风洞来流总压的装置及方法。

背景技术

高超声速风洞中来流扰动主要分为三类，涡扰动，熵扰动和声扰动。其中声扰动主要来源于风洞喷管壁面湍流边界层的马赫波辐射。因此，要想得到静流动(测试区域测得的压力脉动均方根值与平均压力值之比小于千分之一)，必须尽可能保持喷管壁面为层流边界层。相对于普通高超声速风洞，高超声速静风洞的噪音水平低一个量级，可以达到飞行器飞行状态真实的环境噪音水平。目前世界上的高超声速静风洞都是采用边界层抽吸的方式，将稳定段及收缩段发展的湍流边界层抽吸掉，减少前方湍流边界层对喷管下游的影响。这种方法虽然可以消除上游湍流边界层的影响，但是抽吸段之后又会有新的边界层发展，并在下游一定区域内发生边界层转捩，转变为湍流边界层，而转捩后的湍流边界层仍然会辐射马赫波，进而对测试区域的流场品质产生干扰。

目前主要采用平直段喷管、慢膨胀喷管、短喷管等设计方式，对喷管型面进行优化，推迟

涡、第二模态波等不稳定扰动的发展，尽可能维持喷管壁面为层流边界层。

现有边界层抽吸技术中，抽吸量是固定不变的。对于不同的来流雷诺数，抽吸量并不是最优的，较大的抽吸量不但会造成气体浪费，甚至对下游边界层造成扰动，促进边界层转捩为湍流边界层，进而降低静流动的来流总压。

世界上有很多不同的高超声速静风洞喷管设计方法，但目前为止还没有一个统一的最优的设计方法。平直段喷管设计方法虽然可以抑制

涡的发展，但在喷管型面中加入一段平直段，不可避免增加了喷管的长度，增加了喷管的加工工艺难度和加工成本。喷管长度的增加也使高超声速边界层转捩中占主导的第二模态波有更多的发展空间，更易使喷管壁面发展为湍流边界层。慢膨胀喷管设计方法也存在同样的问题。短喷管设计方法虽然缩短了第二模态波的发展空间，但较大的曲率型面反而促进

涡的发展，进而促进边界层的转捩发生。同时，喷管的优化设计是一个逐步迭代的过程，喷管的加工对加工工艺水平要求又很高。一旦风洞建成，很难再对喷管进行更换，也就难以进一步提高静流动的来流总压。

发明内容

为了解决背景技术中提出的问题，本发明公开了一种提高高超声速静风洞来流总压的方法，在不改变抽吸量和更换喷管的情况下，通过调控喷管壁面温度来延迟边界层转捩，从而提高高超声速静风洞的来流总压。

一种提高高超声速静风洞来流总压的装置，包括风洞喷管，还包括加热装置，所述加热装置铺设在所述风洞喷管的外壁面，用于加热所述风洞喷管；温度检测与控制系统，与所述加热装置电性连接，用于检测、显示和控制该加热装置的温度，与总温传感器电性连接，用于为加热装置提供加热温度设定值反馈；保温系统，覆盖在所述加热装置外表面，用于减少风洞喷管的热量损失。

作为优选，加热装置包括电热材料及包裹在该电热材料外的绝缘材料，所述电热材料将电热转化为热能，绝缘材料用于电热材料的隔热。

作为优选，电热材料为柔性加热层，条状间隔铺设在风洞喷管的外表面，对喷管进行整体加热，且保证喷管壁面加热均匀。

作为优选，温度检测与控制系统包括依次电性连接的温度传感器、温控仪和温度报警器；温度传感器检测喷管壁面温度并发送至温控仪进行实时控制、显示；温控仪设有预定温度、低温阈值及高温阈值，当测得的壁面温度等于该预定温度时，停止加热；当测得的壁面温度低于该低温阈值时，控制电热材料启动加热；当测得的壁面温度超过高温阈值时，触发温度报警器进行高温预警。

作为优选，电热材料铺设在所述风洞喷管的扩张段，在边界层抽吸量足够的情况下，即当抽吸段可以将收缩段之前发展的边界层完全抽吸掉时，电热材料无需布置在风洞喷管的收缩段和抽吸段。

作为优选，电热材料由多段组成，电热材料的引出线从两端自带保温层的外包皮处引出。

作为优选，保温系统为柔性层状保温材料，覆盖在加热装置外表面，以减小热量损失。

本发明还公开了一种提高高超声速静风洞来流总压的方法，包括以下步骤：

步骤1，在风洞喷管的喉道至扩张段外壁面铺设加热装置，启动加热装置对喷管进行加热；

步骤2，设定来流总温的阀值区间，并根据来流总温设定喷管加热预定温度；读取总温传感器检测的来流总温，当总温超过阀值区间上限时，降低喷管加热预定温度；当总温低于阀值区间下限时，提高喷管加热预定温度；

步骤3，根据喷管加热预定温度设定喷管加热的低温阈值和高温阈值，温控仪读取温度传感器检测的壁面温度，当壁面温度等于预定温度时，停止加热；当壁面温度超过高温阈值时，触发温度报警器进行高温预警；当壁面温度低于该低温阈值时，控制电热材料启动加热。

有益效果：

(1)本发明通过对原有喷管的外壁安装加热带，对喷管进行加热，提高喷管内壁面的温度，延迟边界层转捩，尽可能维持风洞喷管壁面为层流边界层，达到提高高超声速静风洞来流总压的目的；

(2)本发明使用的加热装置成本低、加热效率高、安装方便；

(3)本发明不需要对改变边界层的抽吸量或更换喷管，降低了更换喷管的难度和风险；

(4)由于高超声速静风洞喷管、抽吸装置等采用的都是高强度不锈钢等材料，喷管的加热对喷管的型面也无任何影响，不会对测试区域的流场品质产生任何干扰。

附图说明

图1为本发明中一个实施例的提高高超声速静风洞来流总压的装置的示意图；

图2为本发明中一个实施例的提高高超声速静风洞来流总压方法流程图；

图3为本发明中一个实施例的不同喷管加热温度引起的高超声速静风洞来流总压的变化示意图。

附图标记：1-喷管收缩段、2-抽吸段、3-喷管喉道、4-扩张段、5-保温层、6-电热材料、7-绝缘材料、8-温度传感器、9-温控仪、10-温度报警器、11-总温传感器。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明公开了一种提高高超声速静风洞来流总压的装置，以抑制喷管壁面的边界层转捩是提高高超声速静风洞来流总压。区别于低速流动，对于高超声速流动，相对于室温，壁面温度的提高会抑制第二模态不稳定波的发展，进而抑制边界层转捩的发生。

如图1所示，一种提高高超声速静风洞来流总压的装置，包括风洞喷管，在该风洞喷管的喷管喉道3至扩张段4的外壁面铺设加热装置，在边界层抽吸量足够的情况下，即当抽吸段可以将收缩段之前发展的边界层完全抽吸掉时，喷管收缩段1以及抽吸段2无需铺设。加热装置用于加热风洞喷管，通过提高喷管壁面温度来延迟边界层转捩，从而达到提高静风洞来流总压的目的。加热装置包括电热材料6及包裹在该电热材料6外的绝缘材料7，电热材料6为柔性加热层，具体可以为一种加热带，将电热转化为热能。电热材料6由多段组成，电热材料的引出线从两端自带保温层5的外包皮处引出，当某段发生损坏时，方便对其进行更换。绝缘材料7用于电热材料的隔热。

加热装置电性连接温度检测与控制系统，该系统具体包括温度传感器8、温控仪9与温度报警器10。温度传感器8电性连接加热装置，对喷管加热温度进行测量。温控仪9电性连接温度传感器8和总温传感器11，以精确实时控制和显示加热温度，以保证每次风洞实验的喷管壁温相同。为该温控仪设置预定温度、低温阈值及高温阈值，当温度传感器8测得的壁面温度达到预定温度后自动停止加热；当温度传感器8测得的壁面温度超过高温阈值，温度报警器10发出信号报警；当温度低于低温阈值，控制加热装置自动重启，开始对喷管进行加热。总温传感器11用于检测来流总温，给喷管加热的温度设定提供反馈：当总温相对较高时，喷管加热温度设定值相对降低，当总温相对较低时，喷管加热温度设定值相对提高。同时，在加热带的外侧覆盖保温系统，减少热量散失。保温系统可以为一层隔热棉或泡沫材料。

如图2所示，本发明还公开了一种提高高超声速静风洞来流总压的方法，包括以下步骤：

步骤1，在风洞喷管的喉道至扩张段外壁面铺设加热装置，启动加热装置对喷管进行加热；

步骤2，设定来流总温的阀值区间，并根据来流总温设定喷管加热预定温度；读取总温传感器检测的来流总温，当总温超过阀值区间上限时，降低喷管加热预定温度；当总温低于阀值区间下限时，提高喷管加热预定温度；

步骤3，根据喷管加热预定温度设定喷管加热的低温阈值和高温阈值，温控仪读取温度传感器检测的壁面温度，当壁面温度等于预定温度时，停止加热；当壁面温度超过高温阈值时，触发温度报警器进行高温预警；当壁面温度低于该低温阈值时，控制电热材料启动加热。

如图3所示为不同喷管加热温度引起的高超声速静风洞来流总压的变化。可以看出，随着喉道温度的提高，高超声速静风洞的来流总压也随之升高。需要指出的时，本实验的设置中，图2横坐标显示的温度为加热带自身温度，加热装置未加保温系统。由于喷管为不锈钢材质，热传导散热很严重，喷管内壁面的实际温度要远远低于图2横坐标显示的温度数值。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种提高高超声速静风洞来流总压的装置，包括风洞喷管，其特征在于：还包括

加热装置，所述加热装置铺设在所述风洞喷管的外壁面，用于加热所述风洞喷管；

温度检测与控制系统，与所述加热装置电性连接，用于检测、显示和控制该加热装置的温度；与总温传感器电性连接，用于为加热装置提供加热温度设定值反馈；

保温系统，覆盖在所述加热装置外表面，用于减少风洞喷管的热量损失。

2.根据权利要求1所述的提高高超声速静风洞来流总压的装置，其特征在于：所述加热装置包括电热材料及包裹在该电热材料外的绝缘材料，所述电热材料将电热转化为热能，所述绝缘材料用于电热材料的隔热。

3.根据权利要求2所述的提高高超声速静风洞来流总压的装置，其特征在于：所述电热材料为柔性加热层，条状间隔铺设在风洞喷管的外表面，对喷管进行整体加热，且保证喷管壁面加热均匀。

4.根据权利要求3所述的提高高超声速静风洞来流总压的装置，其特征在于：所述温度检测与控制系统包括依次电性连接的温度传感器、温控仪和温度报警器；

所述温度传感器检测喷管壁面温度并发送至温控仪进行实时控制、显示；

所述温控仪设有预定温度、低温阈值及高温阈值，当测得的壁面温度等于该预定温度时，停止加热；当测得的壁面温度低于该低温阈值时，控制电热材料启动加热；当测得的壁面温度超过高温阈值时，触发温度报警器进行高温预警；

所述总温传感器检测来流总温，给喷管加热的温度设定提供反馈。

5.根据权利要求1或4所述的提高高超声速静风洞来流总压的装置，其特征在于：所述电热材料铺设在所述风洞喷管的扩张段，当喷管抽吸段能够完全抽吸掉喷管收缩段发展的边界层时，所述电热材料无需布置在风洞喷管的收缩段和抽吸段。

6.根据权利要求5所述的提高高超声速静风洞来流总压的装置，其特征在于：所述电热材料由多段组成，该电热材料的引出线从两端自带保温层的外包皮处引出。

7.根据权利要求6所述的提高高超声速静风洞来流总压的装置，其特征在于：所述保温系统为柔性层状保温材料，覆盖在加热装置外表面，以减小热量损失。

8.根据权利要求7所述的提高高超声速静风洞来流总压装置的控制方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1，在风洞喷管的喉道至扩张段外壁面铺设加热装置，启动加热装置对喷管进行加热；

步骤2，设定来流总温的阀值区间，并根据来流总温设定喷管加热预定温度；读取总温传感器检测的来流总温，当总温超过阀值区间上限时，降低喷管加热预定温度；当总温低于阀值区间下限时，提高喷管加热预定温度；

步骤3，根据喷管加热预定温度设定喷管加热的低温阈值和高温阈值，温控仪读取温度传感器检测的壁面温度，当壁面温度等于预定温度时，停止加热；当壁面温度超过高温阈值时，触发温度报警器进行高温预警；当壁面温度低于该低温阈值时，控制电热材料启动加热。

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