CN114509233A - 一种风洞电弧加热系统的配气装置及配气方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及风洞加热器技术领域，尤其涉及一种风洞电弧加热系统的配气装置及配气方法。该配气装置包括弧室配气部和混气室配气部，弧室配气部包括多个弧室调节结构，混气室配气部包括多个混气室调节结构，通过选取不同的弧室调节结构和混气室调节结构的组合，能够针对不同的试验调整流量、流速和不同的进气角度，使气流旋转进入弧室，形成中心低的压力梯度，将电弧弧柱包裹在冷气流中心，促使电弧弧柱拉长，混气室配气部根据弧室的配气情况进行调整，实现解旋和调温，且能够适应更大范围试验状态参数匹配。配气方法能够分别在冷态和热态下对试验时的电弧加热器流场混合均匀性进行快速测量，并根据反馈进行调节，减少电弧加热器热态调试次数。

Description

一种风洞电弧加热系统的配气装置及配气方法

技术领域

本发明涉及风洞加热器技术领域，尤其涉及一种风洞电弧加热系 统的配气装置及配气方法。

背景技术

大型电弧加热器是开展高超声速飞行器热环境模拟试验的重要设 备，常作为大型高超声速风洞的加热器。电弧加热器采用电弧放电加热 空气形成高温气流，加热目标材料或试验模型。电弧加热器加热空气时， 被加热的空气通常经过一组带有倾斜角度的小孔，旋转进入弧室，形成 中心低的压力梯度，将电弧弧柱包裹在冷气流中心，促使电弧弧柱拉长。 在电弧加热器的下游，通常设置一个混气室，加入冷气射流对高温气流 进行掺混，以调节总温参数，减少参数波动，提高空间均匀性。

常规设计的配气系统管路及进气孔结构参数(角度、数量、孔径) 固化，难以变化，适应的运行参数范围较窄。在模拟飞行器变轨道、宽 参数飞行条件时，需在一次试验中依次完成多个跨度较大的试验状态， 气流参数变化范围很大，达几个数量级(如0.01kg/s～10kg/s)。如果电 弧加热器弧室进气孔结构参数不发生相应的变化进行匹配，将导致进 气速度和形成的压力梯度无法控制电弧稳定运行。如果电弧加热器后 的混气室进气孔结构参数不发生相应的变化，混入的冷气动量不够，冷 气无法穿透高温热气流核心，导致冷、热气流掺混不均，温度分布不均 匀。冷空气会在喷管(位于电弧加热器的下游)入口贴近壁面流动一直 到喷管出口，造成喷管核心区小，中心温度数倍于平均温度。如果冷气 动量过大，将造成中心区域温度过低。反向混入气体旋转速度过大或过 小也无法消除来流的旋转。喷管出口流场不均匀，或存在旋转，将极大 地影响试验结果。

此外，在现有技术配气过程中，需要在热态(电弧运行)时测试和 调整配气，需要多次电弧加热器热态调试，成本较高。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明的第一个目的是提供一种风洞电弧加热系统的配气装置， 能够通过调节电弧加热器弧室及混气室气体流量、速度和进气角度的 不同组合，使流场与试验状态参数相匹配，适应更宽范围试验状态参数 相匹配的配气。

本发明的第二个目的是提供一种风洞电弧加热系统的配气方法， 能够对试验时的电弧加热器流场混合均匀性进行快速测量，并根据反 馈进行调节，使流场均匀性与试验状态参数相匹配，减少电弧加热器热 态调试次数，节约成本，提高试验效率。

(二)技术方案

为了实现上述第一个目的，第一方面，本发明提供了一种风洞电弧 加热系统的配气装置，在其第一种实现方式中，配气装置包括弧室配气 部和混气室配气部，其中：

弧室配气部包括多个沿弧室的轴向间隔设置的弧室调节结构，每 个弧室调节结构包括弧室进气管、弧室环形腔和多个弧室进气孔，弧室 环形腔环绕在弧室的外侧与弧室同轴，并通过弧室进气管与弧室气源 连通，弧室进气管上设有弧室调节阀，多个弧室进气孔的直径和角度均 相同，并在弧室环形腔的周向上均匀间隔设置，连通弧室和弧室环形腔；

每个弧室调节结构的弧室进气孔的倾斜角度均大于0°，且至少有 两个弧室调节结构的弧室进气孔的倾斜角度和直径不同，每个弧室调 节结构的弧室进气孔均向第一方向倾斜，由上游至下游，相邻的两个弧 室调节结构的弧室进气孔之间，位于下游的弧室进气孔的倾斜角度不 大于位于上游的弧室进气孔的倾斜角度，位于下游的弧室进气孔直径不小于位于上游的弧室进气孔直径，弧室气源的气流经弧室进气孔以 第一预设进气速度进入弧室，并沿第一方向旋转流向位于下游的混气 室；

混气室配气部包括多个沿混气室的轴向间隔设置的混气室调节结 构，每个混气室调节结构包括混气室进气管、混气室环形腔和多个混气 室进气孔，混气室环形腔环绕在混气室的外侧与混气室同轴，并通过混 气室进气管与混气室气源连通，混气室进气管上设有混气室调节阀，多 个混气室进气孔的直径和角度均相同，并在混气室环形腔的周向上均间隔设置，连通混气室和混气室环形腔；

至少有一个混气室调节结构的混气室进气孔的倾斜角度大于0°， 至少有一个混气室调节结构的混气室进气孔的倾斜角度等于0°，且混 气室进气孔的倾斜角度等于0°的混气室调节结构位于混气室进气孔 的倾斜角度大于0°的混气室调节结构的下游，倾斜角度等于0°的混 气室进气孔均向第二方向倾斜，第一方向和第二方向为相反方向，由上 游至下游，相邻的两个混气室调节结构的混气室进气孔之间，位于下游 的混气室进气孔的倾斜角度不大于位于上游的混气室调节结构的混气 室进气孔的角度，位于下游的混气室进气孔直径不小于位于上游的混 气室进气孔直径，混气室气源的气流经混气室进气孔以第二预设进气 速度进入混气室，对弧室的来流进行解旋和调温。

可选地，弧室的出口端设有弧室收缩斜面，引导弧室内的旋转气流 向混气室方向流动。

可选地，弧室配气部包括四个弧室调节结构，且由上游至下游依次 为第一弧室调节结构、第二弧室调节结构、第三弧室调节结构和第四弧 室调节结构；

混气室配气部包括四个混气室调节结构，且由上游至下游依次为 第一混气室调节结构、第二混气室调节结构、第三混气室调节结构和第 四混气室调节结构。

可选地，第一弧室调节结构的弧室进气孔的倾斜角度大于第二弧 室调节结构的弧室进气孔的倾斜角度，第二弧室调节结构的弧室进气 孔的倾斜角度等于第三弧室调节结构的弧室进气孔的倾斜角度，第三 弧室调节结构的弧室进气孔的倾斜角度大于第四弧室调节结构的弧室 进气孔的倾斜角度；

第一混气室调节结构的弧室进气孔的倾斜角度大于第二混气室调 节结构的弧室进气孔的倾斜角度，第二混气室调节结构的弧室进气孔 的倾斜角度大于第三混气室调节结构的弧室进气孔的倾斜角度，第三 混气室调节结构的弧室进气孔的倾斜角度等于第四混气室调节结构的 弧室进气孔的倾斜角度；

第一混气室调节结构的混气室进气孔的倾斜角度不大于第一弧室 调节结构的弧室进气孔的倾斜角度。

可选地，由第一弧室调节结构到第四弧室调节结构，各自的弧室进 气孔直径依次增加；

由第一混气室调节结构到第四混气室调节结构，各自的混气室进 气孔直径依次增加。

可选地，第一弧室调节结构的弧室进气孔数量为八个，直径为1mm， 倾斜角度为45°，第二弧室调节结构的弧室进气孔数量为十个，直径 为2mm，倾斜角度为35°，第三弧室调节结构的弧室进气孔数量为十 个，直径为3mm，倾斜角度为30°，第四弧室调节结构弧室进气孔的 数量为十二个，直径为4mm，倾斜角度为30°；

第一混气室调节结构的混气室进气孔数量为八个，直径为1mm， 倾斜角度为-45°，第二混气室调节结构的混气室进气孔数量为八个， 直径为2mm，倾斜角度为-35°，第三混气室调节结构的混气室进气孔 数量为十二个，直径为3mm，倾斜角度为0°，第四混气室调节结构 的混气室进气孔数量为十八个，直径为4mm，倾斜角度为0°。

可选地，第一预设进气速度为200～300m/s。

可选地，倾斜角度为0°的混气室进气孔的第二预设进气速度满足 以下关系：

y/d_j＝1.92q^0.335(x/d_j)^0.33

其中：

X为电弧加热器轴向坐标，y为垂直电弧加热器轴向的坐标，且y 值距离所述混气室轴线的距离满足预设距离，原点为混气室进气孔的 中心，d_j为混气室进气孔的直径，m_c为混气室进气孔的进气流量，m_h为电弧加热器热气流量，V_h为弧室来流速度，V_c为第二预设进气速度， A_c为混气室截面积，A_j混气室进气孔截面积。

可选地，在每个弧室调节结构中，弧室进气管的截面积大于各个弧 室进气孔的截面积之和；

在每个混气室调节结构中，混气室进气管的截面积大于各个混气 室进气孔的截面积之和。

可选地，混气室气源内混有示踪气体；

在混气室设有光谱分析设备，光谱分析设备包括光谱分析仪、多个 光发射部和与光发射部数量相同的光接收部，多个光发射部安装在混 气室的一侧壁，并位于混气室调节结构的下游，且在垂直混气室的轴向 方向上竖直间隔设置，多个光接收部安装在混气室相对的另一侧壁，并 与多个光发射部一一对应，用于接收光发射部发射的光，在混气室内形成沿混气室的轴向间隔的多个穿过混气室的光路，光发射部和光接收 部通过光纤束与光谱分析仪连接。

可选地，示踪气体为H₂O、CO₂或Ar。

可选地，在位于混气室下游的喷管出口处设置驻点热流探针、驻点 压力探针和多孔探针，测试喷管出口处的气流混合均匀性。

可选地，配气装置还包括控制器，控制器与弧室调节阀和混气室调 节阀信号连接，能够调节各个弧室调节阀和各个混气室调节阀的开度。

第二方面，为了实现上述第二个目的，本发明还提供了一种风洞电 弧加热系统的配气方法，采用第一方面中任一种风洞电弧加热系统的 配气装置进行配气，包括以下步骤：

根据预设的试验状态参数，初步计算弧室和混气室的总气体流量 配比值；

根据初步计算弧室和混气室的总气体流量配比值，选取一个或多 个弧室调节结构用于向弧室供气，并调节弧室调节阀的开度，弧室气源 的气流经弧室进气孔以第一预设进气速度进入弧室，并沿第一方向旋 转流向位于下游的混气室，选取一个或多个混气室调节结构用于向混 气室供气，并调节混气室调节阀的开度，混气室气源的气流经混气室进气孔以第二预设进气速度进入混气室，对弧室的来流进行解旋和调温， 形成初步配气方案，在理论上满足试验所需流量与第一预设进气速度 和第二预设进气速度相匹配的要求；

根据初步配气方案先在冷态下进行配气，并在混气室的出口处对 气体流场进行均匀性检测，若检测结果满足试预设的流场均匀性要求， 进行热态下配气，若检测结果未达到所预设的流场均匀性要求，则根据 检测结果对初步配气方案进行调整，然后重复进行冷态下配气以及气 体流场进行均匀性检测，直至检测结果满足所预设的流场均匀性要求后再进行热态下配气；

在热态下配气时，在混气室的出口处再次对气体流场进行均匀性 检测，若检测结果未达到所预设的流场均匀性要求，则再次调整配气方 案直至检测结果达到所预设的流场均匀性要求，形成预设的试验状态 参数的配气方案。

可选地，在混气室具有光谱分析设备的实施方式中，在进行冷态下 气体流场均匀性采用以下方式：在混气室气源内混入示踪气体，利用光 谱分析设备检测示踪气体的分布，判断气体流场的均匀性；

在进行热态下气体流场均匀性采用以下方式：混气室气源采用空 气，利用光谱分析设备检测空气加热后分解出的NO的空间分布，判断 气体流场的均匀性。

可选地，在喷管出口处设有探针的实施方式中，在位于混气室下游 的喷管出口处进行热态下气体流场均匀性二次检测，检测采用以下方 式：

在喷管出口处设置驻点热流探针，用于测试喷管出口的气体流场 热流分布；

在喷管出口处设置驻点压力探针，用于测试喷管出口的气体流场 驻点压力分布；

在喷管出口处设置多孔探针，用于测试喷管出口的气体流场的流 向角；

若气体流场的热流分布、驻点压力分布和流向的测量结果满足预 设要求，则判定气体流场均匀性符合要求，否则，则判定气体流场均匀 性不符合要求。

可选地，在具有控制器的实施方式中，配气进通过控制器与弧室调 节阀和混气室调节阀信号连接，将预设试验状态参数所对应的配气方 案存储在控制器，通过控制器能够调节各个弧室调节阀和各个混气室 调节阀的开度，满足所预设试验状态参数所对应的配气需求。

(三)有益效果

本发明的上述技术方案具有如下优点：本发明提供的风洞电弧加 热系统的配气装置，包括弧室配气部和混气室配气部，弧室配气部包括 多个弧室调节结构，混气室配气部包括多个混气室调节结构，各个弧室 调节结构和混气室调节结构中，至少有两个弧室进气孔之间和至少两 个混气室进气孔的倾斜角度和直径不同，至少有一个混气室调节结构的混气室进气孔倾斜角度大于0°以及至少一个混气室调节结构的混 气室进气孔倾斜角度等于0°，且混气室进气孔倾斜角度等于0°的混 气室调节结构位于混气室进气孔倾斜角度大于0°的混气室调节结构 的下游，通过选取不同的弧室调节结构和混气室调节结构的组合，针对 不同的试验能够调整进气流量、流速和角度，使气流旋转进入弧室，形 成中心低的压力梯度，将电弧弧柱包裹在冷气流中心，促使电弧弧柱拉 长，混气室配气部根据弧室的配气情况进行调整，倾斜角度大于0°的 混气室调节结构的进气主要用于解旋和调温，倾斜角度等于0°的混气 室调节结构的进气主要使气流混合均匀和进一步保证解旋效果，从而 实现气流的解旋和调温，使流场均匀性与试验状态参数相匹配，满足试 验需求，且能够适应较大范围试验状态参数匹配。

本发明提供的本发明提供的风洞电弧加热系统的配气方法，能够 分别在冷态和热态下对试验时的电弧加热器流场混合均匀性进行快速 测量，并根据反馈进行调节，使流场均匀性与试验状态参数相匹配，减 少电弧加热器热态调试次数，降低试验成本，提高试验效率。

附图说明

本发明附图仅为说明目的提供，图中各部件的比例与数量不一定 与实际产品一致。

图1是本发明实施例中一种风洞电弧加热系统的配气装置半剖示 意图；

图2是图1中A-A截面示意图；

图3是图2中的C部放大示意图；

图4是图1中的B-B截面示意图；

图5是图4中的D部放大示意图；

图6是本发明实施例中一种混气室设有光谱分析设备安装于混气 室的示意图。

图中：1：弧室；

11：弧室连通孔；12：弧室收缩斜面；

2：混气室；

21：混气室连通孔；

3：弧室配气部；

31：弧室调节结构；

311：弧室进气管；312：弧室环形腔；313：弧室进气孔；314：弧 室调节阀；

4：混气室配气部；

41：混气室调节结构；

411：混气室进气管；412：混气室环形腔；413：混气室进气孔； 414：混气室调节阀；

5：电弧弧柱；

6：光谱分析设备；

61：光谱分析仪；62：光发射部；63：光接收部；64：光纤束。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，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 造性劳动的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。

在本发明中，术语“上游”和“下游”是以风洞电弧加热系统中主 气流的流动方向而确定的相对概念，根据电弧加热器内的主气流方向 而定，例如，由于主气流是由弧室流至混气室流动，则弧室位于上游， 混气室相对弧室则位于下游。

此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能 理解为指示或暗示相对重要性。

参见图1所示，本发明实施例提供的风洞电弧加热系统的配气装 置，包括弧室配气部3和混气室配气部4，其中，弧室配气部3设置在 弧室1，混气室配气部4设置在混气室2。

参见图1和图2所示，弧室配气部3包括多个弧室调节结构31， 多个弧室调节结构31沿弧室1的轴向间隔设置，由上游至下游，多个 弧室调节结构31依次为第一弧室调节结构、第二弧室调节结构、直至 第N弧室调节结构，每个弧室调节结构31包括弧室进气管311、弧室 环形腔312和多个弧室进气孔313，弧室环形腔312弧室壁内，整体环 绕在弧室1的外侧与弧室1同轴，弧室环形腔312通过弧室进气管311 与弧室气源连通，在一些具体实施方式中，弧室壁开有弧室连通孔11， 该弧室连通孔11的一端与弧室环形腔312连通，另一端与弧室进气管 311连通。每个弧室连通孔11对应一个弧室进气管311，针对每个弧室 环形腔312可以设置一个弧室连通孔11也可以在其周向上设置多个弧 室连通孔11。

为了方便选取供气的弧室调节结构31、调节弧室调节结构31的供 气流量，在弧室进气管311上设有弧室调节阀314，每个弧室调节结构 31中的多个弧室进气孔313的直径和角度均相同，并在弧室环形腔312 的周向上均匀间隔设置，连通弧室1和弧室环形腔312。

从第一弧室调节结构至第N弧室调节结构的弧室进气孔313，至 少有两个弧室调节结构31的弧室进气孔313的倾斜角度和直径不同， 以实现更多的组合，各个弧室调节结构31的弧室进气孔313的倾斜角 度均大于0°，且各个弧室调节结构31的弧室进气孔313均向第一方 向倾斜使进行供气的各个弧室调节结构31均可以对气流的旋转进行一 定维持或加强，例如，有一个弧室调节结构31的弧室进气孔313的倾 斜角度α为45°，直径为1mm，还有一个弧室调节结构31的弧室进 气孔313的倾斜角度α为35°，直径为2mm。需要说明的是，参见图 2所示，弧室进气孔313的倾斜角度是指弧室进气孔313中心轴线偏离 过该弧室进气孔313径向的角度，其中，弧室进气孔313径向是指由 该弧室进气孔313远离弧室的一端中心至弧室1中心的连线。还需要 说明的是，各个弧室调节结构31的弧室进气孔313均向第一方向倾斜， 其中的“第一方向”是指同一侧方向，例如，如图2和图3所示，各个 弧室进气孔313均向逆时针方向倾斜。两个弧室调节结构31的弧室进 气孔313的倾斜角度不同，则是两个弧室调节结构31的弧室进气孔 313的向逆时针方向倾斜的角度不相同。

此外，由上游至下游，相邻的两个弧室调节结构31的弧室进气孔 313之间，位于下游的弧室调节结构31的弧室进气孔313的倾斜角度 不大于位于上游的弧室调节结构31的弧室进气孔313的倾斜角度，位 于下游的弧室调节结构31的弧室进气孔313的直径不小于位于上游的 弧室调节结构31的弧室进气孔313的直径，使弧室1内的气流参数更 为可控，便于组合，弧室气源提供的气流经所选取的弧室调节结构31 的弧室进气孔313以第一预设进气速度进入弧室1后，沿第一方向旋 转流向位于下游的混气室2。

混气室配气部4包括与弧室调节结构31数量相同的多个混气室调 节结构41，多个混气室调节结构41沿混气室2的轴向间隔设置，由上 游至下游，多个混气室调节结构41依次为第一混气室调节结构、第一 混气室调节结构、直至第N混气室调节结构，每个混气室调节结构41 包括混气室进气管411、混气室环形腔412和多个混气室进气孔413， 混气室环形腔412设置在混气室壁内，且整体环绕在混气室2的外侧 与混气室2同轴，并通过混气室进气管411与混气室气源连通，在一 些具体实施方式中，混气室壁开有混气室连通孔21，该混气室连通孔 21的一端与混气室环形腔412连通，另一端与混气室进气管411连通。 每个混气室连通孔21对应一个混气室进气管411，针对每个混气室环 形腔412可以设置一个混气室连通孔21也可以在其周向上设置多个混 气室连通孔21。

为了方便选取供气的混气室调节结构41、调节混气室调节结构41 的供气流量，混气室进气管411上设有混气室调节阀414，每个混气室 调节结构41中的多个混气室进气孔413的直径和角度均相同，并在混 气室环形腔412的周向上均间隔设置，连通混气室2和混气室环形腔 412。

从第一混气室调节结构至第N混气室调节结构的混气室进气孔 413，至少有一个混气室调节结构41的混气室进气孔413的倾斜角度 β大于0°，主要用于解旋。至少有一个有混气室调节结构41的混气 室进气孔413的倾斜角度β等于0°，主要用于混合均匀，且起到进一 步解旋的作用。倾斜角度大于0°的混气室进气孔413均向第二方向倾 斜，第一方向和第二方向为相反方向，例如，参见图2-图5所示，第 一方向是逆时针方向，第二方向是顺时针方向。

由上游至下游，相邻的两个混气室调节结构41的混气室进气孔 413之间，位于下游的混气室调节结构41的混气室进气孔413的倾斜 角度不大于位于上游的混气室调节结构41的混气室进气孔413的角 度，位于下游的混气室调节结构41的混气室进气孔413的直径不小于 位于上游的混气室调节结构41的混气室进气孔413的直径，使混气室 气源的气流经混气室进气孔413以第二预设进气速度进入混气室2，对 弧室的来流进行解旋和调温。

相比现有技术中的配气系统管路及进气孔结构参数(角度、数量、 孔径)固化，难以变化，适应的运行参数范围较窄的情况，本申请中的 风洞电弧加热系统的配气装置，能够针对不同的试验调整流量、流速和 不同的进气角度，使气流旋转进入弧室，形成中心低的压力梯度，将电 弧弧柱5包裹在冷气流中心，促使电弧弧柱5拉长，混气室配气部4根 据弧室1的配气情况进行调整，实现解旋和调温，使流场均匀性与试 验状态参数相匹配，且能够适应较大范围试验状态参数匹配，提供更多 可选择的运行参数范围。

需要说明的是，根据试验状态参数计算确定进气流量、流速和进气 角度通过现有计算方式即可，在此不再赘述。

需要说明的是，为了整体示意弧室/混气室调节结构以及每个弧室 /混气室调节结构各部组成的连接关系，在图1中并未严格按照投影关 系显示各个弧室/混气室进气孔，例如，因具有倾斜角度的原因，按照 投影关系在半剖示意时部分弧室/混气室进气孔并不能完整显示，结合 方字描述以及其他附图，此示意是可以理解的，并非是图1方案与图2 和图4的方案相矛盾。本领域技术人员应当结合附图和文字描述来整 体理解方案。

关于第一预设进气速度可以根据试验需要进行设定，一般选取 200～300m/s，当然，在一些试验中也可以根据需要进行选择，但不易超 过音速(340m/s)，防止产生激波干扰。第二预设进气速度一般通过计 算或调度获得，也可以先通过计算或经验先获得一个初步速度值，然后 再通过冷态调试甚至热态调试进行调整，以能够获得试验所需的流场 即可。

为了较好的保证混气室混入气流的均匀性，在此提供一个优选实 施方式，以能够较方便的确定倾斜角度为0°的混气室进气孔的第二预 设进气速度，具体地通过以下关系式：

y/d_j＝1.92q^0.335(x/d_j)^0.33

其中：

X为电弧加热器轴向坐标，y为垂直电弧加热器轴向的坐标，且y 值距离所述混气室轴线的距离满足预设距离，原点为混气室进气孔的 中心，d_j为混气室进气孔的直径，m_c为混气室进气孔的进气流量，m_h为电弧加热器热气流量，V_h为弧室来流速度，V_c为第二预设进气速度， A_c为混气室截面积，A_j混气室进气孔截面积。由上述关系来看，当第二 预设进气速度能够满足使y值与混气室的轴线之间的距离满足预设距 离时，即能够使混气室气流达到混气室的中心区域即可认为该第二预 设进气速度均满足要求，认为混气室的进气与弧室来流能够混合均匀。

为了避免在一些较极端的情况下，出现配气不足的情况，在一些优 选实施方式中，在每个弧室调节结构31中，弧室进气管311的截面积 大于该弧室调节结构31中各个弧室进气孔313的截面积之和。在每个 混气室调节结构41中，混气室进气管411的截面积大于该混气室调节 结构41各个混气室进气孔413的截面积之和。

一般情况下，弧室连通孔11的直径与相连接的弧室进气管311的 直径相同，不同弧室调节结构31的弧室进气管311直径可以不同。同 样，混气室连通孔21的直径与相连接的混气室进气管411的直径相同， 不同混气室调节结构41的混气室进气管411直径可以不同。

在一些实施方式中，参见图1所示，各个弧室调节结构31的弧室 环形腔312在弧室1径向上的尺寸相同且各自与弧室1之间的距离相 同，轴上的尺寸可以不同。同样各个混气室调节结构41的混气室环形 腔412在混气室2径向上的尺寸相同且各自与混气室2的之间距离相 同。

为了更好地引导旋转气流向下游的混气室流动，在一些优选地实 施方式中，参见图1所示，弧室1的出口端设有弧室收缩斜面12。

在兼顾调节范围的计算难度及准确度的情况下，在一优选实施方 式中，参见图1所示，弧室配气部3包括四个弧室调节结构31，且由 上游至下游依次为第一弧室调节结构、第二弧室调节结构、第三弧室调 节结构和第四弧室调节结构。

混气室配气部4包括四个混气室调节结构41，且由上游至下游依 次为第一混气室调节结构、第二混气室调节结构、第三混气室调节结构 和第四混气室调节结构。当然，在其他一些实施方式中，弧室调节结构 31的数量和混气室调节结构41的数量也可以不同，例如，弧室调节结 构31为三个，混气室调节结构41的数量为五个。

为了实现更好的调节效果，在优选地实施方式中，第一弧室调节结 构的弧室进气孔313的倾斜角度α大于第二弧室调节结构的弧室进气 孔313的倾斜角度，第二弧室调节结构的弧室进气孔313的倾斜角度 α等于第三弧室调节结构的弧室进气孔313的倾斜角度α，第三弧室 调节结构的弧室进气孔313的倾斜角度大于第四弧室调节结构的弧室 进气孔313的倾斜角度α。第一混气室调节结构的弧室进气孔413的 倾斜角度β大于第二混气室调节结构的弧室进气孔413的倾斜角度β， 第二混气室调节结构的弧室进气孔413的倾斜角度β大于第三混气室 调节结构的弧室进气孔413的倾斜角度β，第三混气室调节结构的弧 室进气孔413的倾斜角度β等于第四混气室调节结构的弧室进气孔 413的倾斜角度β。

第一混气室调节结构的混气室进气孔313的倾斜角度β不大于第 一弧室调节结构的弧室进气孔313的倾斜角度α。

进一步优选地，由第一弧室调节结构到第四弧室调节结构，各自的 弧室进气孔313直径依次增加。由第一混气室调节结构到第四混气室 调节结构，各自的混气室进气孔413直径依次增加。

在一个具体实施方式中，参见1和图2所示，第一弧室调节结构 的弧室进气孔313数量为八个，直径为1mm，倾斜角度为45°，第二 弧室调节结构的弧室进气孔313数量为十个，直径为2mm，倾斜角度 为35°，第三弧室调节结构的弧室进气孔313数量为十个，直径为3mm， 倾斜角度为30°，第四弧室调节结构弧室进气孔313的数量为十二个， 直径为4mm，倾斜角度为30°。

参见图1和图4所示，第一混气室调节结构的混气室进气孔413 数量为八个，直径为1mm，倾斜角度为-45°，第二混气室调节结构的 混气室进气孔413数量为八个，直径为2mm，倾斜角度为-35°，第三 混气室调节结构的混气室进气孔413数量为十二个，直径为3mm，倾 斜角度为0°，第四混气室调节结构的混气室进气孔413数量为十八 个，直径为4mm，倾斜角度为0°。

弧室气源和混气室气源均根据试验需求采用所需气体即可，例如 空气。

为了更好降低成本，实现冷态下配气情况测量和调整，在一些优选 实施方式中，混气室气源内混入示踪气体。参见图6所示，在混气室2 设有光谱分析设备6，光谱分析设备6包括光谱分析仪61、多个光发 射部62和与光发射部62数量相同的光接收部63，多个光发射部62安 装在混气室2的一侧壁，并位于混气室调节结构41的下游，且在垂直 混气室2的轴向方向上竖直间隔设置，多个光接收部63安装在混气2 室相对的另一侧壁，并与多个光发射部62一一对应，用于接收光发射 部62发射的光，在混气室2内形成间隔的多个穿过混气室的光路，根 据测量示踪气体的分布判断流场的均匀性，光发射部62和光接收部63 通过光纤束64与光谱分析仪61连接。

优选地，示踪气体可以选择一些光谱分析设备6易于追踪的气体， 例如为H₂O、CO₂或Ar。

采用上述的光谱分析设备6，还可以热态时追踪特定气体，实现对 流场的监测，及时发现问题并进行相应调整。例如，采用空气作为混气 室气源，空气加热后会分解出的NO，利用光谱分析设备6检测空气加 热后分解出的NO的空间分布，判断气体流场的均匀性。

需要说明的是，通过光谱分析设备追踪气体采用现有技术即可，在 此不再赘述。

在一些优选实施方式中，为了进一步保证试验的准确性，在位于混 气室2下游的喷管出口处设置驻点热流探针，用于测试喷管出口的气 体流场热流分布。在喷管出口处设置驻点压力探针，用于测试喷管出口 的气体流场驻点压力分布。在喷管出口处设置多孔探针，用于测试喷管 出口的气体流场的流向角。通过气体流场的热流分布、驻点压力分布和流向的监测，以保证试验环境的准确性。

为了实现自动化的控制以及多种状态的连续试验，一些优选实施 方式中，风洞电弧加热系统的配气装置还包括控制器，控制器与弧室调 节阀314和混气室调节阀414信号连接，能够调节各个弧室调节阀314 和各个混气室调节阀414的开度。不同试验状态的参数的配气方案可 以储存到控制器，通过对控制器的操作，调整相应的调节阀的开度，实 现配气量的调整。

当然，在一些试验参数变化小的试验，也可以采用手动调节阀进行 调节。

本实施例还提供了一种利用上述风洞电弧加热系统的配气装置进 行配气的方法，包括以下步骤：

根据预设的试验状态参数，初步计算弧室和混气室的总气体流量 配比值；

根据初步计算弧室和混气室的总气体流量配比值，选取一个或多 个弧室调节结构用于向弧室供气，并调节弧室调节阀的开度，使弧室气 源的气流经弧室进气孔以第一预设进气速度进入弧室，并沿第一方向 旋转流向位于下游的混气室，选取一个或多个混气室调节结构用于向 混气室供气，并调节混气室调节阀的开度，混气室气源的气流经混气室进气孔以第二预设进气速度进入混气室，对弧室的来流进行解旋和调 温，形成初步配气方案。

根据初步配气方案先在冷态下进行配气，并在混气室的出口处对 气体流场进行均匀性检测，若检测结果满足试预设的流场均匀性要求， 进行热态下配气，若检测结果未达到所预设的流场均匀性要求，则根据 检测结果对初步配气方案进行调整，然后重复进行冷态下配气以及气 体流场进行均匀性检测，直至检测结果满足所预设的流场均匀性要求后再进行热态下配气。

在热态下配气时，在混气室的出口处再次对气体流场进行均匀性 检测，若检测结果未达到所预设的流场均匀性要求，则再次调整配气方 案直至检测结果达到所预设的流场均匀性要求，形成预设的试验状态 参数的配气方案。该配气方法能够分别在冷态和热态下对试验时的电 弧加热器流场混合均匀性进行快速测量，并根据反馈进行调节，使流场均匀性与试验状态参数相匹配，减少电弧加热器热态调试次数，降低试 验成本，提高试验效率。

在采用具有控制器的配气装置进行配气时，控制器与弧室调节阀 和混气室调节阀信号连接，将预设试验状态参数所对应的配气方案存 储在控制器，通过控制器能够调节各个弧室调节阀和各个混气室调节 阀的开度，满足所预设试验状态参数所对应的配气需求。控制器可以为 计算机、单片机等。

其他通过光谱分析设备和/或探针进行检测并根据检测结果调整配 气方案，具体已在对配气装置的描述中进行相应的描述，在此不再赘述。 未详细描述之处为本领域常规技术。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非 对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的 普通技术人员应当理解：并非每个实施例仅包含一个独立的技术方案， 不存在方案冲突的情况下，各个实施例中所提到的各项技术特征均可 以任意方式组合起来，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

此外，在不脱离本发明的范围的情况下，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，并不使相 应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (18)

1.一种风洞电弧加热系统的配气装置，其特征在于：包括弧室配气部和混气室配气部，其中：

所述弧室配气部包括多个沿弧室的轴向间隔设置的弧室调节结构，每个所述弧室调节结构包括弧室进气管、弧室环形腔和多个弧室进气孔，所述弧室环形腔环绕在所述弧室的外侧与所述弧室同轴，并通过所述弧室进气管与弧室气源连通，所述弧室进气管上设有弧室调节阀，多个所述弧室进气孔的直径和角度均相同，并在所述弧室环形腔的周向上均匀间隔设置，连通所述弧室和所述弧室环形腔；

每个所述弧室调节结构的所述弧室进气孔的倾斜角度均大于0°，且至少有两个所述弧室调节结构的所述弧室进气孔的倾斜角度和直径不同，每个所述弧室调节结构的所述弧室进气孔均向第一方向倾斜，由上游至下游，相邻的两个所述弧室调节结构的所述弧室进气孔之间，位于下游的所述弧室进气孔的倾斜角度不大于位于上游的所述弧室进气孔的倾斜角度，位于下游的所述弧室进气孔直径不小于位于上游的所述弧室进气孔直径，所述弧室气源的气流经弧室进气孔以第一预设进气速度进入所述弧室，并沿所述第一方向旋转流向位于下游的所述混气室；

所述混气室配气部包括多个沿混气室的轴向间隔设置的混气室调节结构，每个所述混气室调节结构包括混气室进气管、混气室环形腔和多个混气室进气孔，所述混气室环形腔环绕在所述混气室的外侧与所述混气室同轴，并通过所述混气室进气管与混气室气源连通，所述混气室进气管上设有混气室调节阀，多个所述混气室进气孔的直径和角度均相同，并在所述混气室环形腔的周向上均间隔设置，连通所述混气室和所述混气室环形腔；

至少有一个所述混气室调节结构的所述混气室进气孔的倾斜角度大于0°，至少有一个所述混气室调节结构的所述混气室进气孔的倾斜角度等于0°，且所述混气室进气孔的倾斜角度等于0°的所述混气室调节结构位于所述混气室进气孔的倾斜角度大于0°的所述混气室调节结构的下游，倾斜角度等于0°的所述混气室进气孔均向第二方向倾斜，所述第一方向和所述第二方向为相反方向，由上游至下游，相邻的两个所述混气室调节结构的所述混气室进气孔之间，位于下游的所述混气室进气孔的倾斜角度不大于位于上游的所述混气室调节结构的所述混气室进气孔的角度，位于下游的所述混气室进气孔直径不小于位于上游的所述混气室进气孔直径，所述混气室气源的气流经混气室进气孔以第二预设进气速度进入所述混气室，对所述弧室的来流进行解旋和调温。

2.根据权利要求1所述的风洞电弧加热系统的配气装置，其特征在于：所述弧室的出口端设有弧室收缩斜面，引导所述弧室内的旋转气流向所述混气室方向流动。

3.根据权利要求1所述的风洞电弧加热系统的配气装置，其特征在于：所述弧室配气部包括四个弧室调节结构，且由上游至下游依次为第一弧室调节结构、第二弧室调节结构、第三弧室调节结构和第四弧室调节结构；

所述混气室配气部包括四个混气室调节结构，且由上游至下游依次为第一混气室调节结构、第二混气室调节结构、第三混气室调节结构和第四混气室调节结构。

4.根据权利要求3所述的风洞电弧加热系统的配气装置，其特征在于：所述第一弧室调节结构的所述弧室进气孔的倾斜角度大于所述第二弧室调节结构的所述弧室进气孔的倾斜角度，所述第二弧室调节结构的所述弧室进气孔的倾斜角度等于所述第三弧室调节结构的所述弧室进气孔的倾斜角度，所述第三弧室调节结构的所述弧室进气孔的倾斜角度大于所述第四弧室调节结构的所述弧室进气孔的倾斜角度；

所述第一混气室调节结构的所述弧室进气孔的倾斜角度大于所述第二混气室调节结构的所述弧室进气孔的倾斜角度，所述第二混气室调节结构的所述弧室进气孔的倾斜角度大于所述第三混气室调节结构的所述弧室进气孔的倾斜角度，所述第三混气室调节结构的所述弧室进气孔的倾斜角度等于所述第四混气室调节结构的所述弧室进气孔的倾斜角度；

所述第一混气室调节结构的所述混气室进气孔的倾斜角度不大于所述第一弧室调节结构的所述弧室进气孔的倾斜角度。

5.根据权利要求4所述的风洞电弧加热系统的配气装置，其特征在于：由所述第一弧室调节结构到所述第四弧室调节结构，各自的所述弧室进气孔直径依次增加；

由所述第一混气室调节结构到所述第四混气室调节结构，各自的所述混气室进气孔直径依次增加。

6.根据权利要求5所述的风洞电弧加热系统的配气装置，其特征在于：所述第一弧室调节结构的所述弧室进气孔数量为八个，直径为1mm，倾斜角度为45°，所述第二弧室调节结构的所述弧室进气孔数量为十个，直径为2mm，倾斜角度为35°，所述第三弧室调节结构的所述弧室进气孔数量为十个，直径为3mm，倾斜角度为30°，所述第四弧室调节结构所述弧室进气孔的数量为十二个，直径为4mm，倾斜角度为30°；

所述第一混气室调节结构的所述混气室进气孔数量为八个，直径为1mm，倾斜角度为-45°，所述第二混气室调节结构的所述混气室进气孔数量为八个，直径为2mm，倾斜角度为-35°，所述第三混气室调节结构的所述混气室进气孔数量为十二个，直径为3mm，倾斜角度为0°，所述第四混气室调节结构的所述混气室进气孔数量为十八个，直径为4mm，倾斜角度为0°。

7.根据权利要求1所述的风洞电弧加热系统的配气装置，其特征在于：所述第一预设进气速度为200～300m/s。

8.根据权利要求1所述的风洞电弧加热系统的配气装置，其特征在于：倾斜角度为0°的所述混气室进气孔的所述第二预设进气速度满足以下关系：

y/d_j＝1.92q^0.335(x/d_j)^0.33

其中：

X为电弧加热器轴向坐标，y为垂直电弧加热器轴向的坐标，且y值距离所述混气室轴线的距离满足预设距离，原点为混气室进气孔的中心，d_j为混气室进气孔的直径，m_c为混气室进气孔的进气流量，m_h为电弧加热器热气流量，V_h为弧室来流速度，V_c为第二预设进气速度，A_c为混气室截面积，A_j混气室进气孔截面积。

9.根据权利要求1所述的风洞电弧加热系统的配气装置，其特征在于：在每个所述弧室调节结构中，所述弧室进气管的截面积大于各个所述弧室进气孔的截面积之和；

在每个所述混气室调节结构中，所述混气室进气管的截面积大于各个所述混气室进气孔的截面积之和。

10.根据权利要求1所述的风洞电弧加热系统的配气装置，其特征在于：所述混气室气源内混有示踪气体；

在所述混气室设有光谱分析设备，所述光谱分析设备包括光谱分析仪、多个光发射部和与所述光发射部数量相同的光接收部，所述多个光发射部安装在所述混气室的一侧壁，并位于所述混气室调节结构的下游，且在垂直所述混气室的轴向方向上竖直间隔设置，多个所述光接收部安装在所述混气室相对的另一侧壁，并与多个所述光发射部一一对应，用于接收所述光发射部发射的光，在所述混气室内形成沿所述混气室的轴向间隔的多个穿过所述混气室的光路，所述光发射部和所述光接收部通过光纤束与所述光谱分析仪连接。

11.根据权利要求10所述的风洞电弧加热系统的配气装置，其特征在于：所述示踪气体为H₂O、CO₂或Ar。

12.根据权利要求1所述的风洞电弧加热系统的配气装置，其特征在于：在位于所述混气室下游的喷管出口处设置驻点热流探针、驻点压力探针和多孔探针，测试所述喷管出口处的气流混合均匀性。

13.根据权利要求1-12任一项所述的风洞电弧加热系统的配气装置，其特征在于：还包括控制器，所述控制器与所述弧室调节阀和混气室调节阀信号连接，能够调节各个所述弧室调节阀和各个所述混气室调节阀的开度。

14.一种风洞电弧加热系统的配气方法，其特征在于：采用如权利要求1-9任一项所述的风洞电弧加热系统的配气装置进行配气，包括以下步骤：

根据预设的试验状态参数，初步计算所述弧室和所述混气室的总气体流量配比值；

根据初步计算所述弧室和所述混气室的总气体流量配比值，选取一个或多个所述弧室调节结构用于向所述弧室供气，并调节所述弧室调节阀的开度，所述弧室气源的气流经弧室进气孔以第一预设进气速度进入所述弧室，并沿所述第一方向旋转流向位于下游的所述混气室，选取一个或多个所述混气室调节结构用于向所述混气室供气，并调节所述混气室调节阀的开度，所述混气室气源的气流经混气室进气孔以第二预设进气速度进入所述混气室，对所述弧室的来流进行解旋和调温，形成初步配气方案，在理论上满足试验所需流量与第一预设进气速度和第二预设进气速度相匹配的要求；

根据所述初步配气方案先在冷态下进行配气，并在所述混气室的出口处对气体流场进行均匀性检测，若检测结果满足试预设的流场均匀性要求，进行热态下配气，若检测结果未达到所预设的流场均匀性要求，则根据检测结果对所述初步配气方案进行调整，然后重复进行冷态下配气以及气体流场进行均匀性检测，直至检测结果满足所预设的流场均匀性要求后再进行热态下配气；

在热态下配气时，在所述混气室的出口处再次对气体流场进行均匀性检测，若检测结果未达到所预设的流场均匀性要求，则再次调整配气方案直至检测结果达到所预设的流场均匀性要求，形成预设的试验状态参数的配气方案。

15.根据权利要求14所述的风洞电弧加热系统的配气方法，其特征在于：

在所述混气室设有光谱分析设备，所述光谱分析设备包括光谱分析仪、多个光发射部和与所述光发射部数量相同的光接收部，所述多个光发射部安装在所述混气室的一侧壁，并位于所述混气室调节结构的下游，且在垂直所述混气室的轴向方向上竖直间隔设置，多个所述光接收部安装在所述混气室相对的另一侧壁，并与多个所述光发射部一一对应，用于接收所述光发射部发射的光，在所述混气室内形成沿所述混气室的轴向间隔的多个穿过所述混气室的光路，所述光发射部和所述光接收部通过光纤束与所述光谱分析仪连接；

在进行冷态下气体流场均匀性采用以下方式：在所述混气室气源内混入示踪气体，利用所述光谱分析设备检测所述示踪气体的分布，判断气体流场的均匀性；

在进行热态下气体流场均匀性采用以下方式：所述混气室气源采用空气，利用所述光谱分析设备检测所述空气加热后分解出的NO的空间分布，判断气体流场的均匀性。

16.根据权利要求15所述的风洞电弧加热系统的配气方法，其特征在于：所述示踪气体采用H₂O、CO₂或Ar。

17.根据权利要求15所述的风洞电弧加热系统的配气方法，其特征在于：在位于所述混气室下游的喷管出口处进行热态下气体流场均匀性二次检测，检测采用以下方式：

在所述喷管出口处设置驻点热流探针，用于测试所述喷管出口的气体流场热流分布；

在所述喷管出口处设置驻点压力探针，用于测试所述喷管出口的气体流场驻点压力分布；

在所述喷管出口处设置多孔探针，用于测试所述喷管出口的气体流场的流向角；

若气体流场的热流分布、驻点压力分布和流向的测量结果满足预设要求，则判定气体流场均匀性符合要求，否则，则判定气体流场均匀性不符合要求。

18.根据权利要求14-17任一项所述的风洞电弧加热系统的配气方法，其特征在于：采用一控制器与所述弧室调节阀和混气室调节阀信号连接，将预设试验状态参数所对应的配气方案存储在所述控制器，通过所述控制器能够调节各个所述弧室调节阀和各个所述混气室调节阀的开度，满足所预设试验状态参数所对应的配气需求。

Images