CN114563158A - 一种激波风洞污染组分可控添加装置 - Google Patents
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Abstract
本发明属于风洞试验技术领域，公开了一种激波风洞污染组分可控添加装置。本发明的激波风洞污染组分可控添加装置包括操纵气系统、气缸、试验气体供应系统和预混器；操纵气系统、气缸、试验气体供应系统、预混器、激波管低压段之间通过管道和阀门连接；试验气体供应系统将污染组分充入气缸，操纵气系统将气缸的污染组分送入预混器，预混器将污染组分的送入激波管低压段。本发明的激波风洞污染组分可控添加装置结构简单，添加效果好，解决了高精度的污染组分可控添加和迅速掺混均匀的问题。
Description
技术领域
本发明属于激波风洞试验技术领域，具体涉及一种激波风洞污染组分可控添加装置。
背景技术
随着高超声速飞行技术的不断发展，先进高超声速飞行器追求更高的飞行速度、更大的有效载荷质量和更精准的飞行控制，地面试验作为高超研究领域三大主要手段之一，在孵化先进高超技术和验证技术可行性方面占据基础性地位，地面试验设备的模拟能力一定程度上决定着飞行器的研制水平甚至成败。复现真实飞行环境是地面试验设备能力建设的理想追求，但是在高超声速领域，飞行速度越高，地面设备复现真实飞行环境的难度就越大，科研工作者们不得不选择性的模拟部分飞行参数，结合理论分析将地面试验结果应用到真实飞行环境分析中。
在马赫数5~7范围内，主流地面试验设备是燃烧加热型高超声速风洞，一般采用氢燃料/碳氢燃料与氧气富氧燃烧释放热量并与空气掺混的方式产生高温高压的试验气体，但是这种模拟飞行环境的方式不可避免的引入大量的水或者二氧化碳之类的污染组分，使试验气体与天上真实飞行环境下的气体组分产生严重偏离。随着飞行马赫数的继续增加，马赫数8以上的自由来流所蕴含的焓值已经超过燃烧加热化学能量释放的极限，此时，激波风洞是开展真实飞行环境模拟的理想地面设备。但是研究表明，马赫数越大，污染组分对试验结果的可靠性影响越大，为了基于激波风洞开展高超声速自由来流污染组分对试验结果的影响研究，需要在激波风洞低压段内注入组分和浓度可控的试验气体。因为激波风洞在模拟具有高焓和高总压参数的高超声速真实飞行参数时，低压段内试验气体压力仅约1大气压量级，试验气体质量较小，多组分的精度比例控制难度较大；且激波管一般呈细长型（长径比一般约为100），激波管内部不宜加入搅拌装置，实现任意组分及浓度的添加并实现均匀的掺混比较困难。
当前，亟需发展一种激波风洞污染组分可控添加装置。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种激波风洞污染组分可控添加装置。
本发明的激波风洞污染组分可控添加装置，其特点是，所述的可控添加装置包括操纵气系统、气缸、试验气体供应系统和预混器；操纵气系统、气缸、试验气体供应系统和预混器、激波管低压段之间通过管道和阀门连接；试验气体供应系统将污染组分充入气缸，操纵气系统将气缸中的污染组分送入预混器，预混器将污染组分送入激波管低压段；
操纵气系统包括通过管道顺序连接的操纵气气源、减压阀和进气阀，进气阀的出口管道分为两路，一路连接气缸的操纵气入口，另一路连接泄压阀；
气缸包括操纵气室、活塞、试验气室和缸体，缸体通过活塞分为操纵气室和试验气室，操纵气室上开有与操纵气系统的进气阀连接的操纵气入口，试验气室上开有与试验气体供应系统的管道连接的试验气入口Ⅰ；
试验气体供应系统包括在一条管道上并联的若干路气体供应支路，每一支路上均有独立的气源，气源连接各自对应的截止阀；管道的前端与气缸的试验气入口Ⅰ连接，管道的后端通过真空泵截止阀与真空泵连接，管道的中段通过截止阀Ⅰ与预混器的试验气入口Ⅱ连接；
预混器包括搅拌装置、预混器腔和截止阀Ⅱ；预混器腔内安装有搅拌装置，预混器腔上开有与试验气体供应系统的截止阀Ⅰ连接的试验气入口Ⅱ，预混器腔上还开有试验气出口，试验气出口通过截止阀Ⅱ与激波管低压段连接。
进一步地，所述的试验气体供应系统并联的若干路气体供应支路包括空气气源及配套的空气截止阀支路，氮气气源及配套的氮气截止阀支路，氧气气源及配套的氧气截止阀支路，二氧化碳气源及配套的二氧化碳截止阀支路，水蒸汽气源及配套的水蒸汽截止阀支路，还包括根据试验需求增加的扩展气源及配套的扩展气源截止阀支路。
本发明的激波风洞污染组分可控添加装置中的操纵气系统的操纵气气源压力高于整个装置正常运行所需的操纵气的最高压力；减压阀控制操纵气系统出口气体压力，使气缸的操纵气室内有足够的气体压力以满足推动活塞挤压试验气体的需要；泄压阀用于气缸的操纵气室的泄压，以保证活塞在试验气体的推动下能够回到操纵气入口；进气阀用于控制操纵气气源与气缸之间的通断。
本发明的激波风洞污染组分可控添加装置中的活塞可以在气缸中线性自由移动，活塞将气缸分为两个气室，其中，与操纵气入口连接的气室称为操纵气室，与试验气入口连接的气室称为试验气室。当试验气室充入试验气体时，活塞在试验气体压力作用下向操纵气入口移动，直至运动到行程的极限；当需要将试验气体注入预混器时，将操纵气注入操纵气室，在操纵气室压力大于试验气室时，活塞在压差的作用下向试验气入口Ⅰ移动，直至运行到活塞行程的极限，此时，完成试验气体向预混器内的注入。
本发明的激波风洞污染组分可控添加装置中的试验气体供应系统，为了提高组分浓度控制精度，与各气体供应支路并联设置真空抽吸支路，真空抽吸支路由真空泵和截止阀组成。试验气体供应系统与预混器之间采用截止阀Ⅰ进行通断控制。
本发明的激波风洞污染组分可控添加装置中的预混器依次充入试验气体所需的组分，充气完成后，启动搅拌装置，将预混器中的试验气体混合均匀，然后开启截止阀Ⅰ，将试验气体注入激波管低压段。
本发明的激波风洞污染组分可控添加装置根据激波风洞试验所需的试验气体组分配置试验气体供应系统的气源类型，根据各组分浓度需求计算组分分压，通过截止阀Ⅰ将预混器与试验气体供应系统隔离，每次仅将一种组分气体介质按照计算的分压从试验气入口Ⅰ充入气缸，再通过截止阀Ⅰ将预混器与试验气体供应系统打开，由操纵气系统提供足够的气源压力将气缸中的单组分试验气体从试验气入口Ⅱ挤压进预混器，类似地，试验气体供应系统再将第二种气体介质充入气缸，再从试验气入口Ⅱ挤压进预混器。按照上述方式依次将所需的多种气体介质按比例充入预混器，充气完毕后关闭预混器与试验气体供应系统之间的截止阀Ⅰ，并打开预混器中的搅拌装置，将预混器内的多种分气体介质进行充分混合后，打开激波管低压段与预混器之间的截止阀Ⅱ，将试验气体充入激波管低压段，并关闭截止阀Ⅱ。
本发明的激波风洞污染组分可控添加装置结构简单，添加效果好，解决了高精度的污染组分可控添加和迅速掺混均匀的问题。
附图说明
图1为本发明的激波风洞污染组分可控添加装置的结构示意图。
图中，1.操纵气系统；2.气缸；3.试验气体供应系统；4.预混器；5.激波管低压段；
101.操纵气气源；102.减压阀；103.进气阀；104.泄压阀；
201.操纵气室；202.活塞；203.试验气室；204.缸体；205.操纵气入口；206.试验气入口Ⅰ；
3011.空气气源；3012.空气截止阀；3021.氮气气源；3022.氮气截止阀；3031.氧气气源；3032.氧气截止阀；3041.二氧化碳气源；3042.二氧化碳截止阀；3051.水蒸汽气源；3052.水蒸汽截止阀；3061.扩展气源；3062.扩展气源截止阀；3071.真空泵；3072.真空泵截止阀；308.截止阀Ⅰ；
401.搅拌装置；402.预混器腔；403.试验气入口Ⅱ；404.试验气出口；405.截止阀Ⅱ。
具体实施方式
下面结合附图和实施例详细说明本发明。
如图1所示，本发明的激波风洞污染组分可控添加装置包括操纵气系统1、气缸2、试验气体供应系统3和预混器4；操纵气系统1、气缸2、试验气体供应系统3和预混器4、激波管低压段5之间通过管道和阀门连接；试验气体供应系统3将污染组分充入气缸2，操纵气系统1将气缸2中的污染组分送入预混器4，预混器4将污染组分送入激波管低压段5；
操纵气系统1包括通过管道顺序连接的操纵气气源101、减压阀102和进气阀103，进气阀103的出口管道分为两路，一路连接气缸2的操纵气入口205，另一路连接泄压阀104；
气缸2包括操纵气室201、活塞202、试验气室203和缸体204，缸体204通过活塞202分为操纵气室201和试验气室203，操纵气室201上开有与操纵气系统1的进气阀103连接的操纵气入口205，试验气室203上开有与试验气体供应系统3的管道连接的试验气入口Ⅰ206；
试验气体供应系统3包括在一条管道上并联的若干路气体供应支路，每一支路上均有独立的气源，气源连接各自对应的截止阀；管道的前端与气缸2的试验气入口Ⅰ206连接，管道的后端通过真空泵截止阀3072与真空泵3071连接，管道的中段通过截止阀Ⅰ308与预混器4的试验气入口Ⅱ403连接；
预混器4包括搅拌装置401、预混器腔402和截止阀Ⅱ405；预混器腔402内安装有搅拌装置401，预混器腔402上开有与试验气体供应系统3的截止阀Ⅰ308连接的试验气入口Ⅱ403，预混器腔402上还开有试验气出口404，试验气出口404通过截止阀Ⅱ405与激波管低压段5连接。
进一步地，所述的试验气体供应系统3并联的若干路气体供应支路包括空气气源3011及配套的空气截止阀3012支路，氮气气源3021及配套的氮气截止阀3022支路，氧气气源3031及配套的氧气截止阀3032支路，二氧化碳气源3041及配套的二氧化碳截止阀3042支路，水蒸汽气源3051及配套的水蒸汽截止阀3052支路，还包括根据试验需求增加的扩展气源3061及配套的扩展气源截止阀3062支路。
实施例1
本实施例的激波风洞污染组分可控添加装置能够模拟任意组分的水组分污染和二氧化碳组分污染，各支路气源独立使用，兼具拓展功能。
本实施例中的气缸2最大容积为1L，预混器4容积为100L，所有管路均采用内径4mm管道铺设，试验气体供应系统3中的各截止阀与气缸2之间的管道总长度不超过2m，管路容积相对于气缸2容积小很多，在本实施例中被忽略。
现进行空气被二氧化碳污染的模拟，其中，污染组分二氧化碳的摩尔分数占10%，氧气组分浓度与常规空气相同即21%，氮气摩尔分数占比为69%，在预混器4内混合后的污染气体压力为1atm。经计算，采用2.7%的氧气、10%的二氧化碳和87.3%的空气通过掺混实现上述所要求的组分比例配置。
本实施例的充气步骤如下：
a.在初始状态下关闭所有阀门；
b.打开操纵气系统1的泄压阀104和空气气源3011管路上的空气截止阀3012，将活塞202推至操纵气入口205；
c.关闭操纵气系统1的泄压阀104和空气气源3011管路上的空气截止阀3012，打开试验气体供应系统3的截止阀Ⅰ308和真空泵截止阀3072，并打开真空泵3071，将对应管路中的残余气体抽出，然后依次关闭截止阀Ⅰ308、真空泵截止阀3072和真空泵3071；
d.打开氧气截止阀3032，将气缸2中充入2.7atm压力的氧气；然后依次关闭氧气截止阀3032和打开截止阀Ⅰ308；
e.调节操纵气系统1的减压阀102，将阀后压力调至3atm，关闭泄压阀104，然后打开进气阀103，利用压差将活塞202推至试验气入口Ⅰ206，氧气被注入预混器4内，关闭截止阀Ⅰ308；
f.依次打开真空泵截止阀3072和真空泵3071，对管路进行抽真空，然后依次关闭真空泵截止阀3072和真空泵3071；
g.先打开操纵气系统1的泄压阀104，然后打开二氧化碳截止阀3042，将气缸2中充入10atm压力的二氧化碳；然后依次关闭二氧化碳截止阀3042和打开截止阀Ⅰ308；
h.调节操纵气系统1的减压阀102，将阀后压力调至10.3atm，关闭泄压阀104，然后打开进气阀103，利用压差将活塞202推至试验气入口Ⅰ206，二氧化碳被注入预混器4内，关闭截止阀Ⅰ308；
i.依次打开真空泵截止阀3072和真空泵3071，对管路进行抽真空，然后依次关闭真空泵截止阀3072和真空泵3071；
j.先打开操纵气系统1的泄压阀104，然后打开空气截止阀3012，将气缸2中充入87.3atm压力的空气；然后依次关闭空气截止阀3012和打开截止阀Ⅰ308；
k.调节操纵气系统1的减压阀102，将阀后压力调至87.6atm，关闭泄压阀104，然后打开进气阀103，利用压差将活塞202推至试验气入口Ⅰ206，空气被注入预混器4内后关闭截止阀Ⅰ308；
l.启动搅拌装置401，待预混器4内气体混合均匀后，打开截止阀Ⅱ405，将符合要求的试验气体注入激波管低压段5内，以备后续试验使用；然后关闭截止阀Ⅱ405，并将本实施例的激波风洞污染组分可控添加装置恢复到初始状态。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的高超声速边界层转捩模式方法领域。对于熟悉本领域的人员而言，在不脱离本发明原理的前提下，可容易地实现另外的改进和润饰，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。
Claims (2)
1.一种激波风洞污染组分可控添加装置，其特征在于，所述的可控添加装置包括操纵气系统（1）、气缸（2）、试验气体供应系统（3）和预混器（4）；操纵气系统（1）、气缸（2）、试验气体供应系统（3）和预混器（4）、激波管低压段（5）之间通过管道和阀门连接；试验气体供应系统（3）将污染组分充入气缸（2），操纵气系统（1）将气缸（2）中的污染组分送入预混器（4），预混器（4）将污染组分送入激波管低压段（5）；
操纵气系统（1）包括通过管道顺序连接的操纵气气源（101）、减压阀（102）和进气阀（103），进气阀（103）的出口管道分为两路，一路连接气缸（2）的操纵气入口（205），另一路连接泄压阀（104）；
气缸（2）包括操纵气室（201）、活塞（202）、试验气室（203）和缸体（204），缸体（204）通过活塞（202）分为操纵气室（201）和试验气室（203），操纵气室（201）上开有与操纵气系统（1）的进气阀（103）连接的操纵气入口（205），试验气室（203）上开有与试验气体供应系统（3）的管道连接的试验气入口Ⅰ（206）；
试验气体供应系统（3）包括在一条管道上并联的若干路气体供应支路，每一支路上均有独立的气源，气源连接各自对应的截止阀；管道的前端与气缸（2）的试验气入口Ⅰ（206）连接，管道的后端通过真空泵截止阀（3072）与真空泵（3071）连接，管道的中段通过截止阀Ⅰ（308）与预混器（4）的试验气入口Ⅱ（403）连接；
预混器（4）包括搅拌装置（401）、预混器腔（402）和截止阀Ⅱ（405）；预混器腔（402）内安装有搅拌装置（401），预混器腔（402）上开有与试验气体供应系统（3）的截止阀Ⅰ（308）连接的试验气入口Ⅱ（403），预混器腔（402）上还开有试验气出口（404），试验气出口（404）通过截止阀Ⅱ（405）与激波管低压段（5）连接。
2.根据权利要求1所述的激波风洞污染组分可控添加装置，其特征在于，所述的试验气体供应系统（3）并联的若干路气体供应支路包括空气气源（3011）及配套的空气截止阀（3012）支路，氮气气源（3021）及配套的氮气截止阀（3022）支路，氧气气源（3031）及配套的氧气截止阀（3032）支路，二氧化碳气源（3041）及配套的二氧化碳截止阀（3042）支路，水蒸汽气源（3051）及配套的水蒸汽截止阀（3052）支路，还包括根据试验需求增加的扩展气源（3061）及配套的扩展气源截止阀（3062）支路。
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