CN115290288A - 一种模拟Ma8环境的超高温纯净空气发生系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及高马赫数试验领域，公开了一种模拟Ma8环境的超高温纯净空气发生系统及方法，所述系统包括N2加热器、NO加热器、掺混室，所述N2加热器、NO加热器分别与掺混室连接，所述N2加热器的顶部设置N2出口，底部设置N2入口；所述NO加热器的顶部设置NO出口，底部设置NO入口；所述N2加热器与掺混室之间设置第一背压调节器，所述NO加热器与掺混室之间设置第二背压调节器；所述掺混室出口与整流段入口连接，所述整流段出口与喷管连接。本发明有效解决了现有技术中常规材料和方法难以模拟马赫数为8.0时的环境条件的问题。

Description

一种模拟Ma8环境的超高温纯净空气发生系统及方法
技术领域
本发明属于高马赫数试验领域，更具体地涉及一种模拟Ma8环境的超高温纯净空气发生系统及方法。
背景技术
高马赫数飞行器由于其突出的战略地位，正成为国内外研究的热点。研究高马赫数飞行器的方式中，包括数值计算、地面试验和飞行试验三大类。其中，地面高马赫数试验设备通过模拟高空环境，并利用天地一致性进行转换，可以达到在研制阶段就了解飞行器气动性能的目的。地面试验可以得到数值计算不能精确模拟的气动现象与数据，更具有真实性，并且与飞行试验相比，能节省更多的研制成本。
在模拟高马赫数环境时，对其总温的模拟至关重要。在马赫数5以上时总温模拟要求在1250K以上，这对设备提出了很高的能量添加需求。目前高马赫数地面设备中已使用的加热器包括蓄热式加热器、激波管式加热器、燃烧型空气加热器等。
一般的方法生成的含污染组分的试验气体导致的“污染效应”会对气动特性的评估产生显著影响，给地面试验数据外推应用到飞行条件带来诸多不确定因素。面对复杂的、存在许多不确定因素的“污染效应”，除了开展深入细致的研究外，发展高温纯净空气风洞设备可以使获得的地面试验数据更为真实、可靠。选择纯净的发生系统是高温纯净空气风洞设备的关键。
蓄热式加热器通过与高温蓄热材料单元的对流换热来加热气流，原理上没有引入污染组分、杂质，理论上可以供应完全满足物理化学特性的高温空气。且能维持的试验时间较长，具有一定的优越性，但其对于高总温的模拟技术仍不成熟，常规材料和方法难以模拟马赫数为8.0时的条件。
发明内容
为解决现有技术中常规材料和方法难以模拟马赫数为8.0时的环境条件的问题，本发明提供一种模拟Ma8环境的超高温纯净空气发生系统及方法。
本发明采用的具体方案为：一种模拟Ma8环境的超高温纯净空气发生系统，所述系统包括N2加热器、NO加热器、掺混室，所述N2加热器、NO加热器分别与掺混室连接，所述N2加热器的顶部设置N2出口，底部设置N2入口；所述NO加热器的顶部设置NO出口，底部设置NO入口；所述N2加热器与掺混室之间设置第一背压调节器，所述NO加热器与掺混室之间设置第二背压调节器；所述掺混室出口与整流段入口连接，所述整流段出口与喷管连接。
所述N2加热器通过管道与掺混室的上方入口连接。
所述NO加热器通过管道与掺混室的下方入口连接。
所述N2入口、NO入口处设置节流阀。
所述N2加热器内部设置温度传感器。
所述掺混室出口处设置温度传感器。
另一方面，本发明公开了一种模拟Ma8环境的超高温纯净空气发生方法，包括如下步骤：
（1）在N2加热器中，将N2加热至3000-3500K，得到高温N2；
（2）在NO加热器中，将NO加热至1000-1300K，得到被加热的NO；
（3）将高温N2与被加热的NO混合，复现纯净空气的成分，得到超高温气体；
（4）超高温气体通过整流段和喷管后形成试验气体，当空气流量达到一定数值时，满足喷管出口尺寸一定的马赫数为8.0的试验需求，模拟Ma8环境的超高温纯净空气的环境。
所述步骤（3）中被加热的NO占混合气体的质量分数比例为43.7%，高温N2占混合气体的质量分数比例为56.3%，复现纯净空气的成分。
所述步骤（4）当空气流量达到18.0-20.0kg/s时，模拟Ma8环境的超高温纯净空气的环境。
本发明相对于现有技术具有如下有益效果：
本发明构建了可以模拟Ma8环境的超高温纯净空气发生的系统，该系统包括N2加热器、NO加热器、掺混室，N2加热器、NO加热器分别与掺混室连接，N2加热器的顶部设置N2出口，底部设置N2入口；NO加热器的顶部设置NO出口，底部设置NO入口；所述N2加热器与掺混室之间设置第一背压调节器，所述N2加热器与掺混室之间设置第二背压调节器；所述掺混室出口与整流段入口连接，所述整流段出口与喷管连接,该系统成功的将高温的N2与被加热的NO混合，使NO在混合中升温，在高温下会分解为N2和O2，分解反应会进一步放热作为系统的二次加热方式，生成的超高温气体在N2和NO的特定比例时，可复现纯净空气主要成分。超高温气体通过整流段和喷管后形成试验气体。当空气流量达到一定数值时，可满足喷管出口尺寸一定的马赫数为8.0的试验需求。
本发明所述方法先在N2加热器中，将N2加热至3000-3500K，得到高温N2，然后在NO加热器中，将NO加热至1000-1300K，得到被加热的NO；NO在N2带来的高温下会分解为N2和O2的超高温混合气体，复现纯净空气主要成分，得到超高温气体，超高温气体通过整流段和喷管后形成试验气体，当空气流量达到一定数值时，满足喷管出口尺寸一定的马赫数为8.0的试验需求，模拟Ma8环境的超高温纯净空气的环境，解决了现有技术中常规材料和方法难以模拟马赫数为8.0时的环境条件的问题。
附图说明
图1为本发明所述方法的流程框图；
图2为本发明所述系统示意图。
符号说明
1：N2加热器；2：NO加热器；3：掺混室；4：温度传感器；5：节流阀；6：第一背压调节器；7：整流段；8：喷管；9：第二背压调节器。
具体实施方式
在下文将结合附图对本发明做进一步详细地说明，显然此处应该理解的是，所描述的实施方案不是全部的实施方案，仅用于解释说明本发明，而不限制本发明。
参照附图1-2，本发明公开了一种模拟Ma8环境的超高温纯净空气发生系统，所述系统包括N2加热器1、NO加热器2、掺混室3，所述N2加热器1、NO加热器2分别与掺混室3连接，所述N2加热器1的顶部设置N2出口，底部设置N2入口；所述NO加热器2的顶部设置NO出口，底部设置NO入口；所述N2加热器1与掺混室3之间设置第一背压调节器6，所述NO加热器2与掺混室3之间设置第二背压调节器9；所述掺混室3出口与整流段7入口连接，所述整流段7出口与喷管8连接。
所述N2加热器1通过管道与掺混室3的上方入口连接。所述NO加热器2通过管道与掺混室3的下方入口连接，尽可能增大对流气体的接触面积，保证充分掺混。所述N2入口、NO入口处设置节流阀5。所述N2加热器1内部设置温度传感器4，所述掺混室3出口处设置温度传感器4。
本发明提供一种模拟Ma8环境的超高温纯净空气发生方法，包括如下步骤：
（1）在N2加热器中，将N2加热至3000-3500K，得到高温N2；
（2）在NO加热器中，将NO加热至1000-1300K，得到被加热的NO；
（3）将高温N2与被加热的NO混合，复现纯净空气的成分，得到超高温气体；
（4）超高温气体通过整流段和喷管后形成试验气体，当空气流量达到一定数值时，满足喷管出口尺寸一定的马赫数为8.0的试验需求，模拟Ma8环境的超高温纯净空气的环境。所述步骤（3）中被加热的NO占混合气体的质量分数比例为43.7%，高温N2占混合气体的质量分数比例为56.3%，复现纯净空气的成分。所述步骤（4）中当空气流量达到18.0-20.0kg/s时，模拟Ma8环境的超高温纯净空气的环境。本发明中NO分解的速率和反应程度受温度影响，搭配进行掺混的NO和高温N2的不同温度梯度，可以实现更充分的化学反应和更高的生成物的温度，进一步节约能源，使得N2与NO复现纯净空气的成分成为可能。
混合的目标气体为23.3%的O2和76.7%的N2，根据化学方程式中各反应物的物质的量和质量的关系，43.7%的NO分解后可以得到20.4%的N2和23.3%的O2，加上56.3%的高温N2，在反应完全的情况下，可以得到目标配比的纯净空气。
N2加热器1采用石墨蓄热式加热器，石墨蓄热式加热器经用来加热纯净氮气。加热器最大使用温度不仅取决于蓄热材料本身特性而且还取决于蓄热单元外形的设计。在高温风洞应用中最常用的两类蓄热单元外形是卵石床蓄热加热器使用的球卵石形和空心砖型蓄热加热器。试验空气是从卵石之间的缝隙或者空心砖中垂直通孔流过时发生对流换热而得到加热的，目前更新型的多采用空心砖型蓄热加热器。试验前，空心砖型石墨蓄热阵由铜线圈电感应诱导加热至所需温度条件。加热器使O2和水排出，充满正压N2。温度升高，系统加压，N2流过蓄热器基底，直到气体和基底都获得一个稳定的温度。N2加热器1外部作绝热处理，轴向布置温度传感器4，监测气体加热情况，温度传感器4使用铂铑热电阻。
NO加热器2使用氧化铝加热器。包括一个氧化铝圆筒，外部由钨丝加热，圆筒中充满氧化铝颗粒。氧化铝、氧化锆等高熔点、密度大、热容大的耐火氧化物陶瓷是目前常用的高温蓄热材料，且不易被氧化。NO加热器2外部作绝热处理。加热器的轴向布置温度传感器4，监测气体加热情况，可以使用铂铑热电阻。两种气体加热后在掺混室3内进行掺混并发生反应，分解反应放热引起温度升高，气体出口处也安装温度传感器4。通过气体出口处布置的温度传感器4监测出口气体温度。在掺混室3内布置温度传感器4随时监测反应发生情况。流入加热器的气体流量由节流阀5控制。加热器中的压力由换热器出口处的第一背压调节器6、第二背压调节器9保持。
实施例1
本发明提供一种模拟Ma8环境的超高温纯净空气发生方法，所述方法采用上述模拟Ma8环境的超高温纯净空气发生系统。N2在N2加热器1中升温至3000K，NO在NO加热器2中升温至1300K，此为发生系统的能量添加阶段。在掺混室3中，加热后的N2与NO混合，NO在N2带来的高温下会分解为N2和O2的超高温混合气体，此为发生系统的进一步能量转换阶段，化学能转化为热能。混合气体通过整流段7和喷管8后形成超高温试验气体。
实施例2
本发明提供一种模拟Ma8环境的超高温纯净空气发生方法，所述方法采用上述模拟Ma8环境的超高温纯净空气发生系统。N2在N2加热器1中升温至3500K，NO在NO加热器2中升温至1000K，此为发生系统的能量添加阶段。在掺混室3中，加热后的N2与NO混合，NO在N2带来的高温下会分解为N2和O2的超高温混合气体，混合气体通过整流段7和喷管8后形成超高温试验气体。
实施例3
本发明提供一种模拟Ma8环境的超高温纯净空气发生方法，所述方法采用上述模拟Ma8环境的超高温纯净空气发生系统。N2在N2加热器1中升温至3200K，NO在NO加热器2中升温至1150K，此为发生系统的能量添加阶段，在掺混室3中，加热后的N2与NO混合，NO在N2带来的高温下会分解为N2和O2的超高温混合气体，混合气体通过整流段7和喷管8后形成超高温试验气体。
本发明中混合质量分数比例为43.7%的NO（一氧化氮）和56.3%的N2（氮气）可以复现纯净空气的主要成分。当复现的总空气流量约为18.0kg/s时，可满足喷管出口尺寸为1.22米的马赫数8的试验需求。
本发明首次提出了以N2与NO为高温气体源，复现纯净空气主要成分，实现了模拟Ma8环境的超高温纯净空气环境的目标。NO的最高加热温度为1300K，再高就会直接分解。氮气目前手段能加热到的最高温度在3000K-3500K左右，利用NO分解的放热效应，可以在保证混合气体是纯净空气组分的情况下，得到更高温度的纯净空气。本发明利用N2与NO两种气体的特性，复现的总空气流量约为18.0kg/s时，满足喷管出口尺寸为1.22米的马赫数8的试验需求。本发明避免了一般的方法生成的含污染组分的试验气体导致的“污染效应”会对气动特性的评估产生显著影响，给地面试验数据外推应用到飞行条件带来诸多不确定因素。
以上附图及解释说明仅为本发明的一种具体实施方式，但本发明的具体保护范围不仅限以上解释说明，任何在本发明揭露的技术思路范围内，及根据本发明的技术方案加以简单地替换或改变，都应在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种模拟Ma8环境的超高温纯净空气发生系统，其特征在于，所述系统包括N2加热器（1）、NO加热器（2）、掺混室（3），所述N2加热器（1）、NO加热器（2）分别与掺混室（3）连接，所述N2加热器（1）的顶部设置N2出口，底部设置N2入口；所述NO加热器（2）的顶部设置NO出口，底部设置NO入口；所述N2加热器（1）与掺混室（3）之间设置第一背压调节器（6），所述NO加热器（2）与掺混室（3）之间设置第二背压调节器（9）；所述掺混室（3）出口与整流段（7）入口连接，所述整流段（7）出口与喷管（8）连接。
2.根据权利要求1所述的模拟Ma8环境的超高温纯净空气发生系统，其特征在于，所述N2加热器（1）通过管道与掺混室（3）的上方入口连接。
3.根据权利要求1所述的模拟Ma8环境的超高温纯净空气发生系统，其特征在于，所述NO加热器（2）通过管道与掺混室（3）的下方入口连接。
4.根据权利要求3所述的模拟Ma8环境的超高温纯净空气发生系统，其特征在于，所述N2入口、NO入口处设置节流阀（5）。
5.根据权利要求4所述的模拟Ma8环境的超高温纯净空气发生系统，其特征在于，所述N2加热器（1）内部设置温度传感器（4）。
6.根据权利要求5所述的模拟Ma8环境的超高温纯净空气发生系统，其特征在于，所述掺混室（3）出口处设置温度传感器（4）。
7.一种模拟Ma8环境的超高温纯净空气发生方法，其特征在于，所述方法基于如权利要求1-6任一项所述的模拟Ma8环境的超高温纯净空气发生系统实现，包括如下步骤：
（1）在N2加热器中，将N2加热至3000-3500K，得到高温N2；
（2）在NO加热器中，将NO加热至1000-1300K，得到被加热的NO；
（3）将高温N2与被加热的NO混合，复现纯净空气的成分，得到超高温气体；
（4）超高温气体通过整流段和喷管后形成试验气体，当空气流量达到一定数值时，满足喷管出口尺寸一定的马赫数为8.0的试验需求，模拟Ma8环境的超高温纯净空气的环境。
8.根据权利要求7所述的模拟Ma8环境的超高温纯净空气发生方法，其特征在于，所述步骤（3）中被加热的NO占混合气体的质量分数比例为43.7%，高温N2占混合气体的质量分数比例为56.3%，复现纯净空气的成分。
9.根据权利要求7所述的模拟Ma8环境的超高温纯净空气发生方法，其特征在于，所述步骤（4）当空气流量达到18.0-20.0kg/s时，模拟Ma8环境的超高温纯净空气的环境。
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