CN115824575B - 一种获取模型表面微射流对气动特性影响的试验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于风洞试验测量领域，公开了一种获取模型表面微射流对气动特性影响的试验方法。试验方法基于专用的模型表面微射流试验装置。试验方法包括安装试验模型，采集数据零点，进行模型表面微射流试验，和试验数据处理。本发明的获取模型表面微射流对气动特性影响的试验方法精确模拟了烧蚀材料热解气体的产生和作用；使用的模型表面微射流试验装置结构简单，隔离减震效果良好，对俯仰测力天平测量无干扰；在相同的试验条件下，获取了有无微射流的气动特性参数，能够直接获取干扰量，误差源少，数据精度高。
Description
技术领域
本发明属于风洞试验测量领域，具体涉及一种获取模型表面微射流对气动特性影响的试验方法。
背景技术
跨大气层飞行器、洲际弹头等在高速再入阶段，受高温气体效应的影响，迎风面会因气流强烈压缩而形成高温，为防止对飞行器造成严重破坏，必须采取必要的热防护措施，采用烧蚀材料防热是重要热防护措施之一。烧蚀材料是通过消耗材料的积极方式获取防热效应，树脂基体受热分解产生气体和热解碳，热解气体穿透材料高温注入边界层提供对流冷却和蒸发冷却，并通过高温表面反向辐射、表面热化学烧蚀形成气体产物的质量引射效应和壁温效应耗散热量。
防热结构烧蚀引起的飞行器气动外形变化将对飞行器的升阻特性、力矩特性（包括俯仰力矩和滚转力矩）和静动态稳定性等产生明显的影响，若飞行器的气动力参数预测不准确（尤其是滚转、俯仰力矩特性的预测偏差），会对操纵性和稳定性产生非常显著的影响，可能导致落点散布大、命中率降低，甚至造成飞行器毁坏。因此，需要精确测量模型的烧蚀引射对模型气动特性的影响。
在高超声速风洞试验中需要模拟飞行器表面热解气体产生过程，并获取由于热解气体产生对飞行器气动特性影响的试验方法。常规高超声速风洞无法产生飞行条件的高温环境，无法采用真实的烧蚀材料试验模拟热解过程。
当前亟需发展一种获取模型表面微射流对气动特性影响的试验方法。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种获取模型表面微射流对气动特性影响的试验方法，用于精确测量模型的烧蚀引射对模型气动特性的影响。
本发明的获取模型表面微射流对气动特性影响的试验方法，其特点是，所述的试验方法基于模型表面微射流试验装置，模型表面微射流试验装置安装在试验模型内腔；试验模型为锥角相同的三段式锥体模型，包括从前至后依次固定连接的锥段Ⅰ、锥段Ⅱ和锥段Ⅲ；锥段Ⅰ包括一系列用于替换的锥形头；锥段Ⅱ的空腔内安装模型表面微射流试验装置的截止阀、储气瓶、固定架、连接管、减压阀、减压阀入口压力表和减压阀出口压力表；锥段Ⅲ的前端为支撑端，锥段Ⅲ的空腔内安装模型表面微射流试验装置的流量控制器、驻室压力传感器、驻室和俯仰测力天平；
俯仰测力天平的固定端通过模型支杆固定在风洞中部支架上，俯仰测力天平的悬空端通过螺钉锁紧固定在锥段Ⅲ固定端上，螺钉位于锥段Ⅲ支撑端的中心点；
固定架的前端为圆筒，后端为法兰盘，法兰盘的内径大于螺钉外径；法兰盘固定在锥段Ⅲ支撑端的前端面上；储气瓶从前至后插入圆筒并固定；储气瓶的出口通过截止阀连接连接管，连接管上安装减压阀，减压阀的两侧安装减压阀入口压力表和减压阀出口压力表；连接管向后延伸穿过锥段Ⅲ的支撑端进入锥段Ⅲ的空腔后依次连接流量控制器和驻室；驻室上安装有驻室压力传感器，驻室嵌入锥段Ⅲ的壁面，驻室的外表面与锥段Ⅲ的外表面平齐且光滑过渡，驻室的外表面设置有阵列排列的微孔，微孔的中心轴线垂直于驻室的外表面；
储气瓶、固定架、俯仰测力天平、试验模型和模型支杆同中心轴线；
截止阀打开，储气瓶的高压气体沿连接管流动，通过减压阀降低压力形成低压气体，通过流量控制器控制低压气体的流量，低压气体进入驻室，从驻室外表面的微孔喷出，形成模型表面微射流，模型表面微射流用于模拟烧蚀引射；
试验方法，包括以下步骤：
S10.安装试验模型
将模型支杆安装在风洞中部支架上；将俯仰测力天平的固定端安装在模型支杆的前端；
将试验模型的锥段Ⅲ安装在俯仰测力天平的悬空端，并通过螺钉拉紧；在锥段Ⅲ的内腔安装并固定流量控制器；在锥段Ⅲ的壁面安装驻室，驻室外表面与锥段Ⅲ的外表面平齐且光滑过渡；将流量控制器与驻室连通；在驻室上安装驻室压力传感器；
将固定架的法兰盘固定在锥段Ⅲ支撑端的前端面上，储气瓶从前至后插入固定架的圆筒并固定；在储气瓶的出口安装截止阀后连接连接管，连接管上安装减压阀，减压阀的两侧安装减压阀入口压力表和减压阀出口压力表；连接管向后延伸，穿过锥段Ⅲ的支撑端进入锥段Ⅲ的空腔后连接流量控制器；
依次安装试验模型的锥段Ⅱ和锥段Ⅰ，安装完成后，锥段Ⅰ、锥段Ⅱ和锥段Ⅲ之间光滑过渡且无连接缝隙；
S20.采集数据零点
打开截止阀，将流量控制器的流量调整为0；打开高超声速风洞数据采集系统采集俯仰测力天平数据；
风洞中部支架带动试验模型运动到预设攻角α0，在预设攻角α0下，风洞中部支架继续带动试验模型按照预先设置的攻角阶梯序列α0、α1、α2…αn做俯仰运动，每个攻角间隔大于等于1s，达到最大攻角αn后，停留t1时间；
将流量控制器的流量调整为，再次停留t1时间，按照αn、αn-1、αn-2…α0做俯仰运动，每个攻角间隔大于等于1s，回到预设攻角α0后，零点采集完毕；
进行零点数据处理，获得阶梯零点数据C无；
S30.进行模型表面微射流试验
启动高超声速风洞，待高超声速风洞流场稳定后，风洞中部支架带动试验模型运动到预设攻角α0，在预设攻角α0下，风洞中部支架继续带动试验模型按照攻角阶梯序列α0、α1、α2…αn做俯仰运动，每个攻角间隔大于等于1s，同时高超声速风洞数据采集系统采集天平数据，达到最大攻角αn后，停留t1时间；
将流量控制器的流量调整为，稳定后，再次停留t1时间，按照αn、αn-1、αn-2…α0做俯仰运动，每个攻角间隔大于等于1s，回到预设攻角α0后，试验数据采集完毕；
进行模型表面微射流试验数据处理，获得阶梯试验数据C射流；
S40.试验数据处理
将步骤S30获得的阶梯试验数据C射流，减去步骤S20获得的对应的阶梯零点数据C无，即ΔC=C射流-C无，得到微射流对模型气动特性的干扰量ΔC。
进一步地，所述的储气瓶中的高压气体压力大于等于10MPa，储气瓶内的高压气体为空气、氮气、氖气或者氦气中的一种或者二种以上的混合气体。
进一步地，所述的连接管为钢管、紫铜管或者PVC软管。
进一步地，所述的减压阀出口气体压力小于等于1MPa。
进一步地，所述的流量控制器控制驻室的外表面微孔的质量流量，模拟微孔质量流量比。
进一步地，所述的微孔的孔径小于等于0.5mm。
进一步地，所述的驻室根据试验需要改变在锥段Ⅲ上的嵌入位置。
进一步地，所述的驻室为盒体Ⅰ，驻室的腔体内设置有驻室整流器，驻室整流器为嵌套在驻室内的盒体Ⅱ，盒体Ⅱ的侧壁面和下壁面开有阵列排列的通孔，盒体Ⅱ的上壁面设置有驻室进气口，盒体Ⅱ的侧壁面设置有驻室压力传感器接口；
储气瓶的高压气体经驻室进气口进入驻室整流器，经驻室整流器上阵列排列的通孔流出，实现整流，整流后的低压气体经驻室外表面的微孔喷出，形成模型表面微射流，模型表面微射流用于模拟烧蚀引射。
本发明的获取模型表面微射流对气动特性影响的试验方法精确模拟了烧蚀材料热解气体的产生和作用；使用的模型表面微射流试验装置结构简单，隔离减震效果良好，对俯仰测力天平测量无干扰；在相同的试验条件下，获取了有无微射流的气动特性参数，能够直接获取干扰量，误差源少，数据精度高。
附图说明
图1为本发明的获取模型表面微射流对气动特性影响的试验方法使用的模型表面微射流试验装置的结构示意图（俯视图）；
图2为本发明的获取模型表面微射流对气动特性影响的试验方法使用的模型表面微射流试验装置的结构示意图（主视图）；
图3为本发明的获取模型表面微射流对气动特性影响的试验方法使用的模型表面微射流试验装置的安装示意图（剖面图）；
图4为本发明的获取模型表面微射流对气动特性影响的试验方法使用的模型表面微射流试验装置中的驻室示意图；
图5为本发明的获取模型表面微射流对气动特性影响的试验方法使用的模型表面微射流试验装置中的微孔示意图；
图6为实施例1获得的射流流量对气动特性影响曲线图。
图中，1.截止阀；2.储气瓶；3.固定架；4.连接管；5.减压阀；6.流量控制器；7.驻室压力传感器；8.驻室；9.俯仰测力天平；10.试验模型；13.减压阀入口压力表；14.减压阀出口压力表；15.模型支杆；
801.微孔；802.驻室压力传感器接口；803.驻室整流器；804.驻室进气口。
实施方式
下面结合附图和实施例详细说明本发明。
如图1~图5所示，本发明的获取模型表面微射流对气动特性影响的试验方法基于模型表面微射流试验装置，模型表面微射流试验装置安装在试验模型10内腔；试验模型10为锥角相同的三段式锥体模型，包括从前至后依次固定连接的锥段Ⅰ、锥段Ⅱ和锥段Ⅲ；锥段Ⅰ包括一系列用于替换的锥形头；锥段Ⅱ的空腔内安装模型表面微射流试验装置的截止阀1、储气瓶2、固定架3、连接管4、减压阀5、减压阀入口压力表13和减压阀出口压力表14；锥段Ⅲ的前端为支撑端，锥段Ⅲ的空腔内安装模型表面微射流试验装置的流量控制器6、驻室压力传感器7、驻室8和俯仰测力天平9；
俯仰测力天平9的固定端通过模型支杆15固定在风洞中部支架上，俯仰测力天平9的悬空端通过螺钉锁紧固定在锥段Ⅲ固定端上，螺钉位于锥段Ⅲ支撑端的中心点；
固定架3的前端为圆筒，后端为法兰盘，法兰盘的内径大于螺钉外径；法兰盘固定在锥段Ⅲ支撑端的前端面上；储气瓶2从前至后插入圆筒并固定；储气瓶2的出口通过截止阀1连接连接管4，连接管4上安装减压阀5，减压阀5的两侧安装减压阀入口压力表13和减压阀出口压力表14；连接管4向后延伸穿过锥段Ⅲ的支撑端进入锥段Ⅲ的空腔后依次连接流量控制器6和驻室8；驻室8上安装有驻室压力传感器7，驻室8嵌入锥段Ⅲ的壁面，驻室8的外表面与锥段Ⅲ的外表面平齐且光滑过渡，驻室8的外表面设置有阵列排列的微孔801，微孔801的中心轴线垂直于驻室8的外表面；
储气瓶2、固定架3、俯仰测力天平9、试验模型10和模型支杆15同中心轴线；
截止阀1打开，储气瓶2的高压气体沿连接管4流动，通过减压阀5降低压力形成低压气体，通过流量控制器6控制低压气体的流量，低压气体进入驻室8，从驻室8外表面的微孔801喷出，形成模型表面微射流，模型表面微射流用于模拟烧蚀引射；
试验方法，包括以下步骤：
S10.安装试验模型10
将模型支杆15安装在风洞中部支架上；将俯仰测力天平9的固定端安装在模型支杆15的前端；
将试验模型10的锥段Ⅲ安装在俯仰测力天平9的悬空端，并通过螺钉拉紧；在锥段Ⅲ的内腔安装并固定流量控制器6；在锥段Ⅲ的壁面安装驻室8，驻室8外表面与锥段Ⅲ的外表面平齐且光滑过渡；将流量控制器6与驻室8连通；在驻室8上安装驻室压力传感器7；
将固定架3的法兰盘固定在锥段Ⅲ支撑端的前端面上，储气瓶2从前至后插入固定架3的圆筒并固定；在储气瓶2的出口安装截止阀1后连接连接管4，连接管4上安装减压阀5，减压阀5的两侧安装减压阀入口压力表13和减压阀出口压力表14；连接管4向后延伸，穿过锥段Ⅲ的支撑端进入锥段Ⅲ的空腔后连接流量控制器6；
依次安装试验模型10的锥段Ⅱ和锥段Ⅰ，安装完成后，锥段Ⅰ、锥段Ⅱ和锥段Ⅲ之间光滑过渡且无连接缝隙；
S20.采集数据零点
打开截止阀1，将流量控制器6的流量调整为0；打开高超声速风洞数据采集系统采集俯仰测力天平9数据；
风洞中部支架带动试验模型10运动到预设攻角α0，在预设攻角α0下，风洞中部支架继续带动试验模型10按照预先设置的攻角阶梯序列α0、α1、α2…αn做俯仰运动，每个攻角间隔大于等于1s，达到最大攻角αn后，停留t1时间；
将流量控制器6的流量调整为，再次停留t1时间，按照αn、αn-1、αn-2…α0做俯仰运动，每个攻角间隔大于等于1s，回到预设攻角α0后，零点采集完毕；
进行零点数据处理，获得阶梯零点数据C无；
S30.进行模型表面微射流试验
启动高超声速风洞，待高超声速风洞流场稳定后，风洞中部支架带动试验模型10运动到预设攻角α0，在预设攻角α0下，风洞中部支架继续带动试验模型10按照攻角阶梯序列α0、α1、α2…αn做俯仰运动，每个攻角间隔大于等于1s，同时高超声速风洞数据采集系统采集天平6数据，达到最大攻角αn后，停留t1时间；
将流量控制器6的流量调整为，稳定后，再次停留t1时间，按照αn、αn-1、αn-2…α0做俯仰运动，每个攻角间隔大于等于1s，回到预设攻角α0后，试验数据采集完毕；
进行模型表面微射流试验数据处理，获得阶梯试验数据C射流；
S40.试验数据处理
将步骤S30获得的阶梯试验数据C射流，减去步骤S20获得的对应的阶梯零点数据C无，即ΔC=C射流-C无，得到微射流对模型气动特性的干扰量ΔC。
进一步地，所述的储气瓶2中的高压气体压力大于等于10MPa，储气瓶2内的高压气体为空气、氮气、氖气或者氦气中的一种或者二种以上的混合气体。
进一步地，所述的连接管4为钢管、紫铜管或者PVC软管。
进一步地，所述的减压阀5出口气体压力小于等于1MPa。
进一步地，所述的流量控制器6控制驻室8的外表面微孔801的质量流量，模拟微孔801质量流量比。
进一步地，所述的微孔801的孔径小于等于0.5mm。
进一步地，所述的驻室8根据试验需要改变在锥段Ⅲ上的嵌入位置。
进一步地，所述的驻室8为盒体Ⅰ，驻室8的腔体内设置有驻室整流器803，驻室整流器803为嵌套在驻室8内的盒体Ⅱ，盒体Ⅱ的侧壁面和下壁面开有阵列排列的通孔，盒体Ⅱ的上壁面设置有驻室进气口804，盒体Ⅱ的侧壁面设置有驻室压力传感器接口802；
储气瓶2的高压气体经驻室进气口804进入驻室整流器803，经驻室整流器803上阵列排列的通孔流出，实现整流，整流后的低压气体经驻室8外表面的微孔801喷出，形成模型表面微射流，模型表面微射流用于模拟烧蚀引射。
实施例1
本实施例获得俯仰力矩攻角曲线（Cmz~α曲线）见图6，图6中，引射流量Ⅰ对应的引射流量为，引射流量Ⅱ对应的引射流量为，。
从图6可以看出，可以得到不同射流流量条件下的气动力变化量，射流流量与气动力影响量呈非线性关系。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不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 (8)
1.一种获取模型表面微射流对气动特性影响的试验方法，其特征在于，所述的试验方法基于模型表面微射流试验装置，模型表面微射流试验装置安装在试验模型（10）内腔；试验模型（10）为锥角相同的三段式锥体模型，包括从前至后依次固定连接的锥段Ⅰ、锥段Ⅱ和锥段Ⅲ；锥段Ⅰ包括一系列用于替换的锥形头；锥段Ⅱ的空腔内安装模型表面微射流试验装置的截止阀（1）、储气瓶（2）、固定架（3）、连接管（4）、减压阀（5）、减压阀入口压力表（13）和减压阀出口压力表（14）；锥段Ⅲ的前端为支撑端，锥段Ⅲ的空腔内安装模型表面微射流试验装置的流量控制器（6）、驻室压力传感器（7）、驻室（8）和俯仰测力天平（9）；
俯仰测力天平（9）的固定端通过模型支杆（15）固定在风洞中部支架上，俯仰测力天平（9）的悬空端通过螺钉锁紧固定在锥段Ⅲ固定端上，螺钉位于锥段Ⅲ支撑端的中心点；
固定架（3）的前端为圆筒，后端为法兰盘，法兰盘的内径大于螺钉外径；法兰盘固定在锥段Ⅲ支撑端的前端面上；储气瓶（2）从前至后插入圆筒并固定；储气瓶（2）的出口通过截止阀（1）连接连接管（4），连接管（4）上安装减压阀（5），减压阀（5）的两侧安装减压阀入口压力表（13）和减压阀出口压力表（14）；连接管（4）向后延伸穿过锥段Ⅲ的支撑端进入锥段Ⅲ的空腔后依次连接流量控制器（6）和驻室（8）；驻室（8）上安装有驻室压力传感器（7），驻室（8）嵌入锥段Ⅲ的壁面，驻室（8）的外表面与锥段Ⅲ的外表面平齐且光滑过渡，驻室（8）的外表面设置有阵列排列的微孔（801），微孔（801）的中心轴线垂直于驻室（8）的外表面；
储气瓶（2）、固定架（3）、俯仰测力天平（9）、试验模型（10）和模型支杆（15）同中心轴线；
截止阀（1）打开，储气瓶（2）的高压气体沿连接管（4）流动，通过减压阀（5）降低压力形成低压气体，通过流量控制器（6）控制低压气体的流量，低压气体进入驻室（8），从驻室（8）外表面的微孔（801）喷出，形成模型表面微射流，模型表面微射流用于模拟烧蚀引射；
试验方法，包括以下步骤：
S10.安装试验模型（10）
将模型支杆（15）安装在风洞中部支架上；将俯仰测力天平（9）的固定端安装在模型支杆（15）的前端；
将试验模型（10）的锥段Ⅲ安装在俯仰测力天平（9）的悬空端，并通过螺钉拉紧；在锥段Ⅲ的内腔安装并固定流量控制器（6）；在锥段Ⅲ的壁面安装驻室（8），驻室（8）外表面与锥段Ⅲ的外表面平齐且光滑过渡；将流量控制器（6）与驻室（8）连通；在驻室（8）上安装驻室压力传感器（7）；
将固定架（3）的法兰盘固定在锥段Ⅲ支撑端的前端面上，储气瓶（2）从前至后插入固定架（3）的圆筒并固定；在储气瓶（2）的出口安装截止阀（1）后连接连接管（4），连接管（4）上安装减压阀（5），减压阀（5）的两侧安装减压阀入口压力表（13）和减压阀出口压力表（14）；连接管（4）向后延伸，穿过锥段Ⅲ的支撑端进入锥段Ⅲ的空腔后连接流量控制器（6）；
依次安装试验模型（10）的锥段Ⅱ和锥段Ⅰ，安装完成后，锥段Ⅰ、锥段Ⅱ和锥段Ⅲ之间光滑过渡且无连接缝隙；
S20.采集数据零点
打开截止阀（1），将流量控制器（6）的流量调整为0；打开高超声速风洞数据采集系统采集俯仰测力天平（9）数据；
风洞中部支架带动试验模型（10）运动到预设攻角α0，在预设攻角α0下，风洞中部支架继续带动试验模型（10）按照预先设置的攻角阶梯序列α0、α1、α2…αn做俯仰运动，每个攻角间隔大于等于1s，达到最大攻角αn后，停留t1时间；
将流量控制器（6）的流量调整为，再次停留t1时间，按照αn、αn-1、αn-2…α0做俯仰运动，每个攻角间隔大于等于1s，回到预设攻角α0后，零点采集完毕；
进行零点数据处理，获得阶梯零点数据C无；
S30.进行模型表面微射流试验
启动高超声速风洞，待高超声速风洞流场稳定后，风洞中部支架带动试验模型（10）运动到预设攻角α0，在预设攻角α0下，风洞中部支架继续带动试验模型（10）按照攻角阶梯序列α0、α1、α2…αn做俯仰运动，每个攻角间隔大于等于1s，同时高超声速风洞数据采集系统采集天平（6）数据，达到最大攻角αn后，停留t1时间；
将流量控制器（6）的流量调整为，稳定后，再次停留t1时间，按照αn、αn-1、αn-2…α0做俯仰运动，每个攻角间隔大于等于1s，回到预设攻角α0后，试验数据采集完毕；
进行模型表面微射流试验数据处理，获得阶梯试验数据C射流；
S40.试验数据处理
将步骤S30获得的阶梯试验数据C射流，减去步骤S20获得的对应的阶梯零点数据C无，即ΔC=C射流-C无，得到微射流对模型气动特性的干扰量ΔC。
2.根据权利要求1所述的获取模型表面微射流对气动特性影响的试验方法，其特征在于，所述的储气瓶（2）中的高压气体压力大于等于10MPa，储气瓶（2）内的高压气体为空气、氮气、氖气或者氦气中的一种或者二种以上的混合气体。
3.根据权利要求1所述的获取模型表面微射流对气动特性影响的试验方法，其特征在于，所述的连接管（4）为钢管、紫铜管或者PVC软管。
4.根据权利要求1所述的获取模型表面微射流对气动特性影响的试验方法，其特征在于，所述的减压阀（5）出口气体压力小于等于1MPa。
5.根据权利要求1所述的获取模型表面微射流对气动特性影响的试验方法，其特征在于，所述的流量控制器（6）控制驻室（8）的外表面微孔（801）的质量流量，模拟微孔（801）质量流量比。
6.根据权利要求1所述的获取模型表面微射流对气动特性影响的试验方法，其特征在于，所述的微孔（801）的孔径小于等于0.5mm。
7.根据权利要求1所述的获取模型表面微射流对气动特性影响的试验方法，其特征在于，所述的驻室（8）根据试验需要改变在锥段Ⅲ上的嵌入位置。
8.根据权利要求1所述的获取模型表面微射流对气动特性影响的试验方法，其特征在于，所述的驻室（8）为盒体Ⅰ，驻室（8）的腔体内设置有驻室整流器（803），驻室整流器（803）为嵌套在驻室（8）内的盒体Ⅱ，盒体Ⅱ的侧壁面和下壁面开有阵列排列的通孔，盒体Ⅱ的上壁面设置有驻室进气口（804），盒体Ⅱ的侧壁面设置有驻室压力传感器接口（802）；
储气瓶（2）的高压气体经驻室进气口（804）进入驻室整流器（803），经驻室整流器（803）上阵列排列的通孔流出，实现整流，整流后的低压气体经驻室（8）外表面的微孔（801）喷出，形成模型表面微射流，模型表面微射流用于模拟烧蚀引射。
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