CN116067610A - 一种低马赫数下宽范围调节气流温度的冷热气流掺混装置 - Google Patents

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Abstract

本发明属于燃烧风洞试验技术领域，公开了一种低马赫数下宽范围调节气流温度的冷热气流掺混装置。冷热气流掺混装置的减压掺混段为管体；沿减压掺混段的轴线方向，中心空腔为锥形的减压掺混管道；在减压掺混段的内部从前至后依次设置有若干个冷气环形腔；各冷气环形腔沿径向向外设置若干个冷气进气管道，冷气进气管道外接高压冷气源；各冷气环形腔沿径向向内设置若干个冷气分支管道，冷气分支管道在减压掺混管道的出口为冷气孔，冷气孔沿减压掺混管道的周向均匀分布；减压掺混段的前端面设置的圆形凹槽形成冷气缝，冷气缝与第一个冷气环形腔通过连接管道连通。冷热气流掺混装置能够满足模拟不同马赫数目标来流的冷气流量要求。

Description

一种低马赫数下宽范围调节气流温度的冷热气流掺混装置
技术领域
本发明属于燃烧风洞试验技术领域，具体涉及一种低马赫数下宽范围调节气流温度的冷热气流掺混装置。
背景技术
燃烧风洞是利用燃烧产生的高温气体经拉瓦尔喷管加速后模拟高马赫数状态来流的试验设备。如果需要燃烧风洞模拟马赫数2~马赫数4的低马赫数状态，由于目标来流的总温总压等参数与燃烧产生的高温气体相比明显较低，需要在燃烧产生的高温气体中掺入冷气使气流总温降低以达到目标状态。现有的冷热气流掺混方案大多采用在燃烧风洞的减压段和稳定段之间设置掺混段，掺混段上设置若干个中心对称分布的燃气气流通道，同时设置与外部的高压冷气源连通的冷气气流通道，冷气气流通道与燃气气流通道连通，在燃气气流通道内掺混，获得所需的试验气流，试验气流再经过稳定段和拉瓦尔喷管进入试验段。
掺混段具有以下难以克服的技术问题：
1.掺混段受到到高温气流的直接冲刷，迎风面热负荷大，易损坏；
2.若在掺混段内部增加水冷通道，缓解迎风面热负荷，则会增加掺混段的复杂程度及制作成本，同时水冷造成的额外热量损失，不利于准确估算冷热气流掺混后的温度；
3.掺混段的冷气进气流量可调范围较小，模拟不同马赫数目标来流时需更换不同喷空尺寸的面板，降低了燃烧风洞试验效率。
当前，亟需发展一种低马赫数下宽范围调节气流温度的冷热气流掺混装置。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种低马赫数下宽范围调节气流温度的冷热气流掺混装置，克服现有技术的技术缺陷。
本发明的低马赫数下宽范围调节气流温度的冷热气流掺混装置，其特点是，所述的冷热气流掺混装置的主体为减压掺混段，减压掺混段为管体；
沿减压掺混段的轴线方向，中心空腔为锥形的减压掺混管道；
沿减压掺混段的轴线方向，在减压掺混段的内部从前至后依次设置有与对应位置的减压掺混管道形状相匹配的若干个冷气环形腔Ⅰ；各冷气环形腔Ⅰ沿径向向外设置若干个冷气进气管道，冷气进气管道外接高压冷气源；各冷气环形腔Ⅰ沿径向向内设置若干个冷气分支管道，冷气分支管道在减压掺混管道的出口为冷气孔，冷气孔沿减压掺混管道的周向均匀分布；
减压掺混段的前端面设置有圆形凹槽，圆形凹槽的空腔形成冷气缝，冷气缝与第一个冷气环形腔Ⅰ通过连接管道连通；
高压冷气源的高压冷空气依次通过冷气进气管道进入冷气环形腔Ⅰ，再经冷气分支管道、冷气孔进入减压掺混管道，与减压掺混管道内的燃气进行掺混；第一个冷气环形腔Ⅰ的高压冷空气通过连接管道进入冷气缝，在减压掺混段的前端面形成冷气气膜；
减压掺混段通过调节冷气进气管道的开关数量、开关位置和高压冷气源进气压力调整冷气进气流量。
进一步地，所述的冷热气流掺混装置用于燃烧风洞，燃烧风洞的结构形式为从前至后顺序连接的燃烧室、减压段、稳定段和拉瓦尔喷管段；冷热气流掺混装置的减压掺混段替换减压段，将燃烧风洞的结构形式变更为从前至后顺序连接的燃烧室、减压掺混段、稳定段和拉瓦尔喷管段。
进一步地，所述的冷热气流掺混装置用于燃烧风洞马赫数2~马赫数4的运行工况。
进一步地，所述的冷热气流掺混装置的流量调节比大于等于5，流量调节比为允许使用的最大流量与允许使用的最小流量的比值。
进一步地，所述的冷热气流掺混装置的冷气流量范围为34kg/s~115kg/s，冷热气流掺混后的气流总温范围为520K~1200K。
进一步地，所述的高压冷气源的温度为300K，压力2MPa，通过减压阀实现0.6~1MPa范围供应压力调整。
进一步地，所述的减压掺混段的材料为304不锈钢。
进一步地，单个的所述的冷气环形腔Ⅰ的冷气分支管道包括沿减压掺混段的轴线方向的N组冷气分支管道，N≥1，每组冷气分支管道包括沿减压掺混段周向均匀分布的若干个冷气分支管道。
本发明的低马赫数下宽范围调节气流温度的冷热气流掺混装置，设置冷气气膜，能够避免冷热气流掺混装置的迎风面承受高温气流的直接冲刷；无需水冷，能够避免水冷对冷热气流掺混后最终温度的额外影响；通过调节冷气进气管道使用数量，还能够实现冷气流量的大范围调节。
本发明的低马赫数下宽范围调节气流温度的冷热气流掺混装置能够满足模拟不同马赫数目标来流的冷气流量要求，结构简单，制造成本较低。
附图说明
图1为本发明的低马赫数下宽范围调节气流温度的冷热气流掺混装置的结构示意图；
图2为本发明的低马赫数下宽范围调节气流温度的冷热气流掺混装置的安装示意图；
图3a为对比例的采用掺混面板的冷热气流掺混装置的结构示意图（主视剖面图）；
图3b为对比例的采用掺混面板的冷热气流掺混装置的结构示意图（侧视剖面图）；
图4为对比例的采用掺混面板的冷热气流掺混装置的安装示意图。
图中，1.燃烧室；2.减压段；3.稳定段；4.拉瓦尔喷管段；
101.冷气进气管道；102.减压掺混段；103.冷气环形腔Ⅰ；104.连接管道；105.冷气分支管道；106.冷气缝；107.减压掺混管道；108.冷气孔；
201.进气口；202.掺混面板；203.冷气环形腔Ⅱ；204.冷气气流通道；205.燃气气流通道；206.冷气环形腔连接通道。
实施方式
下面结合附图和实施例详细说明本发明。
实施例1
如图1所示，本实施例的低马赫数下宽范围调节气流温度的冷热气流掺混装置的主体为减压掺混段102，减压掺混段102为管体；
沿减压掺混段102的轴线方向，中心空腔为锥形的减压掺混管道107；
沿减压掺混段102的轴线方向，在减压掺混段102的内部从前至后依次设置有与对应位置的减压掺混管道107形状相匹配的若干个冷气环形腔Ⅰ103；各冷气环形腔Ⅰ103沿径向向外设置若干个冷气进气管道101，冷气进气管道101外接高压冷气源；各冷气环形腔Ⅰ103沿径向向内设置若干个冷气分支管道105，冷气分支管道105在减压掺混管道107的出口为冷气孔108，冷气孔108沿减压掺混管道107的周向均匀分布；
减压掺混段102的前端面设置有圆形凹槽，圆形凹槽的空腔形成冷气缝106，冷气缝106与第一个冷气环形腔Ⅰ103通过连接管道104连通；
高压冷气源的高压冷空气依次通过冷气进气管道101进入冷气环形腔Ⅰ103，再经冷气分支管道105、冷气孔108进入减压掺混管道107，与减压掺混管道107内的燃气进行掺混；第一个冷气环形腔Ⅰ103的高压冷空气通过连接管道104进入冷气缝106，在减压掺混段102的前端面形成冷气气膜；
减压掺混段102通过调节冷气进气管道101的开关数量、开关位置和高压冷气源进气压力调整冷气进气流量。
进一步地，所述的冷热气流掺混装置用于燃烧风洞，燃烧风洞的结构形式为从前至后顺序连接的燃烧室1、减压段2、稳定段3和拉瓦尔喷管段4；如图2所示，冷热气流掺混装置的减压掺混段102替换减压段2，将燃烧风洞的结构形式变更为从前至后顺序连接的燃烧室1、减压掺混段102、稳定段3和拉瓦尔喷管段4。
进一步地，所述的冷热气流掺混装置用于燃烧风洞马赫数2~马赫数4的运行工况。
进一步地，所述的冷热气流掺混装置的流量调节比大于等于5，流量调节比为允许使用的最大流量与允许使用的最小流量的比值。
进一步地，所述的冷热气流掺混装置的冷气流量范围为34kg/s~115kg/s，冷热气流掺混后的气流总温范围为520K~1200K。
进一步地，所述的高压冷气源的温度为300K，压力2MPa，通过减压阀实现0.6~1MPa范围供应压力调整。
进一步地，所述的减压掺混段102的材料为304不锈钢。
进一步地，单个的所述的冷气环形腔Ⅰ103的冷气分支管道105包括沿减压掺混段102的轴线方向的N组冷气分支管道105，N≥1，每组冷气分支管道105包括沿减压掺混段102周向均匀分布的若干个冷气分支管道105。
对比例
如图3a、图3b所示，对比例的掺混段采用掺混面板202；如图4所示，掺混面板202安装在减压段2和稳定段3之间，燃烧风洞的结构形式为从前至后顺序连接的燃烧室1、减压段2、掺混面板202、稳定段3和拉瓦尔喷管段4。
掺混面板202的边缘设置有进气口201，掺混面板202的内部设置有若干个中心对称分布的燃气气流通道205；每个燃气气流通道205的周围环绕一个冷气环形腔Ⅱ203，燃气气流通道205与对应的冷气环形腔Ⅱ203之间设置有若干个冷气气流通道204；各冷气环形腔Ⅱ203之间通过冷气环形腔连接通道206相互连通。
外部高压气源的冷气通过进气口201进入冷气环形腔连接通道206，再进入各冷气环形腔Ⅱ203，通过冷气环形腔连接通道206进入对应燃气气流通道205，冷气与燃气在燃气气流通道205内进行掺混，掺混后的气流进入稳定段3进行均匀混合，再经拉瓦尔喷管段4喷出。
对比例的掺混面板202受到高温气流的直接冲刷，迎风面热负荷大，易损坏；掺混面板202的冷气进气流量只能通过进气口201的冷气进气流量调节，可调范围较小；受燃气气流通道205的流通面积限制，在模拟不同马赫数目标来流时需更换不同喷空尺寸的掺混面板202，降低了燃烧风洞的试验效率。
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，在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，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)

1.一种低马赫数下宽范围调节气流温度的冷热气流掺混装置，其特征在于，所述的冷热气流掺混装置的主体为减压掺混段（102），减压掺混段（102）为管体；
沿减压掺混段（102）的轴线方向，中心空腔为锥形的减压掺混管道（107）；
沿减压掺混段（102）的轴线方向，在减压掺混段（102）的内部从前至后依次设置有与对应位置的减压掺混管道（107）形状相匹配的若干个冷气环形腔Ⅰ（103）；各冷气环形腔Ⅰ（103）沿径向向外设置若干个冷气进气管道（101），冷气进气管道（101）外接高压冷气源；各冷气环形腔Ⅰ（103）沿径向向内设置若干个冷气分支管道（105），冷气分支管道（105）在减压掺混管道（107）的出口为冷气孔（108），冷气孔（108）沿减压掺混管道（107）的周向均匀分布；
减压掺混段（102）的前端面设置有圆形凹槽，圆形凹槽的空腔形成冷气缝（106），冷气缝（106）与第一个冷气环形腔Ⅰ（103）通过连接管道（104）连通；
高压冷气源的高压冷空气依次通过冷气进气管道（101）进入冷气环形腔Ⅰ（103），再经冷气分支管道（105）、冷气孔（108）进入减压掺混管道（107），与减压掺混管道（107）内的燃气进行掺混；第一个冷气环形腔Ⅰ（103）的高压冷空气通过连接管道（104）进入冷气缝（106），在减压掺混段（102）的前端面形成冷气气膜；
减压掺混段（102）通过调节冷气进气管道（101）的开关数量、开关位置和高压冷气源进气压力调整冷气进气流量。
2.根据权利要求1所述的低马赫数下宽范围调节气流温度的冷热气流掺混装置，其特征在于，所述的冷热气流掺混装置用于燃烧风洞，燃烧风洞的结构形式为从前至后顺序连接的燃烧室（1）、减压段（2）、稳定段（3）和拉瓦尔喷管段（4）；冷热气流掺混装置的减压掺混段（102）替换减压段（2），将燃烧风洞的结构形式变更为从前至后顺序连接的燃烧室（1）、减压掺混段（102）、稳定段（3）和拉瓦尔喷管段（4）。
3.根据权利要求1所述的低马赫数下宽范围调节气流温度的冷热气流掺混装置，其特征在于，所述的冷热气流掺混装置用于燃烧风洞马赫数2~马赫数4的运行工况。
4.根据权利要求1所述的低马赫数下宽范围调节气流温度的冷热气流掺混装置，其特征在于，所述的冷热气流掺混装置的流量调节比大于等于5，流量调节比为允许使用的最大流量与允许使用的最小流量的比值。
5.根据权利要求1所述的低马赫数下宽范围调节气流温度的冷热气流掺混装置，其特征在于，所述的冷热气流掺混装置的冷气流量范围为34kg/s~115kg/s，冷热气流掺混后的气流总温范围为520K~1200K。
6.根据权利要求1所述的低马赫数下宽范围调节气流温度的冷热气流掺混装置，其特征在于，所述的高压冷气源的温度为300K，压力2MPa，通过减压阀实现0.6~1MPa范围供应压力调整。
7.根据权利要求1所述的低马赫数下宽范围调节气流温度的冷热气流掺混装置，其特征在于，所述的减压掺混段（102）的材料为304不锈钢。
8.根据权利要求1所述的低马赫数下宽范围调节气流温度的冷热气流掺混装置，其特征在于，单个的所述的冷气环形腔Ⅰ（103）的冷气分支管道（105）包括沿减压掺混段（102）的轴线方向的N组冷气分支管道（105），N≥1，每组冷气分支管道（105）包括沿减压掺混段（102）周向均匀分布的若干个冷气分支管道（105）。
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