CN118008917A - 一种管风洞驱动活塞控制装置及方法 - Google Patents
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Abstract
一种管风洞驱动活塞控制装置及方法，属于高马赫数试验技术领域。本发明包括高压驱动源、气体压力调节阀、前级驱动活塞、驱动液体容腔、驱动液体通道、驱动液体通断阀、单向气体排空阀、后级驱动活塞、管风洞驱动段、膜片和管风洞运行段，驱动液体容腔内滑动设置有前级驱动活塞，前级驱动活塞将驱动液体容腔分为两个独立的上腔室和下腔室，所述后级驱动活塞滑动安装于管风洞驱动段内，后级驱动活塞将管风洞驱动段分为两个独立的前腔室和后腔室。本发明研发目的是为了解决现有管风洞中活塞运动过程由初始参数条件唯一确定，活塞在运动过程中不可控的问题，本发明在管风洞运行工况多变的同时，保证了流场的品质同时，实现对活塞运动过程的精准控制。
Description
技术领域
本发明涉及一种管风洞驱动活塞控制装置及方法，属于高马赫数试验技术领域。
背景技术
管风洞作为一种特殊的脉冲设备，洞体包括一根长的等直径管子，其一端密封、另一端装有膜片或快速阀，洞体下游依次连接喷管、试验段和真空罐。由于结构简单、参数调节方便、流场品质高等优点，已在亚/跨/超声速领域得到了发展和应用，近年来在超声速及高超声速领域也得到了发展，体现出了在宽速域范围内的应用潜力。
由于脉冲型风洞独特的运行方式，对加热形式有诸多限制，为了防止影响流场均匀度和有效运行时间，要求不能干扰运行过程中管体内部的非定常波系结构。目前，高马赫数运行条件下的管风洞多采用管外加热的形式提升管内试验气体温度。管外加热技术是将高温加热件直接与驱动段管体外表面接触，并在加热件外表面包裹保温层，先对管体升温进而加热内部气体。由于固体的热容远大于气体，因此加热过程中绝大部分能量是被管体所吸收，故而很难将管内气体加热到1000K以上。
由于受到加热能力的限制，管风洞在高马赫数运行条件下多为“欠温运行”，气体加温能力仅能防止试验段气体出现冷凝，并不能复现实际飞行环境。为了提高管风洞在高马赫数条件下的运行总温，现有技术公开了一种宽马赫数高焓管风洞驱动管体，公开号为CN 108051176 A，其提出了一种采用管外预加热与一级慢活塞绝热压缩叠加的新型驱动技术，可以实现1750K运行总温。进一步，现有技术公开了一种超高温风洞驱动系统及其使用方法，公开号为CN 112595485 A，其提出了一种两级活塞驱动的方案，可使运行总温进一步提高。
综上所述，将活塞压缩引入管风洞驱动，无疑是对管风洞性能的极大提升。但是，管风洞中所采用的活塞压缩形式不同于自由活塞激波风洞中活塞运动，需严格避免在运行中出现任何强的激波压缩，这就对活塞的运行过程有严格的控制要求。
目前，管风洞中活塞运动过程完成由其两端面之间的压差力决定，更确切的说，当管风洞结构尺寸确定后，活塞运行过程由其初始参数条件唯一确定，活塞在运动过程中不可控，而通常情况初始参数条件又是由管风洞运行工况确定的，无法实现对活塞运动的调节控制。因此，如何在管风洞运行工况多变的同时，为了保证流场的品质，也能实现对活塞运动过程的精准控制，成为进一步提高管风洞性能的研究重点。
因此，亟需提出一种新型的管风洞驱动活塞控制装置及方法，以解决上述技术问题。
发明内容
本发明研发目的是为了解决现有管风洞中活塞运动过程由初始参数条件唯一确定，活塞在运动过程中不可控的问题，在下文中给出了关于本发明的简要概述，以便提供关于本发明的某些方面的基本理解。应当理解，这个概述并不是关于本发明的穷举性概述。它并不是意图确定本发明的关键或重要部分，也不是意图限定本发明的范围。
本发明的技术方案：
方案一、一种管风洞驱动活塞控制装置，包括高压驱动源、气体压力调节阀、前级驱动活塞、驱动液体容腔、驱动液体通道、驱动液体通断阀、单向气体排空阀、后级驱动活塞、管风洞驱动段、膜片和管风洞运行段，驱动液体容腔内滑动设置有前级驱动活塞，前级驱动活塞将驱动液体容腔分为两个独立的上腔室和下腔室，所述后级驱动活塞滑动安装于管风洞驱动段内，后级驱动活塞将管风洞驱动段分为两个独立的前腔室和后腔室；
驱动液体容腔的上腔室与高压驱动源的出气管连接，出气管上设置有气体压力调节阀，驱动液体容腔的下腔室与驱动液体通道的一端连通，驱动液体通道的另一端与管风洞驱动段的前腔室连通，驱动液体通道上设置有驱动液体通断阀，驱动液体通道上还设置有排空管，排空管位于驱动液体通断阀和管风洞驱动段之间，排空管上设置有单向气体排空阀，管风洞驱动段的后腔室通过膜片与管风洞运行段连通。
优选的：所述驱动液体容腔的下腔室、驱动液体通道以及管风洞驱动段的前腔室内均盛有驱动液体。
优选的：所述前级驱动活塞在驱动液体容腔内竖直滑动设置。
优选的：所述后级驱动活塞在管风洞驱动段内水平滑动设置。
优选的：所述驱动液体通道为直管或弯曲管。
方案二、一种管风洞驱动活塞控制方法，包括以下步骤：
S1，试验开始前，气体压力调节阀和驱动液体通断阀均处于关闭状态，单向气体排空阀处于开启状态，与大气环境直接相连；
S2，按风洞运行工况设置安装膜片，并分别向管风洞驱动段与管风洞运行段充入与运行状态匹配的相应压力的气体；
S3，在管风洞驱动段内气体压力的作用下，后级驱动活塞向管风洞驱动段的前腔室一侧运动，直至管风洞驱动段的前端，与此同时后级驱动活塞前端的气体介质通过单向气体排空阀排空，而后关闭单向气体排空阀；
S4，当管风洞运行段中气体介质达到工况要求后，膜片破裂，进入到后级驱动活塞压缩过程；
S5，依次开启驱动液体通断阀以及气体压力调节阀，前级驱动活塞在高压驱动源输出的高压气体的作用下向驱动液体容腔的下腔室方向运动，驱动液体在压差的作用下通过驱动液体通道，挤压后级驱动活塞，进入到管风洞驱动段；
S6，挤压后级驱动活塞的运动位移决定于进入到管风洞驱动段中的驱动液体体积，通过控制驱动液体进入的流量来控制后级驱动活塞的运动过程及运动位移，通过控制气体压力调节阀的开度实现对后级驱动活塞的全过程控制。
优选的：所述的步骤S6，即调节气体压力调节阀开度，驱动液体在压差的作用下通过驱动液体通道，挤压后级驱动活塞，后级驱动活塞的运动位移与进入到管风洞驱动段（9）中的驱动液体体积相互关联，故后级驱动活塞运动位移由以下关系式确定：
所述后级驱动活塞的后腔室内压力由以下公式确定：
公式（6.1）
其中，为试验介质的比热比，为管风洞驱动段与管风洞运行段的总容积，为管风洞驱动段与管风洞运行段的初始压力，即指膜片破裂后，后级驱动活塞压缩开始前，管风洞驱动段与管风洞运行段内平衡时的压力；为管风洞驱动段与管风洞运行段内的压力变化量，为后级驱动活塞压缩过程中管风洞驱动段内容积变化，与流入的驱动液体体积相等，即有以下公式：
公式（6.2）
公式（6.3）
其中，为t时刻管风洞驱动段与管风洞运行段内的压力，为t时刻驱动液体通道内液体的流速，为驱动液体通道流通面积，为后级驱动活塞压缩过程的时间；
根据不可压缩流体流动的伯努利方程，有以下公式：
公式（6.4）
其中，为驱动液体的密度，为t时刻前级驱动活塞前端面的气体压力，为前级驱动活塞质量，为重力加速度，为前级驱动活塞的截面面积，公式（6.4）化简为以下公式：
公式（6.5）
结合公式（6.1）-公式（6.5），得出以下公式：
公式（6.6）
对公式（6.6）进行积分计算，在任意t时刻有以下公式：
公式（6.7）
由公式（6.7）看出，管风洞驱动段与管风洞运行段内的过程压力与前级驱动活塞前端面的气体压力相关联，给定的变化过程曲线，通过公式得到前级驱动活塞前端面的气体压力随时间的变化关系，从而控制气体压力调节阀的开度，实现对后级驱动活塞的全过程控制。
本发明具有以下有益效果：
1.本发明在管风洞运行工况多变的情况下，保证了流场的品质，同时实现对活塞运动过程的精准控制；
2.本发明采用液体为驱动介质，在驱动液体通道内不存在强压缩波，整个过程更具平稳性，驱动液体通道也可以采用弯曲形式，在保证有效运行时间的同时可缩短管体占地长度；
3.本发明的一种管风洞驱动活塞控制装置可直接在现有管风洞的上游驱动上进行改进，没有复杂的作动控制机构，大大降低了试验成本，在工程实际应用中具有可操作性，实用性更强。
4.本发明的一种管风洞驱动活塞控制方法使阀的开度时刻保证压力得到满足，从而达到通过控制气体压力调节阀的开度，实现对后级驱动活塞的全过程控制的效果，活塞在运动过程中可控。
附图说明
图1是一种管风洞驱动活塞控制装置的结构示意图。
图中：1-高压驱动源，2-气体压力调节阀，3-前级驱动活塞，4-驱动液体容腔，5-驱动液体通道，6-驱动液体通断阀，7-单向气体排空阀，8-后级驱动活塞，9-管风洞驱动段，10-膜片，11-管风洞运行段。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面通过附图中示出的具体实施例来描述本发明。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
本发明所提到的连接分为固定连接和可拆卸连接，所述固定连接即为不可拆卸连接包括但不限于折边连接、铆钉连接、粘结连接和焊接连接等常规固定连接方式，所述可拆卸连接包括但不限于螺纹连接、卡扣连接、销钉连接和铰链连接等常规拆卸方式，未明确限定具体连接方式时，默认为总能在现有连接方式中找到至少一种连接方式能够实现该功能，本领域技术人员可根据需要自行选择。例如：固定连接选择焊接连接，可拆卸连接选择铰链连接。
具体实施方式一：结合图1说明本实施方式，本实施方式的一种管风洞驱动活塞控制装置，包括高压驱动源1、气体压力调节阀2、前级驱动活塞3、驱动液体容腔4、驱动液体通道5、驱动液体通断阀6、单向气体排空阀7、后级驱动活塞8、管风洞驱动段9、膜片10和管风洞运行段11，驱动液体容腔4内滑动设置有前级驱动活塞3，前级驱动活塞3将驱动液体容腔4分为两个独立的上腔室和下腔室，所述后级驱动活塞8滑动安装于管风洞驱动段9内，后级驱动活塞8将管风洞驱动段9分为两个独立的前腔室和后腔室；
驱动液体容腔4的上腔室与高压驱动源1的出气管连接，出气管上设置有气体压力调节阀2，驱动液体容腔4的下腔室与驱动液体通道5的一端连通，驱动液体通道5的另一端与管风洞驱动段9的前腔室连通，驱动液体通道5上设置有驱动液体通断阀6，驱动液体通道5上还设置有排空管，排空管位于驱动液体通断阀6和管风洞驱动段9之间，排空管上设置有单向气体排空阀7，管风洞驱动段9的后腔室通过膜片10与管风洞运行段11连通，即管风洞驱动段9与管风洞运行段11通过膜片10隔离。
所述驱动液体容腔4的下腔室、驱动液体通道5以及管风洞驱动段9的前腔室内均盛有驱动液体。所述驱动液体一般为水，也可采用油等常规通用介质。
所述前级驱动活塞3在驱动液体容腔4内竖直滑动设置。所述后级驱动活塞8在管风洞驱动段9内水平滑动设置。
具体实施方式二：结合图1说明本实施方式，本实施方式的一种管风洞驱动活塞控制装置，是依托于具体实施方式一所述的一种管风洞驱动活塞控制方法实现的，包括以下步骤：
S1，试验开始前，气体压力调节阀2和驱动液体通断阀6均处于关闭状态，单向气体排空阀7处于开启状态，与大气环境直接相连；
S2，按风洞运行工况设置安装膜片10，并分别向管风洞驱动段9与管风洞运行段11充入与运行状态匹配的相应压力的气体；
S3，在管风洞驱动段9内气体压力的作用下，后级驱动活塞8向管风洞驱动段9的前腔室一侧运动，直至管风洞驱动段9的前端，与此同时后级驱动活塞8前端的气体介质通过单向气体排空阀7排空，而后关闭单向气体排空阀7；
S4，当管风洞运行段11中气体介质达到工况要求后，膜片10破裂，进入到后级驱动活塞8压缩过程；
S5，依次开启驱动液体通断阀6以及气体压力调节阀2，前级驱动活塞3在高压驱动源1输出的高压气体的作用下向驱动液体容腔4的下腔室方向运动，驱动液体在压差的作用下通过驱动液体通道5，挤压后级驱动活塞8，进入到管风洞驱动段9；
S6，挤压后级驱动活塞8的运动位移决定于进入到管风洞驱动段9中的驱动液体体积，通过控制驱动液体进入的流量来控制后级驱动活塞8的运动过程及运动位移，通过控制气体压力调节阀2的开度实现对后级驱动活塞8的全过程控制。
所述的步骤S6，即调节气体压力调节阀2开度，驱动液体在压差的作用下通过驱动液体通道5，挤压后级驱动活塞8，后级驱动活塞8的运动位移与进入到管风洞驱动段9中的驱动液体体积相互关联，故后级驱动活塞8运动位移由以下关系式确定：
所述后级驱动活塞8的后腔室内压力，即试验段气体总压可由以下公式确定：
公式（6.1）
其中，为试验介质的比热比，为管风洞驱动段9与管风洞运行段11的总容积，为管风洞驱动段9与管风洞运行段11的初始压力，即指膜片10破裂后，后级驱动活塞8压缩开始前，管风洞驱动段9与管风洞运行段11内平衡时的压力；为管风洞驱动段9与管风洞运行段11内的压力变化量，为后级驱动活塞8压缩过程中管风洞驱动段9内容积变化，与流入的驱动液体体积相等，即有以下公式：
公式（6.2）
公式（6.3）
其中，为t时刻管风洞驱动段9与管风洞运行段11内的压力，为t时刻驱动液体通道5内液体的流速，为驱动液体通道5流通面积，为后级驱动活塞8压缩过程的时间；
忽略驱动液体容腔4内驱动液体重量的影响，根据不可压缩流体流动的伯努利方程，有以下公式：
公式（6.4）
其中，为驱动液体的密度，为t时刻前级驱动活塞3前端面的气体压力，为前级驱动活塞3质量，为重力加速度，为前级驱动活塞3的截面面积，当前级驱动活塞3的质量可以忽略时，公式（6.4）化简为以下公式：
公式（6.5）
结合公式（6.1）-公式（6.5），得出以下公式：
公式（6.6）
对公式（6.6）进行积分计算，在任意t时刻有以下公式：
公式（6.7）
本实施方式主要是解决了在运行工况确定后，依然可以对后级驱动活塞8的运行过程进行控制，以及对后级驱动活塞8的运行过程的控制的问题，其实就是体现在对变化过程的控制。具体操作是：由公式（6.7）可以看出，管风洞驱动段9与管风洞运行段11内的过程压力与前级驱动活塞3前端面的气体压力相关联，给定的变化过程曲线，通过公式（6.7）得到前级驱动活塞3前端面的气体压力随时间的变化关系，从而控制气体压力调节阀2的开度实现对后级驱动活塞8的全过程控制。
需要说明的是，在以上实施例中，只要不矛盾的技术方案都能够进行排列组合，本领域技术人员能够根据排列组合的数学知识穷尽所有可能，因此本发明不再对排列组合后的技术方案进行一一说明，但应该理解为排列组合后的技术方案已经被本发明所公开。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种管风洞驱动活塞控制装置，其特征在于：包括高压驱动源（1）、气体压力调节阀（2）、前级驱动活塞（3）、驱动液体容腔（4）、驱动液体通道（5）、驱动液体通断阀（6）、单向气体排空阀（7）、后级驱动活塞（8）、管风洞驱动段（9）、膜片（10）和管风洞运行段（11），驱动液体容腔（4）内滑动设置有前级驱动活塞（3），前级驱动活塞（3）将驱动液体容腔（4）分为两个独立的上腔室和下腔室，所述后级驱动活塞（8）滑动安装于管风洞驱动段（9）内，后级驱动活塞（8）将管风洞驱动段（9）分为两个独立的前腔室和后腔室；
驱动液体容腔（4）的上腔室与高压驱动源（1）的出气管连接，出气管上设置有气体压力调节阀（2），驱动液体容腔（4）的下腔室与驱动液体通道（5）的一端连通，驱动液体通道（5）的另一端与管风洞驱动段（9）的前腔室连通，驱动液体通道（5）上设置有驱动液体通断阀（6），驱动液体通道（5）上还设置有排空管，排空管位于驱动液体通断阀（6）和管风洞驱动段（9）之间，排空管上设置有单向气体排空阀（7），管风洞驱动段（9）的后腔室通过膜片（10）与管风洞运行段（11）连通。
2.根据权利要求1所述的一种管风洞驱动活塞控制装置，其特征在于：所述驱动液体容腔（4）的下腔室、驱动液体通道（5）以及管风洞驱动段（9）的前腔室内均盛有驱动液体。
3.根据权利要求2所述的一种管风洞驱动活塞控制装置，其特征在于：所述前级驱动活塞（3）在驱动液体容腔（4）内竖直滑动设置。
4.根据权利要求3所述的一种管风洞驱动活塞控制装置，其特征在于：所述后级驱动活塞（8）在管风洞驱动段（9）内水平滑动设置。
5.根据权利要求1所述的一种管风洞驱动活塞控制装置，其特征在于：所述驱动液体通道（5）为直管或弯曲管。
6.一种管风洞驱动活塞控制方法，是基于权利要求4所述的一种管风洞驱动活塞控制装置实现的，其特征在于，包括以下步骤：
S1，试验开始前，气体压力调节阀（2）和驱动液体通断阀（6）均处于关闭状态，单向气体排空阀（7）处于开启状态，与大气环境直接相连；
S2，按风洞运行工况设置安装膜片（10），并分别向管风洞驱动段（9）与管风洞运行段（11）充入与运行状态匹配的相应压力的气体；
S3，在管风洞驱动段（9）内气体压力的作用下，后级驱动活塞（8）向管风洞驱动段（9）的前腔室一侧运动，直至管风洞驱动段（9）的前端，与此同时后级驱动活塞（8）前端的气体介质通过单向气体排空阀（7）排空，而后关闭单向气体排空阀（7）；
S4，当管风洞运行段（11）中气体介质达到工况要求后，膜片（10）破裂，进入到后级驱动活塞（8）压缩过程；
S5，依次开启驱动液体通断阀（6）以及气体压力调节阀（2），前级驱动活塞（3）在高压驱动源（1）输出的高压气体的作用下向驱动液体容腔（4）的下腔室方向运动，驱动液体在压差的作用下通过驱动液体通道（5）挤压后级驱动活塞（8），进入到管风洞驱动段（9）；
S6，通过控制气体压力调节阀（2）的开度实现对后级驱动活塞（8）的全过程控制。
7.根据权利要求6所述的一种管风洞驱动活塞控制方法，其特征在于：所述的步骤S6，即调节气体压力调节阀（2）开度，驱动液体在压差的作用下通过驱动液体通道（5），挤压后级驱动活塞（8），后级驱动活塞（8）的运动位移与进入到管风洞驱动段（9）中的驱动液体体积相互关联，故后级驱动活塞（8）运动位移由以下关系式确定：
所述后级驱动活塞（8）的后腔室内压力由以下公式确定：
公式（6.1）
其中，为试验介质的比热比，为管风洞驱动段（9）与管风洞运行段（11）的总容积，为管风洞驱动段（9）与管风洞运行段（11）的初始压力，即指膜片（10）破裂后，后级驱动活塞（8）压缩开始前，管风洞驱动段（9）与管风洞运行段（11）内平衡时的压力；为管风洞驱动段（9）与管风洞运行段（11）内的压力变化量，为后级驱动活塞（8）压缩过程中管风洞驱动段（9）内容积变化，与流入的驱动液体体积相等，即有以下公式：
公式（6.2）
公式（6.3）
其中，为t时刻管风洞驱动段（9）与管风洞运行段（11）内的压力，为t时刻驱动液体通道（5）内液体的流速，为驱动液体通道（5）流通面积，为后级驱动活塞（8）压缩过程的时间；
根据不可压缩流体流动的伯努利方程，有以下公式：
公式（6.4）
其中，为驱动液体的密度，为t时刻前级驱动活塞（3）前端面的气体压力，为前级驱动活塞（3）质量，为重力加速度，为前级驱动活塞（3）的截面面积，公式（6.4）化简为以下公式：
公式（6.5）
结合公式（6.1）-公式（6.5），得出以下公式：
公式（6.6）
对公式（6.6）进行积分计算，在任意t时刻有以下公式：
公式（6.7）
由公式（6.7）看出，管风洞驱动段（9）与管风洞运行段（11）内的过程压力与前级驱动活塞（3）前端面的气体压力相关联，给定的变化过程曲线，通过公式（6.7）得到前级驱动活塞（3）前端面的气体压力随时间的变化关系，从而控制气体压力调节阀（2）的开度实现对后级驱动活塞（8）的全过程控制。
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