CN118090126B - 用于高温风洞燃烧加热器的掺混降温装置及其设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于高温燃烧风洞试验技术领域，公开了一种用于高温风洞燃烧加热器的掺混降温装置及其设计方法。掺混降温装置包括减压喉道段、混气段和扩张段；设计方法将燃气气流通过减压喉道减压并在减压喉道处形成壅塞流动，经过减压喉道后发展至超音速时与高压冷空气进行混合、降温。高压冷空气通过掺混冷气输送管路进入一级冷气管道，在集气环形腔中分流，10%以下的高压冷空气通过冷却环缝供气孔依次进入冷却环缝、混气段，沿混气段内壁形成冷却气膜，余下90%以上的高压冷空气通过二级冷气管道进入混气段与燃气气流混合，再沿混气段壁面、一次扩张段壁面和二次扩张段壁面进入直管稳定段，满足模拟不同马赫数目标来流的冷气流量要求，经济性高。

Description

用于高温风洞燃烧加热器的掺混降温装置及其设计方法

技术领域

本发明属于高温燃烧风洞试验技术领域，具体涉及一种用于高温风洞燃烧加热器的掺混降温装置及其设计方法。

背景技术

高温燃烧风洞是一种利用燃气燃烧产生的高温气体模拟高速飞行环境的地面试验设备。高温燃烧风洞通常采用燃烧型空气加热器完成燃料以及空气、氧气的燃烧反应并形成高温高压主流，高温高压主流通过拉瓦尔喷管加速后喷出。

燃烧加热器是高温燃烧风洞中的关键设备，主要功能是通过点燃供应系统中的燃料、空气和氧气产生热量，从而提供风洞所需的高温环境。若风洞试验模拟的马赫数较低（马赫数3~马赫数5），所需的试验气体状态参数低于燃烧后的气体。如果采取加大通入燃烧加热器的供应系统中的空气比例的方式减小气体总温，会导致加热器点火困难，因此，需要在加热器后方设置掺混降温装置，在燃烧后的高温高压主流中掺入冷气，降低混合气体的总温，达到低马赫数风洞试验所需的气体状态。

目前，采用的冷气掺混方案是：在风洞燃烧器后减压段和风洞主喷管前的稳定段之间设置混气段，混气段设置有与外部高压冷气源连通的冷气气流通道，冷气气流通道与高温高压主流相通，冷气气流与高温高压主流混合，混合后的气流再经过稳定段和拉瓦尔喷管进入试验段。

但是，现有的混气段在针对不同流量的掺混冷气时可调节的范围不大，改变风洞运行工况时需要加工并更换不同喷注面积的喷注面板，提高了设备成本同时，频繁拆装降低了试验效率并增大了设备维修成本。此外，在大流量冷气掺混的工况中由于掺混冷气流量往往大于主流气体流量，混气时产生的较大扰动将持续影响至下游，对风洞流场均匀性产生较大的影响。

为了改善上述情况，当前，亟需发展一种用于高温风洞燃烧加热器的掺混降温装置及其设计方法。

发明内容

本发明所要解决的一个技术问题是提供一种用于高温风洞燃烧加热器的掺混降温装置，本发明所要解决的另一个技术问题是提供一种用于高温风洞燃烧加热器的掺混降温装置的设计方法，用以克服现有技术的缺陷。

本实施例的用于高温风洞燃烧加热器的掺混降温装置，使用的高温燃烧风洞包括从前至后顺序连接的风洞燃烧室、减压喉道段、混气段、扩张段、直管稳定段和风洞主喷管，其特点是，所述的掺混降温装置位于风洞燃烧室和直管稳定段之间，包括减压喉道段、混气段和扩张段；

减压喉道段为双层结构，内层为减压喉道段内壁，外层为减压喉道段外壁，减压喉道段外壁内设置减压喉道冷却水流道；减压喉道段的前端与风洞燃烧室出口相连，燃气气流通过减压喉道段减压并在减压喉道段处形成壅塞流动；

混气段为混气段壁面单层结构，混气段壁面的内壁与减压喉道段内壁平滑过渡；混气段壁面的入口与减压喉道段出口衔接，接触端面设置有圆形凹槽，圆形凹槽形成冷气环缝；以高温燃烧风洞的中心轴线为中心线，混气段壁面内设置有集气环形腔，集气环形腔与冷气环缝之间通过沿周向均匀分布的冷却环缝供气孔连通；在集气环形腔的外侧，沿燃气气流的流动方向，从前至后开有若干个一级冷气管道，各一级冷气管道的中心轴线垂直于高温燃烧风洞的中心轴线，一级冷气管道外接掺混冷气输送管路；在集气环形腔的内侧，沿燃气气流的流动方向，从前至后开有若干组二级冷气通道，每组二级冷气通道包括沿周向均匀分布的若干个二级冷气管道，各二级冷气管道的中心轴线垂直于高温燃烧风洞的中心轴线，相邻两组二级冷气通道中的二级冷气管道交错排列；

扩张段为单层结构，从前至后依次为一次扩张段壁面和二次扩张段壁面，一次扩张段壁面的内壁与混气段壁面的内壁平滑过渡，两者扩张角相同，定义一次扩张段壁面的扩张角为一次扩张角；二次扩张段壁面的内壁与一次扩张段壁面的内壁平滑过渡，定义二次扩张段壁面的扩张角为二次扩张角，二次扩张角大于一次扩张角；二次扩张段壁面的后端与直管稳定段入口的直管稳定段壁面相连；

高压冷气源的高压冷空气通过掺混冷气输送管路进入一级冷气管道，在集气环形腔中分流，10%以下的高压冷空气通过冷却环缝供气孔进入冷却环缝，再进入混气段，沿混气段内壁形成冷却气膜，余下90%以上的高压冷空气通过二级冷气管道进入混气段与燃气气流混合，降温后的混合气流依次沿混气段壁面、一次扩张段壁面和二次扩张段壁面进入直管稳定段；

高压冷气源的压力范围为3MPa~7MPa。

本发明的用于高温风洞燃烧加热器的掺混降温装置的设计方法，包括以下步骤：

S1.根据风洞燃烧室的管路尺寸确定减压喉道段入口尺寸，两者相同，同时，通过风洞燃烧室腔内压力范围确定减压喉道段的喉道内径；

S2.确定减压喉道段的出口尺寸和二级冷气管道的起始位置；

通过以下公式确定减压喉道段的出口尺寸，即混气段的入口尺寸

；

其中：

——混气段的入口截面面积，m²；

——减压喉道段的喉道截面面积，m²；

——燃气气流进入混气段入口时的马赫数；

——燃气气流的气体比热比；

二级冷气管道的起始位置在混气段内马赫数为1.7~2.3的位置；

S3.根据减压喉道段内壁的出口型面扩张角确定混气段内壁的扩张角角度，使得混气段壁面的内壁与减压喉道段内壁相切；

S4.根据混气段壁面的长度L1确定一次扩张段壁面的长度L2，取L1：L2=（0.8~1.2）：1，在混气过程充分发展的同时短化掺混降温装置总长；

S5.根据直管稳定段内径D确定直管稳定段长度L，取L：D=（1.8~2.2）：1；

S6.根据掺混降温装置总长以及直管稳定段长度L确定二次扩张段壁面的二次扩张角，为保证燃气气流进入直管稳定段时不施加过大的扰动，一次扩张角和二次扩张角之和小于90°；

S7.根据混气段的燃气气流与冷空气的混合气体的总温降低要求，确定二级冷气管道的孔径及数量；

S8.根据一次扩张角确定二级冷气管道的分布状态和数量，要求从前至后每组二级冷气通道中的二级冷气管道数量逐渐增加，各组二级冷气通道中的二级冷气管道交错排列，相邻各二级冷气管道间隔均匀，降低混气段内壁面的热负荷。

本发明的用于高温风洞燃烧加热器的掺混降温装置及其设计方法将二级冷气管道的起始位置即燃气气流与冷空气的混合位置确定在在混气段内马赫数为1.8~2.2的位置，使得混合位置处的直径较小，有利于燃气气流与冷空气的混合，而且混合位置距离减压喉道位置较远，使得混合位置处的直径不会过小，避免了燃气气流在减压喉道处出现不产生壅塞现象而影响前方燃烧室正常工作。

本发明的用于高温风洞燃烧加热器的掺混降温装置及其设计方法采用二级扩张的扩张方式完成扩张段与直管稳定段的衔接，一次扩张角选取较小角度，使得混合位置处的直径较小，有利于射流混合，二次扩张角选取较大角度，有利于缩短掺混降温装置的总长，降低建设成本。

本发明的用于高温风洞燃烧加热器的掺混降温装置及其设计方法中的二级冷气管道交错排列，相邻各二级冷气管道间隔均匀，避免了采用同列排布形式造成的相邻二级冷气管道之间的间隙热载荷较大的缺陷，再结合冷却环缝形成冷却气膜，降低了混气段内壁面的热负荷。

本发明的用于高温风洞燃烧加热器的掺混降温装置及其设计方法采用了集气环形腔二次分配高压冷空气，通过一次供气实现了二级冷气管道以及冷却环缝的气流供应。

本发明的用于高温风洞燃烧加热器的掺混降温装置及其设计方法基于大流量掺混冷气进行设计，亦能满足小流量的掺混冷气工况，能够满足模拟不同马赫数目标来流的冷气流量要求，适应性强，经济性高。

附图说明

图1为高温燃烧风洞的风洞燃烧室至风洞主喷管的结构示意图；

图2为本发明的用于高温风洞燃烧加热器的掺混降温装置剖视图；

图3为本发明的用于高温风洞燃烧加热器的掺混降温装置中的混气段局部剖视图；

101.风洞燃烧室；102.减压喉道段；103.混气段；104.扩张段；105.直管稳定段；106.风洞主喷管；201.减压喉道冷却水流道；202.减压喉道段内壁；203.减压喉道段外壁；204.冷却环缝；205.冷却环缝供气孔；206.二级冷气管道；207.一级冷气管道；208.集气环形腔；209.混气段壁面；210.一次扩张段壁面；211.二次扩张段壁面；212.直管稳定段壁面。

具体实施方式

为使本申请的技术方案及其优点更加清楚，下面将结合附图对本申请的技术方案作进一步清楚、完整的详细描述，可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅是本申请的部分实施例，其仅用于解释本申请，而非对本申请的限定。需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本申请相关的部分，其他相关部分可参考通常设计，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的技术特征可以相互组合以得到新的实施例。

实施例1：如图1所示，本实施例的用于高温风洞燃烧加热器的掺混降温装置，使用的高温燃烧风洞包括从前至后顺序连接的风洞燃烧室101、减压喉道段102、混气段103、扩张段104、直管稳定段105和风洞主喷管106，掺混降温装置位于风洞燃烧室101和直管稳定段105之间，包括减压喉道段102、混气段103和扩张段104；

如图2、图3所示，减压喉道段102为双层结构，内层为减压喉道段内壁202，外层为减压喉道段外壁203，减压喉道段外壁203内设置减压喉道冷却水流道201；减压喉道段102的前端与风洞燃烧室101出口相连，燃气气流通过减压喉道段102减压并在减压喉道段102处形成壅塞流动；

混气段103为混气段壁面209单层结构，混气段壁面209的内壁与减压喉道段内壁202平滑过渡；混气段壁面209的入口与减压喉道段102出口衔接，接触端面设置有圆形凹槽，圆形凹槽形成冷气环缝204；以高温燃烧风洞的中心轴线为中心线，混气段壁面209内设置有集气环形腔208，集气环形腔208与冷气环缝204之间通过沿周向均匀分布的冷却环缝供气孔205连通；在集气环形腔208的外侧，沿燃气气流的流动方向，从前至后开有若干个一级冷气管道207，各一级冷气管道207的中心轴线垂直于高温燃烧风洞的中心轴线，一级冷气管道207外接掺混冷气输送管路；在集气环形腔208的内侧，沿燃气气流的流动方向，从前至后开有若干组二级冷气通道，每组二级冷气通道包括沿周向均匀分布的若干个二级冷气管道206，各二级冷气管道206的中心轴线垂直于高温燃烧风洞的中心轴线，相邻两组二级冷气通道中的二级冷气管道206交错排列；

扩张段104为单层结构，从前至后依次为一次扩张段壁面210和二次扩张段壁面211，一次扩张段壁面210的内壁与混气段壁面209的内壁平滑过渡，两者扩张角相同，定义一次扩张段壁面210的扩张角为一次扩张角；二次扩张段壁面211的内壁与一次扩张段壁面210的内壁平滑过渡，定义二次扩张段壁面211的扩张角为二次扩张角，二次扩张角大于一次扩张角；二次扩张段壁面211的后端与直管稳定段105入口的直管稳定段壁面212相连；

高压冷气源的高压冷空气通过掺混冷气输送管路进入一级冷气管道207，在集气环形腔208中分流，10%以下的高压冷空气通过冷却环缝供气孔205进入冷却环缝204，再进入混气段103，沿混气段103内壁形成冷却气膜，余下90%以上的高压冷空气通过二级冷气管道206进入混气段103与燃气气流混合，降温后的混合气流依次沿混气段壁面209、一次扩张段壁面210和二次扩张段壁面211进入直管稳定段105；

高压冷气源的压力范围为3MPa~7MPa。

本发明的用于高温风洞燃烧加热器的掺混降温装置的设计方法，包括以下步骤：

S1.根据风洞燃烧室101的管路尺寸确定减压喉道段102入口尺寸，两者相同，同时，通过风洞燃烧室101腔内压力范围确定减压喉道段102的喉道内径；

S2.确定减压喉道段102的出口尺寸和二级冷气管道206的起始位置；

通过以下公式确定减压喉道段102的出口尺寸，即混气段103的入口尺寸

；

其中：

——混气段103的入口截面面积，m²；

——减压喉道段102的喉道截面面积，m²；

——燃气气流进入混气段103入口时的马赫数；

——燃气气流的气体比热比；

二级冷气管道206的起始位置在混气段103内马赫数为1.7~2.3的位置；

S3.根据减压喉道段102内壁的出口型面扩张角确定混气段103内壁的扩张角角度，使得混气段壁面209的内壁与减压喉道段内壁202相切；

S4.根据混气段壁面209的长度L1确定一次扩张段壁面210的长度L2，取L1：L2=0.8~1.2：1，在混气过程充分发展的同时短化掺混降温装置总长；

S5.根据直管稳定段105内径D确定直管稳定段105长度L，取L：D=1.8~2.2：1；

S6.根据掺混降温装置总长以及直管稳定段105长度L确定二次扩张段壁面211的二次扩张角，为保证燃气气流进入直管稳定段105时不施加过大的扰动，一次扩张角和二次扩张角之和小于90°；

S7.根据混气段103的燃气气流与冷空气的混合气体的总温降低要求，确定二级冷气管道206的孔径及数量；

S8.根据一次扩张角确定二级冷气管道206的分布状态和数量，要求从前至后每组二级冷气通道中的二级冷气管道206数量逐渐增加，各组二级冷气通道中的二级冷气管道206交错排列，相邻各二级冷气管道206间隔均匀，降低混气段103内壁面的热负荷。

Claims (2)

1.一种用于高温风洞燃烧加热器的掺混降温装置，使用的高温燃烧风洞包括从前至后顺序连接的风洞燃烧室（101）、减压喉道段（102）、混气段（103）、扩张段（104）、直管稳定段（105）和风洞主喷管（106），其特征在于，所述的掺混降温装置位于风洞燃烧室（101）和直管稳定段（105）之间，包括减压喉道段（102）、混气段（103）和扩张段（104）；

减压喉道段（102）为双层结构，内层为减压喉道段内壁（202），外层为减压喉道段外壁（203），减压喉道段外壁（203）内设置减压喉道冷却水流道（201）；减压喉道段（102）的前端与风洞燃烧室（101）出口相连，燃气气流通过减压喉道段（102）减压并在减压喉道段（102）处形成壅塞流动；

混气段（103）为混气段壁面（209）单层结构，混气段壁面（209）的内壁与减压喉道段内壁（202）平滑过渡；混气段壁面（209）的入口与减压喉道段（102）出口衔接，接触端面设置有圆形凹槽，圆形凹槽形成冷气环缝（204）；以高温燃烧风洞的中心轴线为中心线，混气段壁面（209）内设置有集气环形腔（208），集气环形腔（208）与冷气环缝（204）之间通过沿周向均匀分布的冷却环缝供气孔（205）连通；在集气环形腔（208）的外侧，沿燃气气流的流动方向，从前至后开有若干个一级冷气管道（207），各一级冷气管道（207）的中心轴线垂直于高温燃烧风洞的中心轴线，一级冷气管道（207）外接掺混冷气输送管路；在集气环形腔（208）的内侧，沿燃气气流的流动方向，从前至后开有若干组二级冷气通道，每组二级冷气通道包括沿周向均匀分布的若干个二级冷气管道（206），各二级冷气管道（206）的中心轴线垂直于高温燃烧风洞的中心轴线，相邻两组二级冷气通道中的二级冷气管道（206）交错排列；

扩张段（104）为单层结构，从前至后依次为一次扩张段壁面（210）和二次扩张段壁面（211），一次扩张段壁面（210）的内壁与混气段壁面（209）的内壁平滑过渡，两者扩张角相同，定义一次扩张段壁面（210）的扩张角为一次扩张角；二次扩张段壁面（211）的内壁与一次扩张段壁面（210）的内壁平滑过渡，定义二次扩张段壁面（211）的扩张角为二次扩张角，二次扩张角大于一次扩张角；二次扩张段壁面（211）的后端与直管稳定段（105）入口的直管稳定段壁面（212）相连；

高压冷气源的高压冷空气通过掺混冷气输送管路进入一级冷气管道（207），在集气环形腔（208）中分流，10%以下的高压冷空气通过冷却环缝供气孔（205）进入冷却环缝（204），再进入混气段（103），沿混气段（103）内壁形成冷却气膜，余下90%以上的高压冷空气通过二级冷气管道（206）进入混气段（103）与燃气气流混合，降温后的混合气流依次沿混气段壁面（209）、一次扩张段壁面（210）和二次扩张段壁面（211）进入直管稳定段（105）；

高压冷气源的压力范围为3MPa~7MPa。

2.一种用于高温风洞燃烧加热器的掺混降温装置的设计方法，其用于权利要求1所述的用于高温风洞燃烧加热器的掺混降温装置，其特征在于，包括以下步骤：

S1.根据风洞燃烧室（101）的管路尺寸确定减压喉道段（102）入口尺寸，两者相同，同时，通过风洞燃烧室（101）腔内压力范围确定减压喉道段（102）的喉道内径；

S2.确定减压喉道段（102）的出口尺寸和二级冷气管道（206）的起始位置；

通过以下公式确定减压喉道段（102）的出口尺寸，即混气段（103）的入口尺寸

；

其中：

——混气段（103）的入口截面面积，m²；

——减压喉道段（102）的喉道截面面积，m²；

——燃气气流进入混气段（103）入口时的马赫数；

——燃气气流的气体比热比；

二级冷气管道（206）的起始位置在混气段（103）内马赫数为1.7~2.3的位置；

S3.根据减压喉道段（102）内壁的出口型面扩张角确定混气段（103）内壁的扩张角角度，使得混气段壁面（209）的内壁与减压喉道段内壁（202）相切；

S4.根据混气段壁面（209）的长度L1确定一次扩张段壁面（210）的长度L2，取L1：L2=（0.8~1.2）：1，在混气过程充分发展的同时短化掺混降温装置总长；

S5.根据直管稳定段（105）内径D确定直管稳定段（105）长度L，取L：D=（1.8~2.2）：1；

S6.根据掺混降温装置总长以及直管稳定段（105）长度L确定二次扩张段壁面（211）的二次扩张角，为保证燃气气流进入直管稳定段（105）时不施加过大的扰动，一次扩张角和二次扩张角之和小于90°；

S7.根据混气段（103）的燃气气流与冷空气的混合气体的总温降低要求，确定二级冷气管道（206）的孔径及数量；

S8.根据一次扩张角确定二级冷气管道（206）的分布状态和数量，要求从前至后每组二级冷气通道中的二级冷气管道（206）数量逐渐增加，各组二级冷气通道中的二级冷气管道（206）交错排列，相邻各二级冷气管道（206）间隔均匀，降低混气段（103）内壁面的热负荷。