CN211576516U - 一种带砂尘模拟的火星风洞 - Google Patents

Abstract

本实用新型的目的在于提供一种带砂尘模拟的火星风洞，该风洞水平放置于真空容器内，包括收集器、稳定段、收缩段、试验段、引射器段、出口扩散段和引射器，并且还包括第一扩散段，试验段与第一扩散段连接，第一扩散段与引射器段连接，引射器段与扩散段连接，引射器段与扩散段之间为一段过渡的等直段，所述的引射器段的入口安装有引射器，所述的第一扩散段扩散角度不超过5°，所述的引射器段的入口截面面积大于试验段的出口截面面积。只需消耗较少的气量，就能在100Pa气压下,实现大跨度范围的风速5‑100m/s模拟，且试验段的流场均匀稳定，并能在此低气压下，模拟火星的砂尘环境。

Description

一种带砂尘模拟的火星风洞

技术领域

本实用新型涉及一种带砂尘模拟的火星风洞。

背景技术

风洞一般是用来研究飞机的气动性能及其相关设计，常规的风洞是为设计在地表大气层飞行的航空器而研制的。而火星风洞一种针对火星大气飞行环境而研制的试验模拟设备，有别于常规风洞，火星风洞能模拟火星表面的气体成分、大气压力、密度和流场环境等。火星大气层很薄，大气的主要成分为二氧化碳，大气密度大约相当于地球的1％(与地球表面30-40km高度处的密度相近)，火星表面平均气压只有600Pa，火星上的局部或区域沙尘暴可以在火星的不同季节和不同地方频繁地发生。由于火星表面与地球表面的大气环境存在较大差异，常规的大气环境风洞无法满足进一步模拟火星大气环境的需要。常规的直流式风洞通常采用电机或引射器作为驱动源，当采用电机作为驱动时，无法在低气压环境下形成火星模拟试验所需的风速，而当采用普通的引射器作为驱动时，被引射气流易在出口处形成饱和阻塞现象的影响，也无法实现低气压环境下的高风速模拟。另外，常规方式的砂尘模拟也难以在低气压环境下与风速保持较高的一致性，更难以保证试验段砂尘分布的均匀性。因此，为了满足深空探测与火星环境相关的实验研究的需要，有必要开展火星风洞的研究工作，需要一种能够模拟火星的砂尘环境的火星风洞。

实用新型内容

基于以上不足之处，本实用新型的目的在于提供一种带砂尘模拟的火星风洞，该风洞水平放置于低气压的真空容器内，只需消耗较少的气量，就能在100Pa 气压下,实现大跨度范围的风速5-100m/s模拟，且试验段的流场均匀稳定，并能在此低气压下，模拟火星的砂尘环境。

为实现上述目的，本实用新型采用以下技术方案予以实现：一种带砂尘模拟的火星风洞，该风洞水平放置于真空容器内，采用直流式风洞的结构，包括收集器、稳定段、收缩段、试验段、引射器段、出口扩散段和引射器，收集器与稳定段连接，稳定段与收缩段连接，收缩段与试验段连接，本风洞还包括第一扩散段，试验段与第一扩散段连接，第一扩散段与引射器段连接，引射器段与扩散段连接，引射器段与扩散段之间为一段过渡的等直段，所述的引射器段的入口安装有引射器，所述的第一扩散段以一定的角度扩散，扩散角度不超过5°，所述的引射器段的入口截面面积大于试验段的出口截面面积，面积比3倍以上。在试验段与引射器段设置第一扩散段，使引射器段与试验段形成高截面面积比，有助于提高引射器效率，避免低气压导致引射器的气流形成堵塞而导致的风速无法进一步提高的问题，进而提高了风洞的风速上限。

本实用新型还具有如下技术特征：

1、所述的收缩段的内部可拆卸连接有砂尘喷嘴，所述的砂尘喷嘴的高度与风洞中心线重合，采用逆气流方向布置，所述的砂尘喷嘴远离试验段的入口。

2、所述试验段的出口截面积大于入口截面积，试验段的入口为正方形，沿气流方向上下壁以一定角度扩散，试验段的出口为矩形，其宽度与试验段入口的宽度相同，但高度大于试验段的入口。通过改变在试验段的上下壁面设置一定的扩散角，使试验段的出口大于入口面积，能明显改善风洞试验段的边界层阻塞效应。

3、所述的引射器包括引射器腔室外壳、多根引射器喷管和引射器连接气管，所述的引射器腔室外壳环绕于引射器段外壁一圈，并与引射器段外壁密封连接形成密闭的引射器腔室，多根引射器喷管位于引射器腔室内并互相平行按一定间隔径向穿过引射器段，每根引射器喷管的首尾都分别与所述的引射器腔室连通，所述的引射器喷管上位于引射器段内的部分开有多个喇叭形小孔，所述的小孔采用方阵对称排列。

4、所述试验段其中的一个侧面设有试验段大门，试验段大门上开设观察窗，并设有机械手轮，试验段顶部也设有观察窗，测量风速的皮托管与测量砂尘浓度的粉尘浓度仪可拆卸安装于试验段的上壁。皮托管能同时测量风速，并能测量试验段的气体压力，试验段其中一侧设置的大门可以通过机械手轮实现快速开关，试验段的另一侧面的风洞洞壁上安装支撑和天平测力装置，可实现在试验时对试验件的夹持和测力。另外，通过试验段顶部和试验段大门上观察窗，能对试验全过程进行观察，或进行PIV(粒子图像测速法)等相关试验。

本实用新型的优点和有益效果：本风洞与传统的直流式风洞不同，不采用电机驱动，而采用引射器驱动，能保证在极低的环境气压下，在试验段形成大跨度的试验风速的同时，所消耗的气体流量很少。本风洞水平放置于低气压的真空容器内，通过对容器内的压力进行调节，模拟在100-1500Pa范围内的气压环境，能在此气压环境下实现5-100m/s的大跨度风速范围模拟，并且风速可连续调节，通过在收缩段内设置砂尘喷射装置，可实现低气压环境下一定风速下的1-100μ m砂尘粒径的砂尘模拟，其浓度范围可达0.1-1g/m³，并且浓度可连续调节，火星风洞的试验气体介质既可以是空气也可以是气态的二氧化碳。采用直流式风洞的结构形式，砂尘喷射不易形成回流，利用逆气流方式喷射沙尘，试验段内的砂尘分布均匀，且喷嘴不会对试验段的流场形成干扰。

附图说明

图1是一种带砂尘模拟的火星风洞主视图。

图2是一种带砂尘模拟的火星风洞左视图。

图3是图2中的A-A的剖面图。

图中：1、收集器，2、稳定段，3、收缩段，4、试验段，5、第一扩散段，6、引射器段，6-1、等直段，7、出口扩散段，8、引射器，8-1、引射器腔室外壳， 8-2、引射器腔室，9、引射器喷管，10、引射器连接气管，11、砂尘喷嘴，12、沙尘输送管路，13、连接螺栓，14、出口扩散段法兰，15、试验段大门，16、观察窗，17、连接法兰，18、机械手轮。

具体实施方式

下面结合附图举例对本实用新型作进一步说明。

实施例1

一种带砂尘模拟的火星风洞，该风洞水平放置于低气压的真空容器内，采用直流式风洞的结构形式，包括收集器1、稳定段2、收缩段3、试验段4、引射器段6、出口扩散段7和引射器8，收集器1为喇叭口形状，收集器1与稳定段2 的入口连接，稳定段2的截面为正方形，内部预留有一层蜂窝器及多层阻尼网的连接口，蜂窝器和阻尼网为选装件，可根据试验的需要选择安装，稳定段2的出口与收缩段3的入口通过法兰连接，收缩段3的出口与试验段4的入口通过法兰连接，本风洞并且还包括第一扩散段5，试验段4的出口与第一扩散段5的入口通过法兰连接，第一扩散段5的出口与引射器段6的入口通过法兰连接，引射器段6的出口与扩散段7的入口通过法兰连接，引射器段6与出口扩散段之间有一段过渡的等直段6-1，所述的引射器段6的入口安装有引射器，所述的第一扩散段5以一定的角度扩散，扩散角度不超过5°，所述的引射器段6的入口截面面积大于试验段4的出口截面面积，面积比3倍以上。试验时，该风洞位于一个真空容器内，该真空容器能为火星风洞提供试验所需的气压(100-1500Pa),试验的所需的气体通过引射器连接气管10进入到引射器腔室8-2内，再通过引射器喷管9上的小孔快速喷射出，该气体以迅速膨胀的形式形成了吸力，可以把风洞外部的气流从风洞入口吸入，经过试验段后，再从出口扩散段排出。

所述的收缩段3的内部可拆卸连接有砂尘喷嘴11，所述的砂尘喷嘴11的高度与风洞中心线重合，采用逆气流方向布置，所述的砂尘喷嘴远离试验段4的入口，砂尘喷嘴11既能逆向安装，也能正向安装。

所述试验段4其中的一个侧面设有试验段大门15，试验段大门15上开设观察窗16，并设有机械手轮18，试验段4的另一侧面的风洞洞壁上安装支撑和天平测力装置，试验段4顶部也设有观察窗16，测量风速的皮托管与测量砂尘浓度的粉尘浓度仪可拆卸安装于试验段4的上壁。

所述试验段的出口截面积大于试验段的入口截面积，试验段的入口为正方形，沿气流方向上下壁以微小的角度扩散，试验段的出口为矩形，其宽度与试验段入口的宽度相同，但高度大于试验段的入口。

所述的引射器8包括引射器腔室外壳8-1、多根引射器喷管9和引射器连接气管10，所述的引射器腔室外壳8-1环绕于引射器段6外壁一圈，并与引射器段外壁密封连接形成密闭的引射器腔室8-2，多根引射器喷管9位于引射器腔室8-2内并互相平行按一定间隔径向穿过引射器段6，每根引射器喷管9的首尾都分别与所述的引射器腔室8-2连通，引射器腔室8-2与引射器连接气管10连通，所述的引射器喷管9上位于引射器段6内的部分开有多个喉径狭小的喇叭形小孔，所述的小孔采用方阵对称排列。

实施例2

本实施例采用实施例1的结构，通过高精度调节阀调节进入到引射器腔室 8-2的供气流量，改变引射器的喷射流量，进而改变在试验段内的风速大小，9 根引射器喷管9等间距平行排列，每根喷管上开有9个喷射小孔，共81个小孔。

实施例3

本实施例采用实施例1的结构，当进行砂尘模拟试验时，采用压送式输送砂尘的方式，使较高压力的试验气体进入沙尘输送管路12与砂尘混合进行输送，通过文丘里喷射器，最终从收缩段的砂尘喷嘴11喷射出，为了使试验段4内的砂尘播散均匀，砂尘喷嘴11喷的出口结构采用多层交错形式，采用逆气流的喷射方向，这种方式还能使喷嘴远离试验段入口，提高试验段的流场品质。当不需要进行沙尘试验模拟时，可拆除砂尘喷嘴及其管路，同时拆除粉尘浓度仪，进一步提高试验段的流场品质。采用逆气流方式喷射进行吹砂试验时，需要试验段4 风速满足32.5m/s以上，当风速低于32.5m/s仍需要吹砂时，可采用正向安装砂尘喷嘴11的方式。

实施例4

本实施例采用实施例1的结构，为了使试验段4能在极低的气压下达到 100m/s以上的风速，所述引射器段6与试验段4之间，通过第一扩散段5连接，第一扩散段5的扩散角度约为4.6°，引射器段6的入口与试验段4的出口面积比达到4倍，能明显地提高引射器效率，避免低气压导致引射器的气流形成堵塞而导致的风速无法进一步提高的问题。引射器段6的引射器喷射出的气流与试验段4排出的气流混合后，经出口扩散段7排出，出口扩散段7的扩散角为5°。

实施例5

本实施例采用实施例1的结构，风洞的收缩比(稳定段2出口的截面积与试验段4入口的截面积之比)的选取为12，较高的收缩比能降低试验段4的纵向湍流影响。根据试验需要，对稳定段2内预留的蜂窝器及阻尼网进行选装，能进一步降低试验段4的湍流度。

试验段4入口截面尺寸宽210mm×高210mm，上下壁面扩散角0.5度，试验段4出口截面尺寸为宽210mm×高218mm，试验段4出口截面面积的增大，能改善风洞试验段4的边界层阻塞效应。

Claims (5)

1.一种带砂尘模拟的火星风洞，该风洞水平放置于真空容器内，采用直流式风洞的结构，包括收集器(1)、稳定段(2)、收缩段(3)、试验段(4)、引射器段(6)、出口扩散段(7)和引射器(8)，收集器(1)与稳定段(2)连接，稳定段(2)与收缩段(3)连接，收缩段(3)与试验段(4)连接，其特征在于：还包括第一扩散段(5)，试验段(4)与第一扩散段(5)连接，第一扩散段(5)与引射器段(6)连接，引射器段(6)与扩散段(7)连接，引射器段(6)与扩散段(7)之间为一段过渡的等直段(6-1)，所述的引射器段(6)的入口安装有引射器，所述的第一扩散段(5)以一定的角度扩散，扩散角度不超过5°，所述的引射器段(6)的入口截面面积大于试验段(4)的出口截面面积，面积比3倍以上。

2.根据权利要求1所述的一种带砂尘模拟的火星风洞，其特征在于：所述的收缩段(3)的内部可拆卸连接有砂尘喷嘴(11)，所述的砂尘喷嘴(11)的高度与风洞中心线重合，采用逆气流方向布置，所述的砂尘喷嘴远离试验段(4)的入口。

3.根据权利要求1或2所述的一种带砂尘模拟的火星风洞，其特征在于：所述试验段(4)的出口截面积大于入口截面积，试验段(4)的入口为正方形，沿气流方向上下壁以一定角度扩散，试验段(4)的出口为矩形，其宽度与试验段(4)入口的宽度相同，但高度大于试验段(4)的入口。

4.根据权利要求1或2所述的一种带砂尘模拟的火星风洞，其特征在于：所述的引射器(8)包括引射器腔室外壳(8-1)、多根引射器喷管(9)和引射器连接气管(10)，所述的引射器腔室外壳(8-1)环绕于引射器段(6)外壁一圈，并与引射器段外壁密封连接形成密闭的引射器腔室(8-2)，多根引射器喷管(9)位于引射器腔室(8-2)内并互相平行按一定间隔径向穿过引射器段(6)，每根引射器喷管(9)的首尾都分别与所述的引射器腔室(8-2)连通，引射器腔室(8-2)与引射器连接气管(10)连通，所述的引射器喷管(9)上位于引射器段(6)内的部分开有多个喇叭形小孔，所述的小孔采用方阵对称排列。

5.根据权利要求1或2所述的一种带砂尘模拟的火星风洞，其特征在于：所述试验段(4)其中的一个侧面设有试验段大门(15)，试验段大门(15)上开设观察窗(16)，并设有机械手轮(18)，试验段(4)的另一侧面的风洞洞壁上安装支撑和天平测力装置，试验段(4)顶部也设有观察窗(16)，测量风速的皮托管与测量砂尘浓度的粉尘浓度仪可拆卸安装于试验段(4)的上壁。

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