CN214132251U - 一种可控等温壁矩形喷管结构 - Google Patents
一种可控等温壁矩形喷管结构 Download PDFInfo
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Abstract
本实用新型公开了一种可控等温壁矩形喷管结构，包括气流入口、喷管本体、冷却水通道和气流出口，气流入口和出口均为矩形，冷却水通道为孔，冷却水孔里喷管内壁的距离随着截面而变化；本实用新型通过调整冷却水孔与喷管内壁的距离，实现了传热优化，使得整个喷管内壁温度基本相等，减少了对喷管内部气流焓值的影响，另外可以通过调整冷却水的整体流量来调节喷管内壁的温度。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种可控等温壁矩形喷管结构，属于航空航天气动热防护技术领域。
背景技术
高超声速飞行器在进入大气层期间会经历极端严酷的气动加热环境，因此需要设计合适的热防护系统加以保护。热防护系统的设计通常选择飞行器飞行轨道的少数典型状态进行稳态的地面防热考核试验，再根据试验所得数据外推获得飞行轨道全程的防热数据作为设计依据。而电弧加热试验设备提供高焓、长时间、对流流动的独特能力，正是进行高超声速飞行器的材料、防热结构气动热地面考核试验研究的不可或缺的地面防热试验设备。
然而电弧风洞设备中气体的高速高温流动是通过喷管膨胀流动来实现的，由于高温气流在喷管中快速膨胀，依次出现平衡、非平衡或冻结状态，且喷管壁面是水冷壁面，其不同的壁面温度对气流边界层的结构有较大影响，不同的边界层结构又直接影响防热材料结构模型表面的气流焓值及热流密度等传热特性。
由于目前喷管的冷却结构是按照相等的间隔及与内壁距离来布置冷却水通道，采用这种结构，喷管内壁的温度分布不均匀，无法准确评估喷管水冷对喷管内流场造成的影响，因此，急需对现有的矩形喷管冷却结构进行改进。
实用新型内容
本实用新型解决的技术问题是：克服现有技术的不足，本实用新型提供了一种可控等温壁矩形喷管结构，通过调整及设计冷却水孔与喷管内壁的距离，实现了传热优化，使得整个喷管内壁温度基本相等，减少了对喷管内部气流焓值的影响，另外可以通过调整冷却水的整体流量来调节喷管内壁的温度。
本实用新型的技术解决方案是：一种可控等温壁矩形喷管结构，包括喷管本体(2)、水流通道(3)；喷管本体(2)的一端为气流入口(1)，另一端为气流出口(4)；
喷管本体(2)包括内壁和外壁；内壁内流经气体；喷管本体(2)的内壁和外壁之间设有多个冷却水流通道(3)；多个水流通道(3)并列设置，每个冷却水流通道(3)为环形，
气流入口(1)和气流出口(4)的截面形状均为正方形。
优选的，过可控等温壁矩形喷管结构中心轴线的截面上，N个冷却水流通道(3)形成N组孔，每组孔包括两个孔，且两个孔相对过可控等温壁矩形喷管结构中心轴线对称；相邻通道的流向距离均为L。
优选的，相邻通道的流向距离是指过可控等温壁矩形喷管结构中心轴线的截面上两个相邻水流通道(3)的中心距离。
优选的，所述冷却水流通道(3)分别为第一冷却通道(301)、第i水流通道(302)和第N水流通道(303)；i＝2,..N-1、第N水流通道(303)；
第一冷却通道(301)、第i水流通道(302)和第N水流通道(303)的孔径均相同，第一冷却通道(301)的孔径范围设为3～6mm。
优选的，所述第一冷却通道(301)与喷管内壁距离为H1，第i水流通道(302)与喷管内壁距离为Hi，第N水流通道(303)与喷管内壁距离为HN；第一冷却通道(301)与喷管内壁距离H1范围设为2mm～4mm，第i水流通道(302)与喷管内壁距离为Hi＝D2/D1/2*i/N*H1,第N水流通道(303)与喷管内壁距离HN＝D2/D1/2*H1；D1为气流入口(1)的短边边长，D2为气流出口(2)的短边边长；
第一冷却通道(301)与喷管内壁距离是指：过可控等温壁矩形喷管结构中心轴线的截面上，第一冷却通道(301)形成的孔壁与喷管内壁的最小距离；
第i水流通道(302)与喷管内壁距离是指：过可控等温壁矩形喷管结构中心轴线的截面上，第i水流通道(302)形成的孔壁与喷管内壁的最小距离；
第N水流通道(303)与喷管内壁距离是指：过可控等温壁矩形喷管结构中心轴线的截面上，第N水流通道(303)形成的孔壁与喷管内壁的最小距离。
优选的，所述第一冷却通道(301)、第i水流通道(302)和第N水流通道(303)所在的平面相互之间平行。
优选的，第一冷却通道(301)上设置冷却水入口，通过高压管路与水泵相连；
第一冷却通道(301)或第N水流通道(303)上设置冷却水出口；
第一冷却通道(301)、第i水流通道(302)和第N水流通道(303)的冷却水流量通过水泵来调节。
优选的，喷管结构用于提供高温(优选2000K以上)高压(优选一个大气压以上)超声速气流(优选马赫数Ma2以上)，内壁温可控，实现喷管结构出口气流的均匀度的可控，减少气流焓值损失。
优选的，一个气流入口(1)和一个气流出口(4)的截面形状均为矩形，是指位于气流入口(1)和气流出口(4)，且垂直于可控等温壁矩形喷管结构中心轴线的平面形状均为矩形。
优选的，每个水流通道(3)横截面为圆形。
优选的，喷管本体(2)的一端与另一端外壁设有安装部，与外部连接。
优选的，喷管本体(2)的内壁和外壁之间设有多个水流通道(3)之间互相连通，靠近喷管本体(2)的一端的水流通道(3)作为水流入口，靠近喷管本体(2)的另一端的水流通道(3)作为水流出口。
本实用新型与现有技术相比的有益效果是：
(1)本实用新型的喷管冷却通道与喷管内壁的距离随着截面而改变，实现了传热优化，使得整个喷管内壁温度基本相等，减少了对喷管内部气流焓值的影响，另外可以通过调整冷却水的整体流量来调节喷管内壁的温度。
(2)本实用新型的水流通道采用空心圆形管路，显著提升了冷却液的流速，有效确保整个喷管的冷却过程更加均匀，大幅延长了喷管的使用寿命和喷管内壁温度的均匀性。
(3)本实用新型结构精巧、简洁高效、通用便捷，适用于多种工作环境，特别适用于电弧加热设备中喷管、导管、电极结构。
(4)本实用新型的水流通道便于维修和更换，而且生产成本较低，具有广阔的市场应用前景。
附图说明
图1为本实用新型结构图。
其中：1-气流入口；2-喷管本体；3-冷却水流通道；301-第一冷却通道；302-第i水流通道；303-第N水流通道；4-气流出口。
具体实施方式
为使本实用新型的方案更加明了，下面结合附图说明和具体实施例对本实用新型作进一步描述：
本实用新型公开了一种可控等温壁矩形喷管结构，包括气流入口、喷管本体、冷却水通道和气流出口，气流入口和出口均为矩形，冷却水通道为孔，冷却水孔里喷管内壁的距离随着截面而变化；本实用新型通过调整冷却水孔与喷管内壁的距离，实现了传热优化，使得整个喷管内壁温度基本相等，减少了对喷管内部气流焓值的影响，另外可以通过调整冷却水的整体流量来调节喷管内壁的温度。
如图1所示，一种可控等温壁矩形喷管结构，包括一个气流入口1、喷管本体2、水流通道3和一个气流出口4，一个气流入口1和一个气流出口4均为矩形，在所述喷管主体2内部设置冷却水流通道4，水流通道均为孔。
水流通道3在横截面上有N个通道，每个通道均为孔。每个相邻通道的流向距离均为L＝12mm。
冷却通道3分别为第一冷却通道301、第i(i＝2,..N-1)水流通道302和第N水流通道303，第一冷却通道301、第i(i＝2,..N-1)水流通道302和第N水流通道303的孔径均相同，第一冷却通道301的孔径范围优选设为4mm。
第一冷却通道与喷管内壁距离为H1，第i(i＝2,..N-1)水流通道与喷管内壁距离为Hi(i＝2,..N-1)，第N水流通道与喷管内壁距离为HN。第一冷却通道与喷管内壁距离H1范围设为4mm，第i(i＝2,..N-1)水流通道与喷管内壁距离为Hi(i＝2,..N-1)＝D2/D1/2*i/N*H1,第N水流通道与喷管内壁距离HN＝D2/D1/2*H1。
第一冷却通道301、第i(i＝2,..N-1)水流通道302和第N水流通道303相互之间平行。
第一冷却通道301、第i(i＝2,..n-1)水流通道302和第N水流通道303的冷却水流量可以通过水泵来调节。
气流入口1的横截面尺寸(长×宽)优选为60mm×50mm。
气流出口4的横截面尺寸(长×宽)优选为120mm×60mm。
水流通道3优选的冷却通道个数N＝27。
本实用新型通过沿着流向改变喷管冷却通道与喷管内壁的距离，实现了传热优化，使得实际运行中整个喷管内壁温度基本相等，减少了喷管不均匀冷却对喷管内部气流焓值的影响，另外可以通过调整冷却水的整体流量来调节喷管内壁的温度。
本实用新型说明书中未详细描述的内容为本领域技术人员公知技术。
Claims (10)
1.一种可控等温壁矩形喷管结构，其特征在于：包括喷管本体（2）、水流通道（3）；喷管本体（2）的一端为气流入口（1），另一端为气流出口（4）；
喷管本体（2）包括内壁和外壁；内壁内流经气体；喷管本体（2）的内壁和外壁之间设有多个冷却水流通道（3）；多个水流通道（3）并列设置，每个冷却水流通道（3）为环形，
气流入口（1）和气流出口（4）的截面形状均为矩形。
2.根据权利要求1 所述的一种可控等温壁矩形喷管结构，其特征在于：
过可控等温壁矩形喷管结构中心轴线的截面上，N 个冷却水流通道（3）形成N
组孔，每组孔包括两个孔，且两个孔相对过可控等温壁矩形喷管结构中心轴线对称；相邻通道的流向距离均为L。
3.根据权利要求2 所述的一种可控等温壁矩形喷管结构，其特征在于：
相邻通道的流向距离是指过可控等温壁矩形喷管结构中心轴线的截面上两个相邻水流通道（3）的中心距离。
4.根据权利要求1 所述的一种可控等温壁矩形喷管结构，其特征在于：
所述冷却水流通道（3）分别为第一冷却通道（301）、第i 水流通道（302）和第N 水流通道（303）；i=2,.. N-1、第N 水流通道（303）；
第一冷却通道（301）、第i 水流通道（302）和第N 水流通道（303）的孔径均相同，第一冷却通道（301）的孔径范围设为3~6mm。
5.根据权利要求4 所述的一种可控等温壁矩形喷管结构，其特征在于：
所述第一冷却通道（301）与喷管内壁距离为H1，第i 水流通道（302）与喷管
内壁距离为Hi，第N 水流通道（303）与喷管内壁距离为HN；第一冷却通道
（301）与喷管内壁距离H1 范围设为2 mm ~4mm，第i 水流通道（302）与
喷管内壁距离为Hi=D2/D1/2*i/N*H1, 第N 水流通道（303）与喷管内壁距离
HN= D2/D1/2*H1；D1 为气流入口（1）的短边边长，D2 为气流出口（4）的短边边长；
第一冷却通道（301）与喷管内壁距离是指：过可控等温壁矩形喷管结构中心轴线的截面上，第一冷却通道（301）形成的孔壁与喷管内壁的最小距离；
第i 水流通道（302）与喷管内壁距离是指：过可控等温壁矩形喷管结构中心轴线的截面上，第i 水流通道（302）形成的孔壁与喷管内壁的最小距离；
第N 水流通道（303）与喷管内壁距离是指：过可控等温壁矩形喷管结构中心轴线的截面上，第N 水流通道（303）形成的孔壁与喷管内壁的最小距离。
6.根据权利要求4 所述的一种可控等温壁矩形喷管结构，其特征在于：
所述第一冷却通道（301）、第i 水流通道（302）和第N 水流通道（303）所在的平面相互之间平行。
7.根据权利要求3 所述的一种可控等温壁矩形喷管结构，其特征在于：
第一冷却通道（301）上设置冷却水入口，通过高压管路与水泵相连；
第一冷却通道（301）或第N 水流通道（303）上设置冷却水出口；
第一冷却通道（301）、第i 水流通道（302）和第N 水流通道（303）的冷却水流量通过水泵来调节。
8.根据权利要求1 所述的一种可控等温壁矩形喷管结构，其特征在于：
喷管结构用于提供2000K 以上高温高压、一个大气压以上、马赫数Ma2 以上超声速气流，内壁温可控，实现喷管结构出口气流的均匀度的可控，减少气流焓值损失。
9.根据权利要求1 所述的一种可控等温壁矩形喷管结构，其特征在于：
一个气流入口（1）和一个气流出口（4）的截面形状均为矩形，是指位于气流入口（1）和气流出口（4），且垂直于可控等温壁矩形喷管结构中心轴线的平面形状均为矩形。
10.根据权利要求1 所述的一种可控等温壁矩形喷管结构，其特征在于：
每个水流通道（3）横截面为圆形。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202021673773.3U CN214132251U (zh) | 2020-08-12 | 2020-08-12 | 一种可控等温壁矩形喷管结构 |
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| CN202021673773.3U CN214132251U (zh) | 2020-08-12 | 2020-08-12 | 一种可控等温壁矩形喷管结构 |
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| CN214132251U true CN214132251U (zh) | 2021-09-07 |
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| CN202021673773.3U Active CN214132251U (zh) | 2020-08-12 | 2020-08-12 | 一种可控等温壁矩形喷管结构 |
Country Status (1)
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|---|---|
| CN (1) | CN214132251U (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114252230A (zh) * | 2022-03-02 | 2022-03-29 | 中国空气动力研究与发展中心超高速空气动力研究所 | 一种常规高超声速风洞高马赫数喷管冷却水的分配装置 |
-
2020
- 2020-08-12 CN CN202021673773.3U patent/CN214132251U/zh active Active
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114252230A (zh) * | 2022-03-02 | 2022-03-29 | 中国空气动力研究与发展中心超高速空气动力研究所 | 一种常规高超声速风洞高马赫数喷管冷却水的分配装置 |
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