专利名称：脉冲风洞热喷流实验气源供气平台的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种脉冲风洞热喷流实验气源供气平台。
背景技术：
飞行器在高空高速飞行时，由于高空低密度流动能急剧下降导致飞行器控制舵面效率大大降低。为了提高飞行器的机动特性，大量采用喷流发动机控制，采用的喷流主要是总温较高的燃气喷流(热喷流)。热喷流与主流的干扰会对飞行器机体和结构部件气动热环境产生显著的影响。目前，国内外对于热喷流实验研究较少，从现有的技术发展上看热喷流实验存在以下几方面问题1、没有发动机尾喷管内/外流耦合气动热实验现有实验技术中，大多只针对发动机燃烧室进行发动机内流实验，主要包括研究发动机气动性能、热力学循环性能、燃烧室内燃烧效率以及发动机的热结构。这些实验技术均不能从事发动机尾喷管内外流耦合实验研究，不能研究发动机后体的气动热环境实验。2、没有热喷流内/外流耦合特性实验喷流控制风洞实验中，基本上都是用高压气体根据落压比、马赫数和几何参数等相似参数进行内外流耦合实验，对于发动机的真实气体影响只有一些数值计算的工作，而进行热喷流实验国内外还少有报道。3、没有热喷流与脉冲风洞同步实验技术脉冲风洞系统和热喷流系统都是毫秒量级的运行系统，造成了同步运行的困难。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种能够为缩比模型的发动机内外流耦合实验提供良好的实验环境的脉冲风洞热喷流实验气源供气平台。本发明提供的一种脉冲风洞热喷流实验气源供气平台包括气体混合罐，将氢气、氧气和氮气按照预定比例混合均勻，形成可燃烧的混合气体，并将所述混合气体充入到管道中；管道，按照预定的压力充入所述混合气体；在所述管道的管道端部依次设置有金属膜片和喷管，在所述管道端部靠近所述金属膜片的位置还安装有点火单元；当所述点火单元将所述混合气体点燃，利用燃烧后燃气温度和压力的提高瞬间将所述金属膜片冲破，并从所述喷管喷出，形成满足热喷流实验状态燃气喷流，保证燃气喷流具有一段稳定的流动时间。优选地，所述金属膜片具有适当的厚度，在所述金属膜片的表面还开设有具有适当长度和深度的槽。优选地，所述槽为十字槽。
优选地，所述氢气、氧气和氮气的混合比例为氢气50 60%、氧气5 15%和余量的氮气，这里的百分百为重量百分比。本发明具有如下优点1、本发明利用氢氧燃烧管道的方法能够提供总温为1000K左右的瞬态燃气热喷流气源，不需要更复杂的冷却系统，因此具有实验周期短，环境污染小，能源需求少的特
点
2、可以通过调配混合气体的不同比例，以获得满足不同总温的热喷流气源，方便满足喷流实验相似准则；3、本发明实验实现了平台发动机尾喷管内/外流耦合气动热实验，可以进行热喷流内/外流耦合特性实验，从而便于利用实验手段研究飞行器内外流干扰气动热性；4、本发明还能够实现热喷流与脉冲风洞同步的实验。5、本发明还具有实验周期短，实验成本低，对实验环境造成的污染小等特点。
图1为本发明结构示意图。图2为金属膜片的结构示意图。
具体实施例方式如图1所示，本发明包括气体混合罐2、管道3、金属膜片5和喷管6，气体混合罐 2用于将氢气、氧气和氮气按照预定比例混合均勻，形成可燃烧的混合气体，并将混合气体充入到管道3中。在本发明实施例中，可以利用进气管1将上述三种气体按照预定的比例充入到气体混合罐2中。管道3用于按照预定的压力充入混合气体。在本发明实施例中， 管道3可以采用长度L = 7 10m，管径Φ = IOOmm的耐高压管道并且保证管道的密封性。 金属膜片5和喷管6依次设置在管道3的管道端部，在管道端部靠近金属膜片5的位置还安装有点火单元4。本发明实施例中，点火单元4采用电火花。这样，当点火单元4将混合气体点燃后，利用燃烧后燃气温度和压力的提高瞬间将金属膜片5冲破，并从喷管6喷出，从而形成满足热喷流实验状态燃气喷流，其主要物理状态包括燃气喷流总温，总压以及马赫数，并且可以保证燃气喷流具有一段稳定的流动时间。金属膜片5要具有适当的厚度，另外，为了便于燃气喷流的顺利喷出并且保证气流的稳定、均勻，在金属膜片5的表面还开设有具有适当长度和深度的槽，槽最好为十字槽，如图2所示。另外，上述的氢气、氧气和氮气的混合比例优选为氢气50 60%、氧气5 15% 和余量的氮气，这里的百分百为重量百分比。本发明采用氢氧燃烧，端面点火的方式产生热气源，混合气体的组分为氢气Η2、 氧气A和氮气队，通过调节混合气体不同组分的配比达到实验所需的热喷流气体的实验状态，实验前将这三种气体按预定比例冲入气体混合罐2，使其在气体混合罐2内充分混合 10 15分钟后，将混合气体冲入管道3中，利用电火花点火使混合气体燃烧，利用气体燃烧后的压力与温度的提高冲破金属膜片5，并从喷管6喷出。
由于本发明采用燃烧可燃混合气体驱动管道3工作，利用燃烧后燃气温度和压力的提高冲破金属膜片5并从喷管6喷出，实现了在常温常压下混合气体的稳定燃烧，避免了爆震现象的发生。尤其是采用富氢燃烧加热氮气的方式，氢气、氧气和氮气的混合比例为 氢气50 60%、氧气5 15%和余量的氮气的配比，进一步更好的配比为氢气50% 60%、氧气10%左右和余量的氮气。这里的百分百均为重量百分百。实验结果表明采用此方法有效的避免了爆震现象的产生，同时从点火到完全燃烧时间在IOms 20ms之间，既降低了燃烧时间同时又能以稳定缓慢燃烧的方式产生高温，高压的气体。另外，控制电火花点火的具体方式可以采用如下的方式控制器的电源隔离变压器副绕组有5根抽头，经波段开关和钮子开关的切换，可以得到不同的电压值，再经2倍压整流、电容储能，可以得到DC70-600V左右共9档电压值。点火控制的开关元件采用第三代最新半导体器件IGBT管，开关速度为0. 1 1 μ S。有计算机控制的点火信号经光耦元件加到时基电路，经定时控制后输出到IGBT的G极，使其导通，已储能的电容很快通过热丝放电，电容上的高电压、大电流使热丝爆炸而产生高能量将可燃混合气体点燃。热丝放电点火控制器的主要技术性能电源打压AC220V，逆变电源DC12V、7Ah输出为AC220V、连续工作10小时。点火电压分高、低两档共9种不同的电压值，电压调节范围 DC70V 600V。外触发点火信号DC3. 5 10V，触发信号电流大于3mA。点火信号到热丝电爆时间小于0. Ims,点火定时时间为5ms。储能电容每只470 μ F450VDC, IGBT管60A1KV，点火丝直径Φ0. 08 0. 15mm，仪器可长期连续工作。热丝放电点火控制器的使用方法为将计算机输出的控制信号用Q9头与点火器连接，Q9头中心为脉冲信号正极，信号幅值DC3. 5 IOV之间均可。电压的调节应由低向高调，若电压太高可放电后再调节。电压的调节由波段开关1 6位的切换和钮子开关的 “高” “低”位置，就可以得到9种电压值。将逆变器引出的两根正负极线与蓄电池正、负极连接，就可产生AC220V电源，只要将点火器的电源插头接入逆变器插座即可正常工作。当出现电压值显示偏低时，应及时与蓄电池充电。本发明中点火位置的选择是能否获得稳定燃烧的关键技术之一。本发明中通过单点端面点火的方式可以获得较为稳定，重复性好的燃烧波系。具体做法是将电火花放置在紧靠金属膜片5前端，利用点火控制元件触发点火。另外，本发明采用具有适当厚度的金属膜片，并开设具有适当深度的槽，以达到自然破膜的目的。例如，本发明实施例中，采用开有“十”字形槽的铝膜，铝膜厚度为0.32mm， 槽深为0. 22mm，如图2所示。密封在管道3的管道端部和喷管6之间。利用自然破膜，即靠近燃烧后气体的高温高压，将金属膜片5冲破。
权利要求
1.一种脉冲风洞热喷流实验气源供气平台，其特征在于，包括气体混合罐，将氢气、氧气和氮气按照预定比例混合均勻，形成可燃烧的混合气体，并将所述混合气体充入到管道中；管道，按照预定的压力充入所述混合气体；在所述管道的管道端部依次设置有金属膜片和喷管，在所述管道端部靠近所述金属膜片的位置还安装有点火单元；当所述点火单元将所述混合气体点燃，利用燃烧后燃气温度和压力的提高瞬间将所述金属膜片冲破，并从所述喷管喷出，形成满足热喷流实验状态燃气喷流，保证燃气喷流具有一段稳定的流动时间。
2.如权利要求1所述的平台，其特征在于，所述金属膜片具有适当的厚度，在所述金属膜片的表面还开设有具有适当长度和深度的槽。
3.如权利要求2所述的平台，其特征在于，所述槽为十字槽。
4.如权利要求1至3任一所述的平台，其特征在于，所述氢气、氧气和氮气的混合比例为氢气50 60%、氧气5 15%和余量的氮气，这里的百分百为重量百分比。
全文摘要
本发明公开了一种脉冲风洞热喷流实验气源供气平台，包括气体混合罐，将氢气、氧气和氮气按照预定比例混合均匀，形成可燃烧的混合气体，并将混合气体充入到管道中；管道，按照预定的压力充入混合气体；在管道的管道端部依次设置有金属膜片和喷管，在管道端部靠近金属膜片的位置还安装有点火单元；当点火单元将混合气体点燃，利用燃烧后燃气温度和压力的提高瞬间将金属膜片冲破，并从喷管喷出，形成满足热喷流实验状态燃气喷流，保证燃气喷流具有一段稳定的流动时间。本发明利用氢氧燃烧管道的方法能够提供总温为1000K左右的瞬态燃气热喷流气源，不需要更复杂的冷却系统，因此具有实验周期短，环境污染小，能源需求少的特点。
文档编号G01M9/04GK102519704SQ20111034917
公开日2012年6月27日 申请日期2011年11月8日 优先权日2011年11月8日
发明者刘宏, 唐贵明, 康宏琳, 朱国祥, 潘文欣, 王发民, 罗金玲, 陈雪冬 申请人:中国科学院力学研究所, 北京机电工程研究所