一种兼容多喷管的风洞扩压器及风洞扩压方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种风洞扩压器及风洞扩压方法。
【背景技术】
[0002] 风洞是能人工产生和控制气流，以模拟飞行器或物体周围气体的流动，并可量度 气流对物体的作用以及观察物理现象的一种管道状试验设备。扩压器的作用是通过一定的 激波系将喷管喷出的超声速流转变为亚声速流或马赫数较低的气流，尽可能的提高扩压效 率、提高排气能力，从而减轻后面排气系统的负担，同时也有利于超声速喷管的起动，并能 够节约能源。扩压器一般由收集器、收缩段、第二喉道和扩张段四部分组成。第二喉道是指 扩压器中收缩段和扩张段中间的等直段，一般是扩压器中截面最小的部位；第二喉道是风 洞领域的常规术语，是相对于风洞的第一喉道而言的，第一喉道是指风洞加热器用来产生 超音速的喉道。
[0003] 高温燃气超音速风洞利用喷管出口的高温超音速气流对模型进行热考核，不同的 喷管出口直径对应不同的模拟状态，该风洞需要兼容多套不同口径的超音速喷管。常规的 扩压器兼容喷管的方法是根据喷管口径更换对应直径的扩压器第二喉道，在更换第二喉道 时，与之衔接的收集器、收缩段和扩压段的尺寸也随之改变，这种方式可以获得较好的扩压 器效率，但相应制造成本较高，并且互换使用不方便。
【发明内容】
[0004] 本发明所要解决的技术问题是：提供一种成本低、使用方便的风洞扩压器及扩压 方法，能够实现高温燃气超声速风洞多个不同尺度喷管的状态兼容，保证了试验舱内形成 均勾的尚品质燃气流场。
[0005] 本发明包括如下技术方案：
[0006] -种兼容多喷管的风洞扩压器，所述风洞扩压器由依次相连的收集器、收缩段、第 二喉道和扩张段组成，所述收集器用于收集喷管喷出的气体，其特征在于，所述收集器包括 收集口、直筒段、第一支架、导轨和驱动装置；收集口为喇叭形，收集口前端直径比后端直径 大，收集口前端直径根据喷管直径确定，收集口后端与直筒段前端相连；第一支架上端与直 筒段前端固定连接，第一支架下端安装在导轨上，第一支架能够在驱动装置的驱动下相对 导轨滑动；直筒段后端插入收缩段，直筒段能够相对收缩段滑动。
[0007] 收集口前端直径是所对应的喷管直径的1. 2倍。
[0008] 直筒段内径是最大喷管直径的L 15倍。
[0009] 所述第二喉道的直径为最大喷管直径。
[0010] 收缩段包括直筒形外套部分和圆锥台形收缩部分；直筒段后端插入直筒形外套部 分的前端，直筒段能够相对收缩段直筒形外套部分滑动；直筒形外套部分的后端与圆锥台 形收缩部分固定连接。
[0011] 在直筒段的后端与直筒形外套部分之间环向设置12组弹簧片。
[0012] 利用上述风洞扩压器进行多喷管兼容的方法，在更换不同尺寸喷管时，第二喉道、 收缩段、第二喉道和扩张段都保持不变，通过更换不同口径的收集口及调整直筒段相对收 缩段的位置使得在收集器内形成超音速满流，从而实现多个不同尺寸喷管的兼容。
[0013] 本发明与现有技术相比具有如下优点：
[0014] 本方法在首次采用固定二喉道，通过调整收集器来实现同一套风洞兼容多套不同 口径的喷管，并应用于高温燃气流超音速风洞，即使用一个扩压器本体，不同的工作状态通 过更换相应的收集器收集口和收集器滑动的方式来提高扩压器效率，实现了不同的燃气流 环境下试验舱压力与喷管出口静压良好匹配，保证了试验舱内形成均匀的高品质燃气流 场，解决高温超声速风洞多个不同尺度喷管的状态兼容问题；和传统风洞相比，降低了制造 成本，同时风洞的使用更加方便。
【附图说明】
[0015] 图1为本发明扩压器示意图；
[0016] 图2为本发明收集器结构示意图；
[0017] 图3为本发明收集器与收缩段组装示意图；
[0018] 图4为本发明收集器与收缩段的接口示意图；
[0019] 图5为第二喉道示意图；
[0020] 图6为调整收集器的模拟流场，图6a的喷管出口直径为340mm，图6b的喷管出口 直径为500mm，图6c的喷管出口直径为740mm〇
【具体实施方式】
[0021] 下面就结合附图对本发明做进一步介绍。
[0022] 风洞扩压器的基本示意图如图1所示，主要由收集器1、收缩段2、第二喉道3、扩 张段4组成，其作用是提高扩压效率、提高排气能力。收集器1如图2所示，主要是收集喷 管喷出的超音速燃气，使其顺利进入扩压器中；收缩段2主要是通过减小面积来实现超音 速气流的减速增压；第二喉道3是一个等直径的直筒段，如图5所示，超音速气流在第二喉 道中通过一系列激波串实现减速增压，并在第二喉道出口附近转变为亚音速气流；扩张段 4是通过增大面积来实现亚音速气流的减速增压。扩压器中直接影响试验舱压力的两个因 素是第二喉道的尺寸和收集器的尺寸及位置。
[0023] 第二喉道和喷管出口的面积比对扩压器性能有直接的影响。为此根据本试验台喷 管出口的气流参数，进行详细的气动计算，可以得到第二喉道的尺寸。某一截面的最大流量 与截面积及驻点压力成正比，与驻点温度的平方根成反比。为保证风洞不发生堵塞，在任意 时刻第二喉道的最大流量均应不小于该时刻喷管的流量。扩压器第二喉道尺寸按照下式确 定。
[0026] 式（2)中4、~分别是喷管面积和第二喉道的面积，m是燃气流量，q是流量函数， K是和燃气性质相关的常数，η是小于1的常数,P1表示喷口出口的压力，P2表示第二喉道 的压力，f表示总温；考虑到正激波后至扩压段的粘性压力损失，式中波后总压乘以一个小 于1的压力恢复系数。这样就可以得到对应于喷管的第二喉道的尺寸，由于第二喉道的尺 寸固定，因此选取对应于最大喷管的第二喉道尺寸作为固定第二喉道的尺寸。也可以根据 工程经验，直接将第二喉道的直径（D)设计为最大喷管直径（Dniax)。
[0027] 当超音速气流未在收集器内形成满流时，扩压器第二喉道直径对试验舱的影响较 大，而当收集器形成超音速满流时，收集器收集口的口径和距