专利名称：超声速自由旋涡风洞的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种风洞，尤其涉及一种超声速自由旋涡风洞。
背景技术：
随着现代空气动力学技术的发展，空气动力学机理问题研究越来越重要，作为典 型的受流向曲率影响的可压缩流动，超声速自由旋涡研究不仅具有广泛的应用背景而且具 有重要理论意义。超声速自由旋涡速度场满足自由旋涡分布，即流动速度与流线曲率半径的乘积为 常数。由于流动速度较高，其流场具有非定常和多尺度的特征，定量流动成像技术是研究这 些特征的重要手段，它需要自由旋涡风洞具有良好的光学测量环境，相应的风洞光学窗口 需要针对研究对象的特点进行设计。专著《超声速自由旋涡气动窗口及其光学质量》(易仕和等，国防科技大学出版社， 2005年)提出了基于最短长度喷管(MLN)的分区求解的自由旋涡喷管设计方法(一种典型 的非均勻流喷管)，该方法设计过程如下1)采用MLN设计方法得到一个对称喷管型面曲线；2)提取MLN喷管出口边界的流动参数，作为非对称段的入口边界条件；3)将非对称段分为均勻流区、简单波区和非简单波区等几个区域；以及4)利用自由旋涡关系式、普朗特_迈耶关系式和质量守恒关系确定非对称区的壁 面曲线。采用该方法能够得到所需要的自由旋涡喷管型面曲线，数值验证结果表明，所设 计的喷管型面能够生成所需要的自由旋涡流场。虽然已有自由旋涡气动窗口的设计方法，但目前还没有相应的自由旋涡风洞设计 方案。现有技术主要强调自由旋涡喷管的型面设计和自由旋涡气动窗口的设计，无法直 接扩展到自由旋涡风洞的设计。现有的风洞设计技术对于超声速流动机理研究来说还存在若干不足一是来流湍 流度高，二是光学测试环境较差，难以观测喷管内部边界层，三是流动条件不够理想，尤其 是关注二维流场时，侧壁干扰带来的三维效应明显。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种产生超声速自由旋涡流场的风洞装置，该风 洞实验段流场满足自由旋涡关系式，且便于光学非接触测试技术的实施。为解决上述技术问题，本发明提供了一种超声速自由旋涡风洞，其特征在于，包 括过渡段，用于引入气流；稳定段，连接在过渡段的下游，由于稳定气流，降低气动噪声； 以及喷管实验段，连接在稳定段的下游，喷管实验段的周壁形成有透明窗口，并包括喷管 部，构造成自由旋涡喷管结构，以将来自稳定段中的气流加速至超声速自由旋涡状态，以及实验部，设置在喷管部的下游。进一步地，超声速自由旋涡风洞还包括扩压段，具有沿朝向下游方向收缩的内腔 结构。进一步地，过渡段的横截面从上游端向下游端呈由圆形轮廓向矩形轮廓过渡的变 化形态。进一步地，稳定段的横截面呈矩形，包括相平行的外周壁和内周壁以及连接所述 外周壁和内周壁的两个侧壁。进一步地，喷管实验段的横截面呈矩形，周壁包括外周壁和内周壁以及连接外周 壁和内周壁的两个侧壁，外周壁和内周壁形成自由旋涡喷管型面曲线。进一步地，喷管实验段的宽高比大于4。进一步地，喷管实验段的实验部的四个周壁均形成有透明窗口。进一步地，透明窗口延伸到喷管部区域的周壁中。进一步地，喷管实验段的壁面上还可以设置流动控制面板。进一步地，稳定段中还包括整流装置，整流装置包括蜂窝器和沙网。本发明具有以下技术效果1.通过在风洞的喷管实验段中设置一个喷管部和实验部，并使该喷管部构造成自 由旋涡喷管结构，在实验部的周壁上形成有透明窗口，从而在风洞中可以获得的超声速自 由旋涡流场，并可通过透明窗口，实现对风洞中的自由旋涡流场进行观察和光学非接触测
试ο2.将喷管实验段的宽高比设置为大于4，优选大于5，可以有效地消除左右连接侧 壁的气体粘性效应对自由旋涡流场的影响，以获得理想的流场流态。3.通过使透明窗口延伸到所述喷管部区域的周壁中，可以全面地观察和研究自由 旋涡流场的形成前后演变过程。4.通过在喷管实验段的四个周壁均设置有光学玻璃，可以更好地采用光学非接触 测试技术观察流场。除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。 下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。
附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实 施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中图1示出了本发明的超声速自由旋涡风洞的整体结构示意图。
具体实施例方式以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定 和覆盖的多种不同方式实施。本文中所称的外周壁是指风洞结构中相对于自由旋涡中心所在位置而言位于较 远侧的周壁，内周壁是指风洞结构中相对于自由旋涡中心所在位置而言位于较近侧的周壁。
如图1所示，根据本发明的超声速自由旋涡风洞，包括前过渡段1，用于引入气 流，并对气流进行第一级整流，将外界的无规律流动的气流通过前过渡段1使之形成具有 一定流动特性的气流，为其进入稳定段2做好准备；稳定段2，连接在过渡段1的下游，用于 对从前过渡段1流入其中的气流进行第二级整流，使气流形成实验所需要的流动特性，并 使气流进入喷管实验段3中以便进行实验；喷管实验段3连接在稳定段2的下游，其周壁 形成有透明窗口，并包括喷管部31，喷管部31构造成自由旋涡喷管结构，将来自稳定段2 的气流加速至自由旋涡状态，可以使风洞实验部入口气流的速度场满足超声速自由旋涡分 布；实验部32，位于喷管部31的下游，优选与喷管部一体形成。通过喷管实验段3的透明 窗口，可以采用光学非接触测试技术对喷管实验段中形成的自由旋涡流场进行观察。为了 能够进行更好的光学非接触测试，以便于对超声速自由旋涡流场的特性进行研究，优选地， 在喷管实验段的四个周壁上均形成有透明窗口，四壁均装有光学玻璃，透明窗口延伸到喷 管部31区域的周壁中，以便于全面地观察和研究自由旋涡流场的形成前后的演变过程。在喷管实验段3的下游设置有扩压段4，具有沿朝向下游方向收缩的内腔结构。扩 压段4可以对进入其中的在喷管实验段3中已经调试好的气流进行扩压节能，以提高风洞 的启动性能，并将处理之后的气流送入下一个阶段。本实施例中，超声速自由旋涡风洞的过渡段1的横截面从上游端向下游端呈由圆 形轮廓向矩形轮廓过渡的变化形态。入口处圆形轮廓可以方便地与外部送风设备的圆形出 风口相连接。如果外部送风设备的出风口为矩形，则过渡段上游端只需要配置相应的矩形 轮廓即可。过渡段1与稳定段2连接的下游端形成矩形轮廓，可以与稳定段2的矩形轮廓 良好衔接。稳定段2的横截面呈矩形，包括相平行的外周壁和内周壁以及连接外周壁和内周 壁的两个侧壁，可以使从过渡段1进入的气体在其中稳定的流动。喷管实验段3的横截面 呈矩形，包括外周壁和内周壁以及连接外周壁和内周壁的两个侧壁，外周壁和内周壁形成 自由旋涡喷管型面曲线，可以使从稳定段2进入的气流沿着自由旋涡喷管型面曲线形成超 声速自由旋涡流场。为了克服现有风洞流场二维特性较差的问题，本发明的喷管实验段3的宽高比 (艮P，宽与高的比值，系指喷管实验段中通道的宽高比，可以按照左右侧壁之间的距离与内 外周壁之间的距离之比来计算)大于4，可以有效地消除左右连接侧壁的气体粘性效应对 自由旋涡流场的影响，以获得理想的流场流态。优选地，其宽高比可以设置为大于等于5。作为本发明的一个优选实施例，稳定段2中包括整流装置，整流装置包括蜂窝器 和沙网，蜂窝器可有效的抑制来流的横向脉动，沙网可使大尺度旋涡碎裂为小尺度旋涡。喷 管实验段型面整体设计整体加工，以优化喷管曲线，减小喷管边界层厚度，抑制杂波产生。在进行边界层研究时，超声速自由旋涡风洞喷管实验段壁面上还可以设置流动控 制面板33，可以改变其表面纹理结构(包括整体区域或局部区域的表面纹理，例如粗糙度、 是否有条纹或其他形状的表面图案、条纹或其他图案的延伸方向等)来实现流态控制，例 如可以采用超精细加工控制粗糙度。由上述描述可知，根据本发明的超声速自由旋涡风洞，实现了风洞实验部入口气 流的速度场满足超声速自由旋涡分布，从而在风洞中可以获得理想的超声速自由旋涡流 场；可以有效地消除左右连接侧壁的气体粘性效应对自由旋涡流场的影响，以获得理想的流场流态；可以全面地观察和研究自由旋涡的形成前后演变过程；可以实现可控制的流场 流态，流场品质好，二维特性好。 以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技 术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修 改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
一种超声速自由旋涡风洞，其特征在于，包括过渡段(1)，用于引入气流，并对气流进行第一级整流；稳定段(2)，连接在所述过渡段(1)的下游，用于对气流进行第二级整流；以及喷管实验段(3)，连接在所述稳定段(2)的下游，所述喷管实验段(3)的周壁形成有透明窗口，并包括喷管部(31)，构造成自由旋涡喷管结构，以将来自所述稳定段(2)中的气流加速至超声速自由旋涡状态，以及实验部(32)，设置在所述喷管部(31)的下游。
2.根据权利要求1所述的超声速自由旋涡风洞，其特征在于，还包括扩压段(4)，具有 沿朝向下游方向收缩的内腔结构。
3.根据权利要求1所述的超声速自由旋涡风洞，其特征在于，所述过渡段(1)的横截面 从上游端向下游端呈由圆形轮廓向矩形轮廓过渡的变化形态。
4.根据权利要求1所述的超声速自由旋涡风洞，其特征在于，所述稳定段(2)的横截面 呈矩形，包括相平行的外周壁和内周壁以及连接所述外周壁和内周壁的两个侧壁。
5.根据权利要求1所述的超声速自由旋涡风洞，其特征在于，所述喷管实验段(3)的横 截面呈矩形，其所述周壁包括外周壁和内周壁以及连接所述外周壁和内周壁的两个侧壁， 所述外周壁和内周壁形成自由旋涡喷管型面曲线。
6.根据权利要求5所述的超声速自由旋涡风洞，其特征在于，所述喷管实验段(3)的宽 高比大于4。
7.根据权利要求5所述的超声速自由旋涡风洞，其特征在于，所述喷管实验段(3)的实 验部的四个周壁均形成有透明窗口。
8.根据权利要求5所述的超声速自由旋涡风洞，其特征在于，所述透明窗口延伸到所 述喷管部(31)区域的周壁中。
9.根据权利要求1所述的超声速自由旋涡风洞，其特征在于，所述喷管实验段的壁面 上还可以设置流动控制面板(33)。
10.根据权利要求1-9中任一项所述的超声速自由旋涡风洞，其特征在于，所述稳定段 (2)中还包括整流装置(22)，所述整流装置(22)包括蜂窝器和沙网。
全文摘要
本发明提供了一种超声速自由旋涡风洞，包括过渡段(1)，用于引入气流，并对气流进行第一级整流；稳定段(2)，连接在所述过渡段(1)的下游，用于对气流进行第二级整流；以及喷管实验段(3)，连接在所述稳定段(2)的下游，所述喷管实验段(3)的周壁形成有透明窗口，并包括喷管部(31)，构造成自由旋涡喷管结构，将气流加速至超声速自由旋涡状态，以及实验部(32)，设置在所述喷管部(31)的下游，使风洞实验部入口气流的速度场满足超声速自由旋涡分布，从而在风洞中可以获得理想的超声速自由旋涡。
文档编号G01M9/02GK101975652SQ201010551448
公开日2011年2月16日 申请日期2010年11月18日 优先权日2010年11月18日
发明者刘卫东, 梁剑寒, 王振国, 赵玉新 申请人:中国人民解放军国防科学技术大学