一种组合式宽马赫数高焓脉冲风洞管体结构的制作方法

本发明属于高马赫数试验
技术领域：
，具体而言，涉及一种组合式宽马赫数高焓脉冲风洞管体结构。
背景技术：
：高焓脉冲风洞是高马赫数地面试验设备的一种，目的是要尽可能复现飞行器的飞行环境，并结合测试技术，获得飞行器模型在该环境下的气动参数。脉冲风洞最早是基于激波管原理发展起来的，根据运行方式的不同，有直通型激波风洞、反射型激波风洞、炮风洞及管风洞等。基于激波管原理发展起来的激波风洞由于存在“大喉道效应”(被驱动段管径与喷管喉道尺寸不匹配)，难以保证喷管收缩比较小情况下的破膜重复性，使得设备很难应用到马赫数5以下。管风洞作为一种特殊的脉冲设备，由于结构简单、参数调节方便、流场品质高等优点，已在亚/跨/超声速领域得到了发展和应用。随着高超声速飞行器研制需求的增加，脉冲型风洞急需向较低马赫数段扩展，特别是需要具有跨马赫数运行能力。如美国CUBRCLENSII激波风洞进一步升级改造后马赫数范围为2.7～8.0，但是均以牺牲设备有效运行时间及流场品质为代价。因此如何在保证脉冲型风洞性能的前提下扩大马赫数运行范围，成为研究重点，技术手段需要进一步发展。技术实现要素：本发明旨在提出一种组合式宽马赫数高焓风洞管体结构，以解决现有脉冲风洞在宽马赫数范围内运行困难、流场品质低的问题。本发明的技术方案是：一种组合式宽马赫数高焓风洞管体结构，包括：高压驱动段1、双膜段2、第一低压被驱动段3、第二低压被驱动段4，各部段之间采用法兰形式连接，其特征在于，在实现双模态组合驱动运行时，通过第二低压被驱动段4与高温段5之间的替换拓展风洞马赫数运行范围，其中高温段5包含上游高温隔离装置6、加热管7及管外加热系统8和下游高温快开系统9，管外加热系统铺设于加热管外围，各部段之间采用法兰形式连接。所述管外加热系统8含内层高温加热体10和外层保温层11，内层高温加热体直接与加热管体表面接触，在其外边面包裹保温层。所述高温加热体一般采用电加热形式，通过高温电阻元件对蓄热体进行预热。所述高压驱动段1、双膜段2、第一低压被驱动段3，通过第二低压被驱动段4与高温段5之间的更换，实现双模态组合驱动运行方式。所述双模态组合驱动运行方式，在中低马赫数段采用管风洞运行模式，在马赫数＞5.0，以激波风洞模式运行。所述管体的直径由管风洞运行模态确定，管体总长及各部段的比例需要综合考虑两种运行模态。所述管体的直径，由管风洞运行模态确定，其值的选取受到两方面限制：一方面，为了减弱膨胀波在冷/热段交界面上的反射，从流量守恒关系出发，可以从理论上推导出冷段管径与高温段管径存在以下关系：其中，dhot为高温段管体内径，dcold为冷段管体内径，Thot为高温段管体内部气体温度(由试验条件决定)，Tcold为冷段管体内部气体温度(通常为常温)；另一方面，考虑到管壁附面层影响，管体内部流动马赫数M1通常介于0.02～0.2之间，该值取决于喷管出口尺寸与高温段管径比值，具体关系式如下：其中，d*为喷管喉道尺寸，r为气体比热比。同时，试验气体总温、总压与高温段内气体总温、总压有如下关系：其中，下标t,1表示试验气体参数，下标0表示高温段内气体参数。所述管体的长度，管体总长及各部段的比例需要综合考虑两种运行模态，管风洞运行模式下，运行时间与管体总长及高温段管体长度之间存在以下关系式：其中，t1为运行时间，L为管体总长，ΔL为高温段管体长度，a为管内声速，u为管内流速。本发明的有益效果：为了解决上述问题，本发明提出了一种双模态组合驱动运行方式：在中低马赫数段(马赫数3.0～5.0)，采用管风洞运行模式，通过管外高温加热，可复现飞行条件总焓；在高马赫数段(马赫数＞5.0)，以激波风洞模式运行，焓值可进一步提高。附图说明图1为本发明的组合式宽马赫数高焓风洞管体布局及替换示意图。图2为本发明的高温段加热系统结构示意图。具体实施方式如图1所示，组合式宽马赫数高焓风洞，它包括：管体部分、喷管段、试验段、真空舱等；各部段之间采用法兰形式连接。管体部分包括：高压驱动段1、双膜段2、第一低压被驱动段3、第二低压被驱动段4、高温段5，其中高温段5包含上游高温隔离装置6(可采用球阀或截止阀，开启时间5s以内)、加热管7及管外加热系统8和下游高温快开系统9(可采用轴流阀或破膜装置，开启时间15ms以内)。管外加热系统8含内层高温加热体10和外层保温层11，内层高温加热体直接与加热管体表面接触，在其外边面包裹保温层。高温加热体一般采用电加热形式，通过高温电阻元件对蓄热体进行预热。高压驱动段1、双膜段2、第一低压被驱动段3，通过第二低压被驱动段4与高温段5之间的更换，实现双模态组合驱动运行方式。双模态组合驱动运行方式，在中低马赫数段采用管风洞运行模式，在马赫数＞5.0，以激波风洞模式运行。管体的直径由管风洞运行模态确定，管体总长及各部段的比例需要综合考虑两种运行模态。如图2所示，本发明中的⑤高温段中的管外加热系统包括⑨内层高温加热体和⑩外层保温层。内层高温加热体直接与加热管体表面接触，在其外边面包裹保温层。高温加热体一般采用电加热形式，通过高温电阻元件对蓄热体进行预热。该方案具体实施设计方法分为以下几个方面：1)管体的直径管体的直径由管风洞运行模态确定，其值的选取受到两方面限制：一方面，为了减弱膨胀波在冷/热段交界面上的反射，从流量守恒关系出发，可以从理论上推导出冷段管径与高温段管径存在以下关系：其中，dhot为高温段管体内径，dcold为冷段管体内径，Thot为高温段管体内部气体温度(由试验条件决定)，Tcold为冷段管体内部气体温度(通常为常温)。另一方面，考虑到管壁附面层影响，管体内部流动马赫数M1通常介于0.02～0.2之间，该值取决于喷管出口尺寸与高温段管径比值，具体关系式如下：其中，d*为喷管喉道尺寸，r为气体比热比。同时，试验气体总温、总压与高温段内气体总温、总压有如下关系：其中，下标t,1表示试验气体参数，下标0表示高温段内气体参数。以马赫数3.5、试验段气体总温750K、喷管出口尺寸Φ300mm为例，冷段管径(包括高压驱动段、双膜段、低压被驱动段1)可取为Φ255mm，高温段管径可取为Φ200mm，低压被驱动段2管径与冷段管径相同。2)管体的长度管体总长及各部段的比例需要综合考虑两种运行模态。管风洞运行模式下，运行时间与管体总长及高温段管体长度之间存在以下关系式：其中，t1为运行时间，L为管体总长，ΔL为高温段管体长度，a为管内声速，u为管内流速。下标1表示初始膨胀波通过但反射膨胀波未到达时的管内流动参数，下标0表示初始管内参数。根据管风洞运行时间要求，可以确定管体总长和高温段长度，在此基础上，合理分配激波风洞模态高压驱动段和低压被驱动段比例，可以获得理论最长试验时间，如果该有效试验试验时间不能满足激波风洞模态试验需求，重新选取管体总长(可等比例延长)，以保证宽马赫数范围的有效试验时间。以管风洞200ms有效试验时间为例，风洞总长可取为35m，高温段长度10m；激波风洞模态对应的高压驱动段可取为10m，低压被驱动段1可取为15m，低压被驱动段2为10m，可保证马赫数5～8范围内30ms有效试验时间。下表为理论分析得到的马赫数6时不同驱动比下的试验参数(低压被驱动段压力1bar)。驱动压力P4(bar)204060100有效试验时间tr(ms)37.037.531.635.4驻室气体压力峰值(bar)18.435.048.278.6驻室气体压力谷值(bar)16.533.749.473.4驻室气体压力波动(％)-5.4～+5.4-1.9～+1.9-1.2～+1.2-3.4～+3.4驻室气体温度峰值(K)743.4946.81085.21304.0驻室气体温度谷值(K)720.7936.11077.61278.9驻室气体温度波动(％)-1.6～+1.6-0.6～+0.6-0.4～+0.4-1.0～+1.0本发明的具体过程：激波风洞模式下，分别在双膜段2和第二低压被驱动段4末端放置膜片，试验前在膜片两侧(高压驱动段和低压被驱动段)充以不同压力的气体。上游膜片破裂后，在膜片处产生一道运动激波向被驱动段传播，用于对试验气体加温加压，当激波传播到第二低压被驱动段4末端，高温高压气流冲破二道膜片，试验开始；管风洞模式下，第二低压被驱动段4与高温段5相互更换，其中高压驱动段1、双膜段2和第一低压被驱动段3组成管体冷段。关闭上游高温隔离装置6和下游高温快开系统9，分别对冷段和高温段充以不同压力的气体，通过管外加热系统对管内气体进行加热。当达到指定的温度和压力后，先后打开上游高温隔离装置6、下游高温快开系统9，试验开始。本发明所提出的组合驱动方式，在工程实际应用中具有可操作性。本发明在结构上与传统脉冲风洞相似，没有复杂的作动控制机构，高温段管体的加热温度和长度，可按试验要求设计由气动运行原理满足，结构简单、可靠。在中低马赫数下采用管风洞运行方式，可延长有效运行时间，同时保证试验段流场的品质。以上示例仅为本发明的一种参数选取参考而已，并非用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的原理之内，所作的任何修改、替换或者改进等，均在本发明的保护范围之内。当前第1页1 2 3