一种基于斜爆震发动机实验的斜劈滑轨装置

本发明属于斜爆震发动机实验，特别涉及一种基于斜爆震发动机实验的斜劈滑轨装置。

背景技术：

1、近年来，高马赫数领域的动力技术不断发展，取得了很大的突破，但是在探索的过程中也遇到了很多难题，研究人员拟寻找更适合于高马赫数的燃烧组织模式。

2、爆震波是一道以超声速传播的带化学反应的激波，波后的热力学状态参数急剧增加，反应物跨过爆震波面迅速转变成燃烧产物并释放能量。爆震燃烧近似为等容燃烧，相比于爆燃燃烧而言具有更高的热力循环效率[1]。斜爆震是高速来流在楔面等构型上产生诱导斜激波(obliqueshockwave,osw)，与燃烧波耦合来实现燃烧的，而斜爆震发动机就是基于斜爆震燃烧的装置。

3、斜劈诱导产生斜爆震，是斜爆震实验中常用的典型起爆方式之一。受限空间中斜爆震的起爆和爆震波的传播，受到上壁面所反射的复杂波系的作用，与无限空间有着很大的不同。lee等[2]数值模拟了爆震在受限空间中的起爆过程，发现壁面反射也能够诱导爆震起爆，同时能够降低起爆的来流马赫数要求。受限空间末端的几何扩张造成的膨胀波以及分离泡，会对爆震波波面的驻定形态及稳定性造成影响。李冠霄等[3]数值模拟研究了燃烧室扩张段起点相对于爆震波楔面位置对爆震起爆驻定的影响，发现扩张段起点的膨胀波能够与爆震波相互作用形成局部分离区。斜劈角度也是影响起爆驻定很重要的因素之一。刘彧等[4]通过风洞实验发现斜劈角度过小无法起爆。韩信等[5]通过理论分析和数值模拟发现斜劈角度过大，容易形成过驱动斜爆震波，也会产生额外的阻力。姜宗林[6]提出，当来流和楔面大于一定值时才能起爆。彭俊等[7]通过数值模拟研究获得了指定来流马赫数下正常工作的楔角范围。所以设计一种可变斜劈起点及楔角的实验装置，具有很大的研究意义。

4、专利方面，陈伟强等[8]公开了一种爆震发动机及推进系统，其楔面角度是一种伸缩机械结构，可根据来流调整。唐豪等[9]公开了一种双支撑杆组件控制斜劈的爆震发动机，控制楔面角度等形态，使得爆震波最优化。张小兵等[10]发明了一种局部大角度楔面的新型楔面结构，所述局部大角度楔面两端分别与前楔面和后楔面可转动连接，对爆震波的起爆位置进行控制。滕宏辉等[11]公开了一种通过来流监控和动作控制器来控制燃烧室内壁前后两段的位置来进一步稳定爆震的装置。滕宏辉等[12]还公开了一种控制燃烧室上壁面型面的装置，通过两个伸缩杆来控制型面的两个节点，控制爆震波。以上研究人员发明的装置未涉及斜劈起点或斜劈角度的单变量试验器，他们的重点放在工程设计方面，改变伸缩杆的同时会改变斜劈角度、高度和斜劈起点等，耦合变量较多，机械结构复杂，不利于斜劈起点位置的单变量稳定控制的实验研究。陈硕等[13]公开了一种爆震燃烧室的实验器，燃烧室下壁面为可拆卸结构，下壁面拆卸后可更换斜劈角度和起点位置。虽然其可以单独改变斜劈起点或斜劈角度，但是拆卸式结构不利于实验操作，每次需要更换燃烧室下壁面，也消耗了大量的物料，成本高。

5、下面是对于上述背景技术中引用的引证文件的说明：

6、[1]苗世坤,周进,刘彧,等.超声速气流中的斜爆震研究进展综述[j].实验流体力学,2019,33(01):41-53.

7、[2]leeh,fanw,xiaoq.numericalinvestigationoftheinitiationand propagationofobliquedetonationwavesinaconfinedcombustionchamber[c].the52ndaiaa/sae/aseejointpropulsionconference,2016.

8、[3]李冠霄,滕宏辉,张国庆.基于受限空间影响的二维斜爆轰波稳定性研究[c].中国力学大会,2019.

9、[4]刘彧,周进,林志勇.来流边界层效应下斜坡诱导的斜爆轰波[j].物理学报,2014,63(20):225-232.

10、[5]韩信,刘云峰,张子健,等.提高高马赫数超燃冲压发动机推力的理论方法[j].力学学报,2022,54(03):633-643.

11、[6]姜宗林.关于超声速燃烧与高超动力[j].力学进展,2021,51(01):130-140.

12、[7]彭俊,马嘉文,杨鹏飞,等.斜爆轰波系在受限空间内的演变及其临界条件的数值研究[j].推进技术,2021,42(04):738-744.

13、[8]陈伟强,梁剑寒,蔡晓东,林志勇,刘世杰,袁雪强,蒋露欣,孙健.一种超声速爆震发动机及其推进系统[p].中国湖南：cn106968833a,2017-07-21.

14、[9]唐豪,陈楠,许鹏飞.一种基于可变斜楔角的驻定爆震发动机[p].中国江苏省：cn108488004a,2018-09-04.

15、[10]张小兵,秦琼瑶.一种利用局部大角度楔面控制斜爆轰波的楔面结构[p].中国江苏省：cn111608820a,2020-09-01.

16、[11]滕宏辉,郗雪辰,王宽亮,张宇航.一种斜爆震波驻定控制方法及变几何燃烧室[p].中国北京市：cn112594737a,2021-04-02.

17、[12]滕宏辉,王宽亮.一种斜爆震发动机燃烧室喷管一体化控制方法及装置[p].中国北京市：cn112761817a,2021-05-07.

18、[13]陈硕,马虎,夏镇娟,谢宗齐,李盛.一种可变斜楔角度和起点的斜爆震发动机燃烧室实验装置[p].中国江苏省：cn115307919a,2022-11-08.

19、[14]张小兵,秦琼瑶.一种利用局部大角度楔面控制斜爆轰波的楔面结构[p].中国江苏省：cn111608820a,2020-09-01.

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种基于斜爆震发动机实验的斜劈滑轨装置，以解决现有斜爆震发动机存在的不能既满足斜劈起点能单独改变，又能满足改变过程简单、成本低的技术问题。

2、本发明所采用的技术方案是，一种基于斜爆震发动机实验的斜劈滑轨装置，其特殊之处在于：

3、包括燃烧室、喷管、斜劈以及滑轨滑块组件；

4、所述燃烧室的内腔形状为长方体状且该长方体对应的左右端面均开口；在所述燃烧室的前后壁面上设置有前后对称的观察窗；所述燃烧室的左端用于与掺混段连接；

5、所述喷管设置在燃烧室的右侧且二者的内腔连通；所述喷管的前后两侧的两个喷管侧壁面与喷管下壁面之间固连或者三者为一体件，且三者的左端分别一一对应地与燃烧室的前后壁面以及燃烧室下壁面的右端固连；所述喷管下壁面左高右低倾斜设置，其左端与燃烧室下壁面右端连接处内表面的交线位置为喷管下壁面扩张段起始位置；所述喷管的喷管上壁面设置在所述两个喷管侧壁面之间，且左低右高倾斜设置；

6、所述斜劈设置在燃烧室和喷管的内腔中，且可拆卸固连在喷管上壁面的左端一侧；所述斜劈的上方水平面与燃烧室的燃烧室上壁面的内侧表面相切，且斜劈的斜面与斜劈的上方水平面相交于斜劈的左端端部，该斜劈的左端端部即为斜劈起点；

7、所述滑轨滑块组件中，滑轨固定设置在燃烧室上壁面的外侧上表面上，滑块固连在喷管上壁面的外侧上表面上，可沿滑轨左右滑动。

8、进一步地，为了减少装配缝隙和装配面，避免实验时来流在流场中产生不必要的激波，影响内流场流动，所述两个喷管侧壁面的内侧表面分别一一对应的与燃烧室的前后壁面的相应内侧表面共面。

9、进一步地，为了滑轨滑块组件结构简单，并且当滑块滑动到合适位置时，能够将滑块定位和锁紧在轨道上，所述滑轨滑块组件还包括滑块固定组件；

10、所述滑轨包括由左至右依次排布的过渡段和轨道；所述轨道通过过渡段与燃烧室上壁面的外侧上表面固连；所述轨道为由垂直于左右方向的轨道横截面沿左右方向的轴线拉伸而成的形状，且所述轨道横截面的形状为第一矩形；

11、所述滑块通过滑块连接板固连在喷管上壁面的外侧上表面上；所述滑块为由垂直于左右方向的滑块横截面沿左右方向的轴线拉伸而成的形状；所述滑块横截面的形状为内部是第二矩形，外部为由上方是第三矩形，下方是梯形或第四矩形，且上方第三矩形的下方两个顶点与下方梯形或第四矩形的上方两个顶点重合组合而成的形状；所述滑块横截面的内部所述第二矩形的尺寸与轨道横截面尺寸相适配，滑块套装在轨道上；

12、所述滑块固定组件用于将滑块定位和锁紧在轨道上。

13、进一步地，为了将滑块定位和锁紧在轨道上的操作简单，对滑块的定位和锁紧可靠，所述滑块固定组件包括至少两个法兰螺栓、与该法兰螺栓相适配的且数量相等的螺母，以及多个螺钉；

14、在所述轨道的下表面上设置有沿前后方向阵列排布的至少两个轨道凹槽；所述轨道凹槽沿左右方向延伸，且该轨道凹槽的横截面尺寸与所述螺母的外形尺寸相适配；在每个轨道凹槽的槽底平面上设置有左右方向起点位置、孔间距以及孔数量均相同的沿左右方向阵列排布的多个轨道定位通孔，且该轨道定位通孔的孔径与所述法兰螺栓的螺杆径向尺寸相适配；

15、在所述滑块的上表面上位于右端端部的位置设置有横截面为u型且u口朝右的沿上下方向贯通的u型凹槽，所述u型凹槽的数量与轨道凹槽的数量相等且其前后方向的位置与轨道凹槽前后方向的位置相适配，所述u型凹槽的u型尺寸与所述法兰螺栓的螺杆径向尺寸相适配；

16、所述法兰螺栓依次穿过u型凹槽、轨道定位通孔后，与卡装在轨道凹槽中的螺母连接，用于限制滑块在轨道上左右滑动的自由度；在所述滑块的内腔下表面上设置有与所述u型凹槽数量相等且其位置与u型凹槽位置相对应的让位凹槽，所述让位凹槽用于给法兰螺栓伸出所述螺母后的螺杆尾端让位；

17、在所述滑块的上表面上以及前后侧面上分别设置有多个与所述螺钉相适配的螺纹孔，所述螺钉的数量与螺纹孔的数量相等，螺钉设置在螺纹孔中，通过螺钉限制滑块上下方向和前后方向的自由度。

18、进一步地，阵列排布的所述多个轨道定位通孔中位于最左端的轨道定位通孔的轴线，与斜劈最右端的竖直端面和所述喷管下壁面扩张段起始位置位于同一竖直平面内时，法兰螺栓靠u型凹槽最左端设置，法兰螺栓的轴线同轴。这样设置，为测量斜劈起点的位移量提供了一个测量基准，便于实验时对斜劈起点的位移量进行测量，而斜劈起点相对于喷管下壁面扩张段起始位置来说，起爆震主导作用的是斜劈起点，因此，这样设置方便研究斜劈起点位置对爆震波起爆驻定的影响。

19、进一步地，所述多个轨道定位通孔的孔间距为10mm±0.2mm。这样设置，在不同楔角的斜劈与喷管上壁面相连接部分结构、尺寸完全相同的情况下，也即在斜劈的最右端竖直面沿上下方向的高度不变的情况下，本发明装置中的斜劈在日常实验中常用的楔角为20°、25°、30°的斜劈之间进行更换时，可以实现斜劈起点不变，只单独改变斜劈角度，进而可以研究斜劈角度单独改变对爆震波起爆驻定的影响。

20、进一步地，为了既能使定位、锁紧、导向效果更优，又能使结构简单、成本低，在每个轨道的下表面上设置的所述轨道凹槽的数量、在每个滑块的上表面上位于右端端部的位置设置的所述u型凹槽的数量以及在滑块的内腔下表面上设置的所述让位凹槽的数量均为两个；

21、所述滑块固定组件包括两个法兰螺栓和两个螺母；

22、所述滑轨滑块组件有两组；两组所述滑轨滑块组件沿燃烧室前后方向前后对称设置。

23、进一步地，为了更换斜劈方便，在所述喷管上壁面的右端端部固连有斜劈连接板，且该斜劈连接板的板面垂直于左右方向；在所述斜劈连接板的左侧板面上位于前后两侧的位置设置有向左凸起的喷管上壁面定位凸起，用于与斜劈连接时的定位与贴合；

24、所述斜劈的外形为由垂直于前后方向的直角三角形沿前后方向的轴线拉伸而成的形状；在所述斜劈的最右端的竖直端面上设置有与所述喷管上壁面定位凸起相适配的斜劈定位凹槽；

25、所述斜劈通过斜劈连接板可拆卸固连在喷管上壁面的左端一侧。

26、进一步地，为了结构简单，在燃烧室的前后壁面上每个面设置的所述观察窗的数量为一个，且燃烧室的前后壁面由观察窗的观察窗框架充当。

27、进一步地，为了方便连接，所述燃烧室的左端设置有燃烧室法兰，通过燃烧室法兰与掺混段连接。

28、本发明的有益效果是：

29、(1)本发明的基于斜爆震发动机实验的斜劈滑轨装置，是一种滑轨式斜爆震燃烧室，斜劈在喷管上壁面的带动下，随着滑块在滑轨上的左右滑动而左右移动，因此可以对斜劈在左右方向上的位置进行单独调整，即能单独改变斜劈起点；本发明中采用滑轨滑块组件改变斜劈起点位置，滑轨、滑块为免拆卸结构，改变斜劈起点位置操作简单，节省人力物力，成本低；因此，本发明解决了现有斜爆震发动机存在的不能既满足斜劈起点能单独改变，又能满足改变过程简单、成本低的技术问题。本发明中的斜劈可拆卸固连在喷管上壁面的左端一侧，可以对斜劈进行更换，为单独调整斜劈角度提供了条件。

30、(2)本发明的基于斜爆震发动机实验的斜劈滑轨装置，通过滑轨滑块组件可以对斜劈位置进行小幅度、宽范围调节，使得爆震波驻定在相对于受限空间末端理想的位置以获得最佳爆震波形态及最佳性能，同时能够研究喷管下壁面扩张段起始位置与斜劈起点相对位置的变化对斜爆震波的影响。

31、(3)本发明中优选地在轨道上设置有沿左右方向阵列排布的多个轨道定位通孔，多个轨道定位通孔之间的孔间距可以设置很小，能够为斜劈在左右方向提供多位置，进而能够为实验提供更多的工况条件，便于实验研究。

32、(4)本发明中优选地阵列排布的多个轨道定位通孔中位于最左端的轨道定位通孔的轴线，与斜劈最右端的竖直端面和喷管下壁面扩张段起始位置位于同一竖直平面内时，法兰螺栓靠u型凹槽最左端设置，法兰螺栓的轴线同轴。这样设置，为测量斜劈起点的位移量提供了一个测量基准，便于实验时对斜劈起点的位移量进行测量，而斜劈起点相对于喷管下壁面扩张段起始位置来说，起爆震主导作用的是斜劈起点，因此，这样设置方便研究斜劈起点位置对爆震波起爆驻定的影响。

33、(5)本发明中优选地多个轨道定位通孔的孔间距为10mm±0.2mm。这样设置，在不同楔角的斜劈与喷管上壁面相连接部分结构、尺寸完全相同的情况下，也即在斜劈的最右端竖直面沿上下方向的高度不变的情况下，本发明装置中的斜劈在日常实验中常用的楔角为20°、25°、30°的斜劈之间进行更换时，可以实现斜劈起点不变，只单独改变斜劈角度，进而可以研究斜劈角度单独改变对爆震波起爆驻定的影响。