一种高海拔宽速域流动模拟系统和方法

本发明涉及高海拔风洞，具体涉及一种高海拔宽速域流动模拟系统和方法。

背景技术：

1、风洞是以人工的方式产生并且控制气流，用来模拟飞行器或实体周围气体的流动情况，并可量度气流对实体的作用效果以及观察物理现象的一种管道状实验设备，它是进行空气动力实验最常用、最有效的工具之一。

2、目前地面模拟飞行装置主要以风洞为主。按速度可分为：风洞(ma<0.4)、亚声速风洞(ma＝0.4～0.7)、跨声速风洞(ma＝0.5～1.3)、超声速风洞(ma＝1.5～4.5)、高超声速风洞(ma＝4.5～12)和极高速度风洞(ma>12)。

3、高原环境下气压低，空气密度小，与平原环境有很大差别，对于海拔4500m的高原环境，气压降至约60kpa，气温降至约260k。目前行业内对高原环境下的风洞技术研究还存在诸多不足，制约航空航天事业的发展。

4、高原环境是低温低压环境，低速时，模拟需对气源制冷并且产生负压；高速时，需对气源加热并提供正压；现有的模拟高原环境的风洞一般只有制冷设备，无法加热；模拟超声速的设备，一般只有加热器，无法制冷。

5、因此，虽然国内外已经建立了很多大型风洞设施，能够复现低密度、低温和低气压的高空真实环境，但其复现的风洞气流速度速度较低，基本处于亚声速，难以模拟高速、超高速环境。例如美国awt风洞模拟马赫数范围为0～0.9，日本mwt风洞模拟马赫数0～0.7。

6、而能模拟跨声速的设备，其模拟高度通常为海拔0米或万米以上高空，不能模拟高原的低温低压环境。

7、综上，现有的风洞技术中能够模拟高原低温低压环境的风洞，却难以模拟高速、超高速环境；能够模拟超声速的风洞，却无法模拟高原的低温低压环境；因此，其难以同时满足模拟高原的同时实现超声速的模拟。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种高海拔宽速域流动模拟系统和方法，以解决现有技术的风洞难以同时满足模拟高原的同时实现超声速的模拟的的技术问题。

2、为解决上述技术问题，本发明具体提供下述技术方案：

3、一种高海拔宽速域流动模拟系统，包括依气流通过顺序依次连接设置的进气管、冷交换器和热交换器、冷气针阀和热气针阀、汇流器、稳定段、喷管、驻室和背压生成装置；

4、所述进气管用于接通高压气源，以向系统提供高压气流；

5、所述冷交换器和所述热交换器并列设置，且均连接于所述进气管上，分别用于对所述进气管输入系统的高压气流降温和加热；

6、所述冷气针阀和所述热气针阀分别与所述冷交换器和所述热交换器连通，用于调控低温气流和高温气流的输入比和输入气流总量，以调节所述稳定段和所述驻室的气流的温度和压力，模拟高海拔的气压环境与温度环境；

7、所述汇流器的两个进气端分别与所述冷气针阀和所述热气针阀连接，用于汇聚混合低温气流和高温气流，混合气流经所述汇流器的出气端进入所述稳定段；

8、所述稳定段的管径大于所述汇流器的管径，用于用于稳定混合气流，使混合气流温度均匀；

9、所述喷管设置有多个，并且每个所述喷管的喉道直径与出口直径之比不同，比值越大，喷出的气流速度越小；所述喷管能够拆卸替换，以调节气流速度，模拟宽速域流场；

10、所述驻室用于放置飞行器模型，进行飞行模拟实验；

11、所述背压生成装置用于抽吸所述驻室来流，以在所述驻室中形成稳定流场，并调节所述驻室内的静压力；

12、所述稳定段和驻室中均设置有传感器，能够实时采集温度、压力和风速的数据，并传输至工控机，以便调整实验并监控实验状态。

13、作为本发明的一种优选方案，所述背压生成装置包括引射器和真空泵；

14、所述驻室和所述引射器通过扩压管连接，并且所述引射器与扩压管之间设置有射流调节阀，所述引射器的环管通过引射供气阀与所述热交换器连通；

15、所述扩压管上还设置有分流管，用于连通所述真空泵；

16、模拟亚声速流场时，所述引射供气阀和所述射流调节阀关闭，通过所述真空泵抽吸驻室来流；

17、模拟跨声速流场或超声速流场时，所述引射供气阀和所述射流调节阀开启，通过所述真空泵和所述引射器共同抽吸驻室来流。

18、作为本发明的一种优选方案，所述引射器环向设置有多路引射喷管，所述射流调节阀环向设置有多个气流出口，所述引射喷管与所述气流出口一一对应连通；

19、每路所述气流通道上均设置有球阀，以根据系统运行工况，调节组合恰当的所述引射喷管工作。

20、作为本发明的一种优选方案，所述引射器的出气口连通有消声器。

21、作为本发明的一种优选方案，所述汇流器与所述稳定段之间安装有伸缩套管，在供气管路热胀冷时能够伸缩，以补偿管路长度变化。

22、作为本发明的一种优选方案，所述稳定段的底部安装有滑轨，使所述稳定段能够压缩或拉长所述伸缩套管进行左右移动，以便更换所述喷管。

23、作为本发明的一种优选方案，所述冷交换器和所述冷气针阀之间的管路上连接有冷气管，所述热交换器和所述热气针阀之间的管路上连接有热气管；

24、所述冷气管和所述热气管均通过支管路与横向风缓冲器连通，所述横向风缓冲器的出气端与所述驻室连通，以模拟侧向干扰风；

25、所述支管路上依气流流动顺序依次设置有限流喷管和同轴电磁阀，所述同轴电磁阀通过pwm控制，以控制所述横向风缓冲器吹入所述驻室的气流的温度和风速。

26、作为本发明的一种优选方案，所述驻室的一侧还连通补气缓冲器，所述补气缓冲器通过两个支管分别与所述冷气管和所述热气管连通，支管上也设置有限流喷管和同轴电磁阀，用于实时调节驻室内的压力。

27、为解决上述技术问题，本发明还进一步提供下述技术方案：

28、一种高海拔宽速域流动模拟方法，使用上述的一种高海拔宽速域流动模拟系统，包括以下步骤：

29、根据预设的模拟流速，在稳定段与驻室之间安装对应的喷管；

30、启动背压生成装置将稳定段和驻室压力抽至预定压力；

31、打开进气管上的气动球阀，通过冷交换器和热交换器将进气管输入的高压气流降温或加热，根据控制策略，设置冷气针阀和热气针阀的开启百分比；

32、冷热气流经过汇流器汇流，混合气流在稳定段充分混合，后经过喷管加速至预设速度后进入驻室内；

33、通过背压生成装置抽吸驻室来流，以在驻室中形成稳定流场；

34、控制稳定段末端和驻室内的压力及温度数据与预设数据误差在10％以内；

35、保持系统流场运行10s以上，后关闭进气管和背压生成装置。

36、作为本发明的一种优选方案，控制数据误差的方法如下：

37、将采集的稳定段末端和驻室内的温度数据及压力数据与预设数据做比对；

38、若采集温度高于预设温度，则增大热气针阀的开启度和/或减小冷气针阀的开启度；若采集温度低于预设温度，则减小热气针阀的开启度和/或增大冷气针阀的开启度；

39、若稳定段末端总压的采集数据低于预设数据，则增大冷气针阀和热气针阀的开启度；若稳定段末端的总压采集数据高于预设数据，则减小冷气针阀和热气针阀的开启度；

40、若驻室内的静压采集数据高于预设数据，则增大背压生成装置的抽吸速度；若驻室内的静压采集数据低于预设数据，则减小背压生成装置的抽吸速度。

41、作为本发明的一种优选方案，若模拟亚声速流场，则关闭射流调节阀，单独通过真空泵抽吸驻室来流；

42、若模拟跨声速流场或超声速流场，则开启射流调节阀，通过真空泵和引射器共同抽吸驻室来流。

43、作为本发明的一种优选方案，将侧向风干扰装置中的两个同轴电磁阀开启，热气管和冷气管中的气流进入横向风缓冲器内缓冲混合；

44、后混合气流通过驻室上的横向风喷口吹入驻室内，模拟高海拔环境侧向风；

45、pwm可控制两个同轴电磁阀的开合度，以控制吹入驻室内的气流的压力、风速和温度。

46、本发明与现有技术相比较具有如下有益效果：

47、该方法能够既能够通过调节冷气针阀和热气针阀的开启度来模拟高海拔的低温低压环境，又能够通过更换喉道内径与出口直径比值不同的喷管，在低温低压环境中模拟亚声速气流、跨声速气流和超声速气流，在同一风洞中实现高海拔环境中的宽速域气流模拟。

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