一种管风洞的缓冲结构及方法与流程

本发明涉及一种管风洞的缓冲结构及方法，属于高马赫数试验。

背景技术：

1、管风洞作为一种特殊的脉冲设备，管风洞洞体为一根长的等直径管子，上游端部密封，下游通过膜片或快速阀连接喷管，喷管下游依次连接试验段和真空罐。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，近年来在超声速及高超声速领域也得到了发展。

2、由于脉冲型风洞独特的运行方式，通常采用膜片破裂等快速开启的措施，使得在风洞起动的瞬间存在强大的冲击力，且由于管风洞洞体内存在非定常激波与膨胀波系，冲击力存在振荡特性，会给风洞的管风洞洞体、模型及支撑系统带来较大的冲击。为了抑制冲击载荷的影响，管风洞一般采用浮动式运行方式，即整个管风洞洞体（包括试验舱）通过滑动支撑架于支座上，模型则通过与试验舱隔开的单独支撑系统固定在基础上，以上参见公开号为cn112697382a公开的一种高超声速风洞试验段内模型机构的隔振方法，运行过程中的冲击能量通过与地面的滑动摩擦进行消耗，同时也保证了模型的静止，满足了常规暂冲式风洞相对运行的原理要求。

3、然而，随着管风洞在诸多试验中发挥越来越重要的作用，特别是高速转捩试验的需求，对自由流的扰动要求极其严格，尽可能降低自由流扰动、再现实际飞行环境下的扰动量级是主要用于转捩试验的管风洞设计核心。

4、管风洞由于不存在调压阀、稳定段等结构，其简单的结构形式使得自由流扰动先天低于传统的暂冲式风洞。近年来，层流喷管设计技术得到长足发展，如公开号为cn207923408u公开的一种用于管风洞的低扰动宽马赫数风洞层流双喷管设计方法，使得试验段自由流扰动得到进一步控制。与此同时，导致管体振动对自由流扰动带来的影响占比逐渐加大。

5、由上所述，为了满足转捩试验的特殊要求，已经不仅限于满足抑制冲击载荷对模型等的影响，更需要从源头上降低管风洞洞体的结构振动，因此，亟需提出一种新型的管风洞的缓冲结构及方法，以解决上述技术问题。

技术实现思路

1、本发明研发目的是为了提出一种管风洞缓冲结构，以解决减小管体振动对自由流扰动影响的问题，在下文中给出了关于本发明的简要概述，以便提供关于本发明的某些方面的基本理解。应当理解，这个概述并不是关于本发明的穷举性概述。它并不是意图确定本发明的关键或重要部分，也不是意图限定本发明的范围。

2、本发明的技术方案：

3、方案一、一种管风洞的缓冲结构，包括管风洞洞体、波纹管、充气密封、滑动密封、膜片和喷管，波纹管的上游与管风洞洞体固定连接，波纹管的下游与喷管固定连接，管风洞洞体与喷管的外壁面之间设有充气密封和滑动密封，喷管内装有膜片。

4、优选的：所述管风洞洞体的下游端部固定设置有密封端盖，密封端盖内侧壁与喷管的外壁面之间贴合，且设置有充气密封和滑动密封。

5、优选的：所述波纹管的密封端盖通过端盖法兰固定安装在管风洞洞体的下游端部。

6、优选的：所述波纹管的上游端通过法兰和螺栓与管风洞洞体固定连接。

7、优选的：所述波纹管的下游端通过法兰和螺栓与喷管固定连接。

8、优选的：所述充气密封的材料采用橡胶，且内部具有充气腔室。

9、优选的：所述滑动密封的材料采用石墨。

10、方案二、一种管风洞的缓冲方法，其依托于方案一所述的一种管风洞的缓冲结构实现，包括以下步骤：

11、步骤1，试验前准备阶段，通过外加气压对充气密封进行充气，用于隔离管风洞洞体内的高压与外部环境；

12、步骤2，对管风洞洞体进行高压充气；

13、步骤3，试验开始时，上游驱动压力和下游真空环境达到设定要求后，对充气密封进行放气处理，同时通过膜片破裂实现风洞的瞬态运行；

14、步骤4，在步骤3膜片破裂的瞬态冲击载荷作用下，波纹管出现变形，管风洞洞体相对喷管出现轴向窜动，此时通过滑动密封实现密封，瞬态冲击载荷产生的冲击能量通过波纹管及其内部的空气阻尼系统进行消耗；

15、步骤4.1，所述步骤4的波纹管出现变形，即波纹管受压，压缩量为，此时风洞运行的瞬态冲击载荷为，波纹管的变形力为，波纹管内腔气体阻尼力为，忽略管风洞洞体浮动运行时的摩擦阻力，则有以下关系式：

16、公式（4.1）

17、其中，为管风洞洞体的总质量，为管风洞洞体的瞬时加速度；

18、步骤4.2，通过对瞬时加速度做时间积分，即获得管风洞洞体轴向位移量随时间的变化关系，进而风洞运行的瞬态冲击载荷最大值用以下计算式估算：步骤4.2，通过对瞬时加速度做时间积分，即获得管风洞洞体轴向位移量随时间的变化关系，进而风洞运行的瞬态冲击载荷最大值用以下计算式估算：

19、    公式（4.2）

20、其中，为管风洞洞体的最大充气压力，s为膜片面积；

21、步骤4.3，以喷管为受力分析对象，喷管主要受到以下几个力：波纹管的变形反作用力，与大小相等，方向相反，波纹管内腔气体压缩反作用力，与大小相等，方向相反，则有以下关系式：

22、公式（4.3）

23、其中，为喷管受到的冲击力大小，也是设备基础所需承受的载荷大小；

24、步骤4.4，假设波纹管正常状态下的压缩量为0，当受到冲击作用后，波纹管受压，压缩量为，力的方向以指向下游为正，则有以下关系式：

25、 公式（4.4）

26、其中，为波纹管的弹性系数；

27、步骤4.5，对波纹管内腔气体瞬时压缩过程看成是绝热压缩过程，则有以下关系式：

28、公式（4.5）

29、其中，为初始静止时刻的波纹管内腔气体密度，为初始静止时刻的波纹管内腔容积，为初始静止时刻的波纹管内腔气体压力，为波纹管内腔气体密度，为波纹管内腔容积，为波纹管内腔截面面积，为波纹管内腔气体压力，为气体介质比热比；

30、根据公式（4.5）得出以下关系：

31、 公式（4.6）

32、波纹管瞬时承受的温度有以下关系：

33、公式（4.7）

34、其中，为气体介质常数；

35、根据公式（4.7）得出以下关系：

36、公式（4.8）

37、结合上述关系式，得出以下关系：

38、 公式（4.9）

39、由此，获得风洞运行瞬态冲击载荷与波纹管的压缩量为之间的关系，通过波纹管的压缩量得出风洞运行的瞬态冲击载荷。

40、本发明具有以下有益效果：

41、1.本发明所提出的管风洞缓冲结构，形式简单，与传统脉冲风洞即激波管类风洞和管风洞相比，结合性强，没有复杂的机械作动系统，在工程实际应用中具有可操作性；

42、2.本发明的所提供的管风洞缓冲方法不仅适用于管风洞，也可用于其他脉冲类设备，即适用范围广，形式灵活，实用性强；

43、3.本发明可计算出管风洞瞬态冲击载荷，并借此通过对全系统的受力分析，可以对各部段受力有较为清晰的认识，以便分析试验数据。