较高总温的高超声速风洞加热器结构、高超声速风洞

本申请涉及高超声速风洞，特别涉及一种较高总温的高超声速风洞加热器结构、高超声速风洞。

背景技术：

1、常规高超声速风洞主要由高压气源、稳定段、喷管、试验段和真空系统等组成，风洞运行时高压气体经过喷管膨胀加速到试验段，在试验段建立高超声速气流。对于高超声速风洞，由于马赫数较高，气流膨胀加速过程中温度降低，这时不仅水蒸气和二氧化碳会发生冷凝，而且空气组分本身也可能发生冷凝。为避免气体过饱和而冷凝，需增设各式加热器对气体进行加热，使风洞在无凝结条件下运行。

2、目前广泛采用的加热器，按照加热方式的不同，分为直热式和蓄热式两种。直热式加热器不需要提前蓄热，直接加热实验气流，运行效率高。现有直热式加热器大部分采用金属电热材料，如cr20ni80等，受限于金属电热材料的熔点和温度特性，此类加热器加热气体的温度很难突破800℃。要实现更高的气体温度，当前普遍采用蓄热加热器方式，并且蓄热体一般为刚玉等陶瓷材料，这类加热器结构复杂、成本高。

技术实现思路

1、本申请实施例提供了一种较高总温的高超声速风洞加热器结构，以解决现有高超声速风洞的加热器结构复杂、成本高的技术问题。

2、本申请采用的技术方案如下：

3、一种较高总温的高超声速风洞加热器结构，包括加热器，所述加热器包括加热器壳体、若干蜂窝状支撑盘和硅碳棒，所述蜂窝状支撑盘沿气流流动方向相互平行地间隔设置在加热器壳体内，所述硅碳棒沿加热器壳体轴向间隔插入设置在蜂窝状支撑盘的部分空隙中。

4、进一步地，所述蜂窝状支撑盘的材料为刚玉或氧化锆。

5、进一步地，在加热器的两端设置电极板，所述电极板与硅碳棒电路连接，用于向硅碳棒供电。

6、进一步地，所述电极板采用高温合金钢。

7、进一步地，所述硅碳棒均匀间隔地插入蜂窝状支撑盘的空隙中，蜂窝状支撑盘上未插入硅碳棒的空隙则形成气流通道，用于加强对流换热。

8、进一步地，所述加热器在气流进口设置有将气流均匀引导至各气流通道的入口整流装置。

9、进一步地，所述入口整流装置呈圆锥形且小端指向气流来向，其圆锥面上均匀设置有若干导流孔。

10、进一步地，所述硅碳棒的相关参数通过如下方式确定：

11、设风洞运行总温为t0，风洞质量流量为空气的比热比为cp，以上均采用国际单位制，则风洞单位时间的气体有效吸热功率p为:

12、

13、考虑热损失，设定加热器入口气体的温度为常温300k，设定电功率转换到气体温升的效率为η，该效率根据经验和实验确定，则风洞加热器的需用功率pt为：

14、

15、由此计算得到加热器的实际运行电功率pt；

16、根据加热器直径计算流速，进而根据参数设定对流换热系数h，设定硅碳棒的直径为d，长度为l，则初步计算得到硅碳棒的根数n为：

17、

18、根据所选电压等级，初步确定硅碳棒的电阻值；

19、结合加热器直径、硅碳棒表面热负荷、硅碳棒工作温度，对上述步骤进行循环迭代求解得到最终的硅碳棒根数和电阻值。

20、本申请的另一优选实施例还提供了一种高超声速风洞，包括所述的较高总温的高超声速风洞加热器结构。

21、相比现有技术，本申请具有以下有益效果：

22、1、本申请采用硅碳棒作为电加热材料，可实现较高的气流总温(大于1100℃)，有效解决传统金属电热材料直热式加热器温度不高的问题。

23、2、相比于能够实现更高温度的陶瓷蓄热式加热器，本申请结构更简单、成本更低、使用效率高，无需预热。

24、3、本申请提供的基于硅碳棒的高超声速风洞加热器，结构简单、维护方便，采用蜂窝状支撑盘作为支撑结构，硅碳棒间隔布置，蜂窝孔隙形成回流、分离等流动，有效增强对流换热，提高换热效率。

技术特征：

1.一种较高总温的高超声速风洞加热器结构，包括加热器(8)，其特征在于，所述加热器(8)包括加热器壳体(12)、若干蜂窝状支撑盘(11)和硅碳棒(13)，所述蜂窝状支撑盘(11)沿气流流动方向相互平行地间隔设置在加热器壳体(12)内，所述硅碳棒(13)沿加热器壳体(12)轴向间隔插入设置在蜂窝状支撑盘(11)的部分空隙中。

2.根据权利要求1所述的较高总温的高超声速风洞加热器结构，其特征在于，所述蜂窝状支撑盘(11)的材料为刚玉或氧化锆。

3.根据权利要求1所述的较高总温的高超声速风洞加热器结构，其特征在于，在加热器(8)的两端设置电极板，所述电极板与硅碳棒(13)电路连接，用于向硅碳棒(13)供电。

4.根据权利要求3所述的较高总温的高超声速风洞加热器结构，其特征在于，所述电极板采用高温合金钢。

5.根据权利要求1所述的较高总温的高超声速风洞加热器结构，其特征在于，所述硅碳棒(13)均匀间隔地插入蜂窝状支撑盘(11)的空隙中，蜂窝状支撑盘(11)上未插入硅碳棒(13)的空隙则形成气流通道，用于加强对流换热。

6.根据权利要求1所述的较高总温的高超声速风洞加热器结构，其特征在于，所述加热器(8)在气流进口设置有将气流均匀引导至各气流通道的入口整流装置(10)。

7.根据权利要求6所述的较高总温的高超声速风洞加热器结构，其特征在于，所述入口整流装置(10)呈圆锥形且小端指向气流来向，其圆锥面上均匀设置有若干导流孔。

8.根据权利要求1所述的较高总温的高超声速风洞加热器结构，其特征在于，所述硅碳棒(13)的相关参数通过如下方式确定：

9.一种高超声速风洞，其特征在于，包括如权利要求1至8中任一项所述的较高总温的高超声速风洞加热器结构。

技术总结
本申请公开了一种较高总温的高超声速风洞加热器结构、高超声速风洞，所述高超声速风洞加热器结构包括加热器，所述加热器包括加热器壳体、若干蜂窝状支撑盘和硅碳棒，所述蜂窝状支撑盘沿气流流动方向相互平行地间隔设置在加热器壳体内，所述硅碳棒沿加热器壳体轴向间隔插入设置在蜂窝状支撑盘的部分空隙中。本申请采用硅碳棒作为电加热材料，可实现较高的气流总温，有效解决传统金属电热材料直热式加热器温度不高的问题。本申请结构更简单、成本更低、使用效率高，无需预热。本申请提供的基于硅碳棒的高超声速风洞加热器，结构简单、维护方便，采用蜂窝状支撑盘作为支撑结构，硅碳棒间隔布置，蜂窝孔隙形成回流、分离等流动，有效提高换热效率。

技术研发人员：冈敦殿,易仕和,吴争邦,米琦,陈世康,陆小革
受保护的技术使用者：中国人民解放军国防科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/4/17