一种组合式宽马赫数高焓脉冲风洞管体结构制造技术

本实用新型专利技术属于高马赫数试验技术领域，涉及一种组合式宽马赫数高焓脉冲风洞管体结构，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，第二低压被驱动段(4)与高温段(5)之间替换，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。本实用新型专利技术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，在工程实际应用中具有可操作性。

A combined wide Maher number high enthalpy pulse wind tunnel tube structure

The utility model belongs to the technical field of high Mach number test, and relates to a combined structure of a wide Mach number and high enthalpy pulse wind tunnel tube body, which comprises a high-pressure driving section (1), a double-film section (2), a first low-pressure driven section (3), and a second low-pressure driven section (4), which are connected by flanges, and a second low-pressure driven section (4) and a second low-pressure driven section (4). High temperature section (5) is replaced by upstream high temperature isolation device (6), heating pipe (7) and outside heating system (8) and downstream high temperature quick opening system (9). The outside heating system is laid on the outside of heating pipe, and flanges are used to connect each section. The utility model is similar in structure to the traditional pulse wind tunnel, has no complicated actuation control mechanism, the heating temperature and length of the high-temperature section tube body can be designed according to the test requirements and satisfied by the pneumatic operation principle, and has simple and reliable structure, and is operable in the practical application of engineering.

【技术实现步骤摘要】
一种组合式宽马赫数高焓脉冲风洞管体结构
本专利技术属于高马赫数试验
，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。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术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。本专利技术的技术方案是：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。本专利技术的有益效果：为了解决上述问题，本专利技术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为本专利技术的组合式宽马赫数高焓风洞管体布局及替换示意图。图2为本专利技术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，本专利技术中的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(低本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种组合式宽马赫数高焓脉冲风洞管体结构，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依次连接，其特征在于，所述第二低压被驱动段(4)与高温段(5)之间可相互替换，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(8)铺设于加热管(7)外围，上游高温隔离装置(6)、外围套有管外加热系统(8)的加热管(7)及下游高温快开系统(9)之间采用法兰形式依次连接。

【技术特征摘要】
1.一种组合式宽马赫数高焓脉冲风洞管体结构，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依次连接，其特征在于，所述第二低压被驱动段(4)与高温段(5)之间可相互替换，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(8)铺设于加热管(7...

【专利技术属性】
技术研发人员：高亮杰，钱战森，王璐，刘帅，刘畅，辛亚楠，韩阳，
申请(专利权)人：中国航空工业集团公司沈阳空气动力研究所，
类型：新型
国别省市：辽宁,21