一种带砂尘模拟的火星风洞制造技术

本发明专利技术的目的在于提供一种带砂尘模拟的火星风洞，该风洞水平放置于真空容器内，包括收集器、稳定段、收缩段、试验段、引射器段、出口扩散段和引射器，并且还包括第一扩散段，试验段与第一扩散段连接，第一扩散段与引射器段连接，引射器段与扩散段连接，引射器段与扩散段之间为一段过渡的等直段，所述的引射器段的入口安装有引射器，所述的第一扩散段扩散角度不超过5°，所述的引射器段的入口截面面积大于试验段的出口截面面积。只需消耗较少的气量，就能在100Pa气压下,实现大跨度范围的风速5‑100m/s模拟，且试验段的流场均匀稳定，并能在此低气压下，模拟火星的砂尘环境。

A Mars wind tunnel with sand dust simulation

【技术实现步骤摘要】
一种带砂尘模拟的火星风洞
本专利技术涉及一种带砂尘模拟的火星风洞。
技术介绍
风洞一般是用来研究飞机的气动性能及其相关设计，常规的风洞是为设计在地表大气层飞行的航空器而研制的。而火星风洞一种针对火星大气飞行环境而研制的试验模拟设备，有别于常规风洞，火星风洞能模拟火星表面的气体成分、大气压力、密度和流场环境等。火星大气层很薄，大气的主要成分为二氧化碳，大气密度大约相当于地球的1％(与地球表面30-40km高度处的密度相近)，火星表面平均气压只有600Pa，火星上的局部或区域沙尘暴可以在火星的不同季节和不同地方频繁地发生。由于火星表面与地球表面的大气环境存在较大差异，常规的大气环境风洞无法满足进一步模拟火星大气环境的需要。常规的直流式风洞通常采用电机或引射器作为驱动源，当采用电机作为驱动时，无法在低气压环境下形成火星模拟试验所需的风速，而当采用普通的引射器作为驱动时，被引射气流易在出口处形成饱和阻塞现象的影响，也无法实现低气压环境下的高风速模拟。另外，常规方式的砂尘模拟也难以在低气压环境下与风速保持较高的一致性，更难以保证试验段砂尘分布的均匀性。因此，为了满足深空探测与火星环境相关的实验研究的需要，有必要开展火星风洞的研究工作，需要一种能够模拟火星的砂尘环境的火星风洞。
技术实现思路
基于以上不足之处，本专利技术的目的在于提供一种带砂尘模拟的火星风洞，该风洞水平放置于低气压的真空容器内，只需消耗较少的气量，就能在100Pa气压下,实现大跨度范围的风速5-100m/s模拟，且试验段的流场均匀稳定，并能在此低气压下，模拟火星的砂尘环境。为实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案予以实现：一种带砂尘模拟的火星风洞，该风洞水平放置于真空容器内，采用直流式风洞的结构，包括收集器、稳定段、收缩段、试验段、引射器段、出口扩散段和引射器，收集器与稳定段连接，稳定段与收缩段连接，收缩段与试验段连接，本风洞还包括第一扩散段，试验段与第一扩散段连接，第一扩散段与引射器段连接，引射器段与扩散段连接，引射器段与扩散段之间为一段过渡的等直段，所述的引射器段的入口安装有引射器，所述的第一扩散段以一定的角度扩散，扩散角度不超过5°，所述的引射器段的入口截面面积大于试验段的出口截面面积，面积比3倍以上。在试验段与引射器段设置第一扩散段，使引射器段与试验段形成高截面面积比，有助于提高引射器效率，避免低气压导致引射器的气流形成堵塞而导致的风速无法进一步提高的问题，进而提高了风洞的风速上限。本专利技术还具有如下技术特征：1、所述的收缩段的内部可拆卸连接有砂尘喷嘴，所述的砂尘喷嘴的高度与风洞中心线重合，采用逆气流方向布置，所述的砂尘喷嘴远离试验段的入口。2、所述试验段的出口截面积大于入口截面积，试验段的入口为正方形，沿气流方向上下壁以一定角度扩散，试验段的出口为矩形，其宽度与试验段入口的宽度相同，但高度大于试验段的入口。通过改变在试验段的上下壁面设置一定的扩散角，使试验段的出口大于入口面积，能明显改善风洞试验段的边界层阻塞效应。3、所述的引射器包括引射器腔室外壳、多根引射器喷管和引射器连接气管，所述的引射器腔室外壳环绕于引射器段外壁一圈，并与引射器段外壁密封连接形成密闭的引射器腔室，多根引射器喷管位于引射器腔室内并互相平行按一定间隔径向穿过引射器段，每根喷管的首尾都分别与所述的引射器腔室连通，所述的引射器喷管上位于引射器段内的部分开有多个喇叭形小孔，所述的小孔采用方阵对称排列。4、所述试验段其中的一个侧面设有试验段大门，试验段大门上开设观察窗，并设有机械手轮，试验段顶部也设有观察窗，测量风速的皮托管与测量砂尘浓度的粉尘浓度仪可拆卸安装于试验段的上壁。皮托管能同时测量风速，并能测量试验段的气体压力，试验段其中一侧设置的大门可以通过机械手轮实现快速开关，试验段的另一侧面的风洞洞壁上安装支撑和天平测力装置，可实现在试验时对试验件的夹持和测力。另外，通过试验段顶部和试验段大门上观察窗，能对试验全过程进行观察，或进行PIV(粒子图像测速法)等相关试验。本专利技术的优点和有益效果：本风洞与传统的直流式风洞不同，不采用电机驱动，而采用引射器驱动，能保证在极低的环境气压下，在试验段形成大跨度的试验风速的同时，所消耗的气体流量很少。本风洞水平放置于低气压的真空容器内，通过对容器内的压力进行调节，模拟在100-1500Pa范围内的气压环境，能在此气压环境下实现5-100m/s的大跨度风速范围模拟，并且风速可连续调节，通过在收缩段内设置砂尘喷射装置，可实现低气压环境下一定风速下的1-100μm砂尘粒径的砂尘模拟，其浓度范围可达0.1-1g/m3，并且浓度可连续调节，火星风洞的试验气体介质既可以是空气也可以是气态的二氧化碳。采用直流式风洞的结构形式，砂尘喷射不易形成回流，利用逆气流方式喷射沙尘，试验段内的砂尘分布均匀，且喷嘴不会对试验段的流场形成干扰。附图说明图1是一种带砂尘模拟的火星风洞主视图。图2是一种带砂尘模拟的火星风洞左视图。图3是图2中的A-A的剖面图。图中：1、收集器，2、稳定段，3、收缩段，4、试验段，5、第一扩散段，6、引射器段，6-1、等直段，7、出口扩散段，8、引射器，8-1、引射器腔室外壳，8-2、引射器腔室，9、引射器喷管，10、引射器连接气管，11、砂尘喷嘴，12、沙尘输送管路，13、连接螺栓，14、出口扩散段法兰，15、试验段大门，16、观察窗，17、连接法兰，18、机械手轮。具体实施方式下面结合附图举例对本专利技术作进一步说明。实施例1一种带砂尘模拟的火星风洞，该风洞水平放置于低气压的真空容器内，采用直流式风洞的结构形式，包括收集器1、稳定段2、收缩段3、试验段4、引射器段6、出口扩散段7和引射器8，收集器1为喇叭口形状，收集器1与稳定段2的入口连接，稳定段2的截面为正方形，内部预留有一层蜂窝器及多层阻尼网的连接口，蜂窝器和阻尼网为选装件，可根据试验的需要选择安装，稳定段2的出口与收缩段3的入口通过法兰连接，收缩段3的出口与试验段4的入口通过法兰连接，本风洞并且还包括第一扩散段5，试验段4的出口与第一扩散段5的入口通过法兰连接，第一扩散段5的出口与引射器段6的入口通过法兰连接，引射器段6的出口与扩散段7的入口通过法兰连接，引射器段6与出口扩散段之间有一段过渡的等直段6-1，所述的引射器段6的入口安装有引射器，所述的第一扩散段5以一定的角度扩散，扩散角度不超过5°，所述的引射器段6的入口截面面积大于试验段4的出口截面面积，面积比3倍以上。试验时，该风洞位于一个真空容器内，该真空容器能为火星风洞提供试验所需的气压(100-1500Pa),试验的所需的气体通过引射器连接气管10进入到引射器腔室8-1内，再通过引射器喷管9上的小孔快速喷射出，该气体以迅速膨胀的形式形成了吸力，可以把风洞外部的气流从风洞入口吸入，经过试验段后，再从出口扩散段排出。所述的收缩段3的内部可拆卸连接有砂尘喷嘴11，所述的砂尘喷嘴11的高度与风洞中心线重合，采用逆气流方本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种带砂尘模拟的火星风洞，该风洞水平放置于真空容器内，采用直流式风洞的结构，包括收集器(1)、稳定段(2)、收缩段(3)、试验段(4)、引射器段(6)、出口扩散段(7)和引射器(8)，收集器(1)与稳定段(2)连接，稳定段(2)与收缩段3)连接，收缩段(3)与试验段(4)连接，其特征在于：还包括第一扩散段(5)，试验段(4)与第一扩散段(5)连接，第一扩散段(5)与引射器段(6)连接，引射器段(6)与扩散段(7)连接，引射器段(6)与扩散段(7)之间为一段过渡的等直段(6-1)，所述的引射器段(6)的入口安装有引射器，所述的第一扩散段(5)以一定的角度扩散，扩散角度不超过5°，所述的引射器段(6)的入口截面面积大于试验段(4)的出口截面面积，面积比3倍以上。/n

【技术特征摘要】
1.一种带砂尘模拟的火星风洞，该风洞水平放置于真空容器内，采用直流式风洞的结构，包括收集器(1)、稳定段(2)、收缩段(3)、试验段(4)、引射器段(6)、出口扩散段(7)和引射器(8)，收集器(1)与稳定段(2)连接，稳定段(2)与收缩段3)连接，收缩段(3)与试验段(4)连接，其特征在于：还包括第一扩散段(5)，试验段(4)与第一扩散段(5)连接，第一扩散段(5)与引射器段(6)连接，引射器段(6)与扩散段(7)连接，引射器段(6)与扩散段(7)之间为一段过渡的等直段(6-1)，所述的引射器段(6)的入口安装有引射器，所述的第一扩散段(5)以一定的角度扩散，扩散角度不超过5°，所述的引射器段(6)的入口截面面积大于试验段(4)的出口截面面积，面积比3倍以上。


2.根据权利要求1所述的一种带砂尘模拟的火星风洞，其特征在于：所述的收缩段(3)的内部可拆卸连接有砂尘喷嘴(11)，所述的砂尘喷嘴(11)的高度与风洞中心线重合，采用逆气流方向布置，所述的砂尘喷嘴远离试验段(4)的入口。


3.根据权利要求1或2所述的一种带砂尘模拟的火星风洞，其特征在于：所述试验段(4)的出口截面积大于入口截面积，试验段(4)的入口为正方形，沿气流方...

【专利技术属性】
技术研发人员：周文，刘立坤，张国友，王振果，刘海丰，王云祥，刘琛，李丽芳，闫继宏，吴宜勇，
申请(专利权)人：中国航空工业集团公司哈尔滨空气动力研究所，
类型：发明
国别省市：黑龙;23