一种管风洞驱动活塞控制装置及方法，属于高马赫数试验技术领域。本发明专利技术包括高压驱动源、气体压力调节阀、前级驱动活塞、驱动液体容腔、驱动液体通道、驱动液体通断阀、单向气体排空阀、后级驱动活塞、管风洞驱动段、膜片和管风洞运行段，驱动液体容腔内滑动设置有前级驱动活塞，前级驱动活塞将驱动液体容腔分为两个独立的上腔室和下腔室，所述后级驱动活塞滑动安装于管风洞驱动段内，后级驱动活塞将管风洞驱动段分为两个独立的前腔室和后腔室。本发明专利技术研发目的是为了解决现有管风洞中活塞运动过程由初始参数条件唯一确定，活塞在运动过程中不可控的问题，本发明专利技术在管风洞运行工况多变的同时，保证了流场的品质同时，实现对活塞运动过程的精准控制。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种管风洞驱动活塞控制装置及方法，属于高马赫数试验。
技术介绍
1、管风洞作为一种特殊的脉冲设备，洞体包括一根长的等直径管子，其一端密封、另一端装有膜片或快速阀，洞体下游依次连接喷管、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，体现出了在宽速域范围内的应用潜力。
2、由于脉冲型风洞独特的运行方式，对加热形式有诸多限制，为了防止影响流场均匀度和有效运行时间，要求不能干扰运行过程中管体内部的非定常波系结构。目前，高马赫数运行条件下的管风洞多采用管外加热的形式提升管内试验气体温度。管外加热技术是将高温加热件直接与驱动段管体外表面接触，并在加热件外表面包裹保温层，先对管体升温进而加热内部气体。由于固体的热容远大于气体，因此加热过程中绝大部分能量是被管体所吸收，故而很难将管内气体加热到1000k以上。
3、由于受到加热能力的限制，管风洞在高马赫数运行条件下多为“欠温运行”，气体加温能力仅能防止试验段气体出现冷凝，并不能复现实际飞行环境。为了提高管风洞在高马赫数条件下的运行总温，现有技术公开了一种宽马赫数高焓管风洞驱动管体，公开号为cn 108051176 a，其提出了一种采用管外预加热与一级慢活塞绝热压缩叠加的新型驱动技术，可以实现1750k运行总温。进一步，现有技术公开了一种超高温风洞驱动系统及其使用方法，公开号为cn 112595485 a，其提出了一种两级活塞驱动的方案，可使运行总温进一步提高。</p>4、综上所述，将活塞压缩引入管风洞驱动，无疑是对管风洞性能的极大提升。但是，管风洞中所采用的活塞压缩形式不同于自由活塞激波风洞中活塞运动，需严格避免在运行中出现任何强的激波压缩，这就对活塞的运行过程有严格的控制要求。
5、目前，管风洞中活塞运动过程完成由其两端面之间的压差力决定，更确切的说，当管风洞结构尺寸确定后，活塞运行过程由其初始参数条件唯一确定，活塞在运动过程中不可控，而通常情况初始参数条件又是由管风洞运行工况确定的，无法实现对活塞运动的调节控制。因此，如何在管风洞运行工况多变的同时，为了保证流场的品质，也能实现对活塞运动过程的精准控制，成为进一步提高管风洞性能的研究重点。
6、因此，亟需提出一种新型的管风洞驱动活塞控制装置及方法，以解决上述技术问题。
技术实现思路
1、本专利技术研发目的是为了解决现有管风洞中活塞运动过程由初始参数条件唯一确定，活塞在运动过程中不可控的问题，在下文中给出了关于本专利技术的简要概述，以便提供关于本专利技术的某些方面的基本理解。应当理解，这个概述并不是关于本专利技术的穷举性概述。它并不是意图确定本专利技术的关键或重要部分，也不是意图限定本专利技术的范围。
2、本专利技术的技术方案：
3、方案一、一种管风洞驱动活塞控制装置，包括高压驱动源、气体压力调节阀、前级驱动活塞、驱动液体容腔、驱动液体通道、驱动液体通断阀、单向气体排空阀、后级驱动活塞、管风洞驱动段、膜片和管风洞运行段，驱动液体容腔内滑动设置有前级驱动活塞，前级驱动活塞将驱动液体容腔分为两个独立的上腔室和下腔室，所述后级驱动活塞滑动安装于管风洞驱动段内，后级驱动活塞将管风洞驱动段分为两个独立的前腔室和后腔室；
4、驱动液体容腔的上腔室与高压驱动源的出气管连接，出气管上设置有气体压力调节阀，驱动液体容腔的下腔室与驱动液体通道的一端连通，驱动液体通道的另一端与管风洞驱动段的前腔室连通，驱动液体通道上设置有驱动液体通断阀，驱动液体通道上还设置有排空管，排空管位于驱动液体通断阀和管风洞驱动段之间，排空管上设置有单向气体排空阀，管风洞驱动段的后腔室通过膜片与管风洞运行段连通。
5、优选的：所述驱动液体容腔的下腔室、驱动液体通道以及管风洞驱动段的前腔室内均盛有驱动液体。
6、优选的：所述前级驱动活塞在驱动液体容腔内竖直滑动设置。
7、优选的：所述后级驱动活塞在管风洞驱动段内水平滑动设置。
8、优选的：所述驱动液体通道为直管或弯曲管。
9、方案二、一种管风洞驱动活塞控制方法，包括以下步骤：
10、s1，试验开始前，气体压力调节阀和驱动液体通断阀均处于关闭状态，单向气体排空阀处于开启状态，与大气环境直接相连；
11、s2，按风洞运行工况设置安装膜片，并分别向管风洞驱动段与管风洞运行段充入与运行状态匹配的相应压力的气体；
12、s3，在管风洞驱动段内气体压力的作用下，后级驱动活塞向管风洞驱动段的前腔室一侧运动，直至管风洞驱动段的前端，与此同时后级驱动活塞前端的气体介质通过单向气体排空阀排空，而后关闭单向气体排空阀；
13、s4，当管风洞运行段中气体介质达到工况要求后，膜片破裂，进入到后级驱动活塞压缩过程；
14、s5，依次开启驱动液体通断阀以及气体压力调节阀，前级驱动活塞在高压驱动源输出的高压气体的作用下向驱动液体容腔的下腔室方向运动，驱动液体在压差的作用下通过驱动液体通道，挤压后级驱动活塞，进入到管风洞驱动段；
15、s6，挤压后级驱动活塞的运动位移决定于进入到管风洞驱动段中的驱动液体体积，通过控制驱动液体进入的流量来控制后级驱动活塞的运动过程及运动位移，通过控制气体压力调节阀的开度实现对后级驱动活塞的全过程控制。
16、优选的：所述的步骤s6，即调节气体压力调节阀开度，驱动液体在压差的作用下通过驱动液体通道，挤压后级驱动活塞，后级驱动活塞的运动位移与进入到管风洞驱动段（9）中的驱动液体体积相互关联，故后级驱动活塞运动位移由以下关系式确定：
17、所述后级驱动活塞的后腔室内压力由以下公式确定：
18、 公式（6.1）
19、其中，为试验介质的比热比，为管风洞驱动段与管风洞运行段的总容积，为管风洞驱动段与管风洞运行段的初始压力，即指膜片破裂后，后级驱动活塞压缩开始前，管风洞驱动段与管风洞运行段内平衡时的压力；为管风洞驱动段与管风洞运行段内的压力变化量，为后级驱动活塞压缩过程中管风洞驱动段内容积变化，与流入的驱动液体体积相等，即有以下公式：
20、 公式（6.2）
21、 公式（6.3）
22、其中，为t时刻管风洞驱动段与管风洞运行段内的压力，为t时刻驱动液体通道内液体的流速，为驱动液体通道流通面积，为后级驱动活塞压缩过程的时间；
23、根据不可压缩流体流动的伯努利方程，有以下公式：
24、 公式（6.4）
25、其中，为驱动液体的密度，为t时刻前级驱动活塞前端面的气体压力，为前级驱动活塞质量，为重力加速度，为前级驱动活塞的截面面积，公式（6.4）化简为以下公式：
26、 公式（6.5）
27、结合公式（6.1）-公式（6.5），得出以下公式本文档来自技高网
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【技术保护点】
1.一种管风洞驱动活塞控制装置，其特征在于：包括高压驱动源（1）、气体压力调节阀（2）、前级驱动活塞（3）、驱动液体容腔（4）、驱动液体通道（5）、驱动液体通断阀（6）、单向气体排空阀（7）、后级驱动活塞（8）、管风洞驱动段（9）、膜片（10）和管风洞运行段（11），驱动液体容腔（4）内滑动设置有前级驱动活塞（3），前级驱动活塞（3）将驱动液体容腔（4）分为两个独立的上腔室和下腔室，所述后级驱动活塞（8）滑动安装于管风洞驱动段（9）内，后级驱动活塞（8）将管风洞驱动段（9）分为两个独立的前腔室和后腔室；
2.根据权利要求1所述的一种管风洞驱动活塞控制装置，其特征在于：所述驱动液体容腔（4）的下腔室、驱动液体通道（5）以及管风洞驱动段（9）的前腔室内均盛有驱动液体。
3.根据权利要求2所述的一种管风洞驱动活塞控制装置，其特征在于：所述前级驱动活塞（3）在驱动液体容腔（4）内竖直滑动设置。
4.根据权利要求3所述的一种管风洞驱动活塞控制装置，其特征在于：所述后级驱动活塞（8）在管风洞驱动段（9）内水平滑动设置。
5.根据权利要求1所述的一种管风洞驱动活塞控制装置，其特征在于：所述驱动液体通道（5）为直管或弯曲管。
6.一种管风洞驱动活塞控制方法，是基于权利要求4所述的一种管风洞驱动活塞控制装置实现的，其特征在于，包括以下步骤：
7.根据权利要求6所述的一种管风洞驱动活塞控制方法，其特征在于：所述的步骤S6，即调节气体压力调节阀（2）开度，驱动液体在压差的作用下通过驱动液体通道（5），挤压后级驱动活塞（8），后级驱动活塞（8）的运动位移与进入到管风洞驱动段（9）中的驱动液体体积相互关联，故后级驱动活塞（8）运动位移由以下关系式确定：
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【技术特征摘要】
1.一种管风洞驱动活塞控制装置，其特征在于：包括高压驱动源（1）、气体压力调节阀（2）、前级驱动活塞（3）、驱动液体容腔（4）、驱动液体通道（5）、驱动液体通断阀（6）、单向气体排空阀（7）、后级驱动活塞（8）、管风洞驱动段（9）、膜片（10）和管风洞运行段（11），驱动液体容腔（4）内滑动设置有前级驱动活塞（3），前级驱动活塞（3）将驱动液体容腔（4）分为两个独立的上腔室和下腔室，所述后级驱动活塞（8）滑动安装于管风洞驱动段（9）内，后级驱动活塞（8）将管风洞驱动段（9）分为两个独立的前腔室和后腔室；
2.根据权利要求1所述的一种管风洞驱动活塞控制装置，其特征在于：所述驱动液体容腔（4）的下腔室、驱动液体通道（5）以及管风洞驱动段（9）的前腔室内均盛有驱动液体。
3.根据权利要求2所述的一种管风洞驱动活塞控制装置，其特征在于：...
【专利技术属性】
技术研发人员：高亮杰，钱战森，王璐，李甜甜，刘畅，
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：发明
国别省市：
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