一种长时间高温风洞试验舱的制作方法

本发明涉及风洞防热技术领域，尤其涉及一种长时间高温风洞试验舱。

背景技术：

高温燃气流超声速热结构风洞主要用于模拟一定高度下飞行器的气动热、气动力等性能。在燃气高温燃气流风洞中，试验舱是重要组成部分，主要用于设置安装试验模型及其测试测量装置，并在风洞试验过程中同样承受风洞气流考核的同时，对试验模型进行必要的测量及观察。

按照风洞气流热环境的不同，试验舱可分为常温风洞试验舱及高温风洞试验舱。常温风洞试验舱的热环境较低，多用于民用系统的常温风洞中，试验舱不需要采取单独的热防护措施；高温风洞试验舱的热环境相对较高，根据高温风洞类型，可分为暂冲风洞试验舱、热冲风洞试验舱及燃气流风洞试验舱等几类。

激波风洞试验舱就是一种典型的暂冲风洞试验舱，由于其气流是利用激波压缩试验气体后再用膨胀方法产生的高温超声速试验气流，其试验时间极短通常仅为ms量级(直通型激波风洞的试验时间约为1ms，反射型激波风洞的试验时间约为5～25ms)，因此，暂冲风洞试验舱并未采取单独的热防护措施。热冲风洞的气流是利用电弧脉冲放电定容地加热和压缩试验气体后再用膨胀方法产生的高温超声速试验气流，其温度虽然较高，但其热流较小，一般不超过100kW/m2，因此，在试验时间有限的情况下，热冲风洞试验舱通过保证其热沉充足即可满足试验要求，并未采取单独的热防护措施。

燃气流风洞试验舱内的试验气流为高温超声速燃气流，其一般由煤油和氧气充分混合及燃烧后经喷管加速后产生，具有高温、高速、大热流、低压、长时间等特点，燃气流风洞试验舱的热环境非常恶劣，其舱内温度最高可达2000K左右，内表面热流密度最高可达930kW/m2，试验时间最长可达到1000s，为保证设备不被烧损，必须采取高效、可靠的热防护措施，如何实现大型试验舱在恶劣热环境下的长时间热防护是一大难题。

技术实现要素：

本发明解决的技术问题是：相比于现有技术，提供了一种长时间高温风洞试验舱，解决了风洞试验舱在恶劣热环境下的长时间热防护的难题。

本发明目的通过以下技术方案予以实现：一种长时间高温风洞试验舱，所述试验舱的舱壁包括：内壁、外壁、隔断和水冷通道；其中，所述内壁和所述外壁通过隔断相连接形成水冷通道，在所述水冷通道内通入冷却水。

上述长时间高温风洞试验舱中，还包括：加强筋，所述加强筋与所述外壁相连接。

上述长时间高温风洞试验舱中，所述舱壁包括左舱壁、前舱壁、上舱壁和右舱壁；其中，左舱壁、前舱壁、上舱壁和右舱壁均包括内壁、外壁、隔断和水冷通道；所述左舱壁的水冷通道包括第十水冷通道、第一百水冷通道、第一百零一水冷通道、第一百零二水冷通道、第一百一十水冷通道、第一百一十一水冷通道、第一百一十二水冷通道、第一百一十三水冷通道、第一百三十水冷通道、第一百三十一水冷通道、第一百三十二水冷通道、第一百三十三水冷通道、第二百水冷通道、第二百零一水冷通道、第二百零二水冷通道、第二百零三水冷通道、第三百水冷通道、第三百零一水冷通道和第四百水冷通道；其中，第十水冷通道、第一百水冷通道、第一百一十水冷通道、第一百三十水冷通道、第二百水冷通道、第三百水冷通道、第四百水冷通道分别与冷却水进水管相连接；第一百水冷通道、第一百零一水冷通道和第一百零二水冷通道相连接；第一百一十水冷通道、第一百一十一水冷通道、第一百一十二水冷通道和第一百一十三水冷通道相连接；第一百三十水冷通道、第一百三十一水冷通道、第一百三十二水冷通道和第一百三十三水冷通道相连接；第二百水冷通道、第二百零一水冷通道、第二百零二水冷通道和第二百零三水冷通道相连接；

第三百水冷通道和第三百零一水冷通道相连接；

所述前舱壁的水冷通道包括第十一水冷通道、第十二水冷通道、第十三水冷通道、第十四水冷通道、第十五水冷通道、第十六水冷通道、第十七水冷通道、第十八水冷通道、第十九水冷通道、第一百零三水冷通道、第一百零四水冷通道、第一百零五水冷通道、第一百零六水冷通道、第一百零七水冷通道、第一百一十四水冷通道、第一百三十四水冷通道和第二百零四水冷通道；其中，十一水冷通道、第十二水冷通道、第十三水冷通道、第十四水冷通道、第十五水冷通道、第十六水冷通道、第十七水冷通道、第十八水冷通道和第十九水冷通道相连接；第一百零三水冷通道、第一百零四水冷通道、第一百零五水冷通道、第一百零六水冷通道和第一百零七水冷通道相连接；第十一水冷通道与第十水冷通道相连接；第一百零二水冷通道与第一百零三水冷通道相连接；第一百一十三水冷通道与第一百一十四水冷通道相连接；第一百三十三水冷通道与第一百三十四水冷通道相连接；第二百零三水冷通道与第二百零四水冷通道相连接；所述上舱壁的水冷通道包括第三百零二水冷通道、第三百零三水冷通道、第三百零四水冷通道、第三百零五水冷通道、第四百零一水冷通道、第四百零二水冷通道、第四百零三水冷通道、第四百零四水冷通道、第四百零五水冷通道和第四百零六水冷通道；其中，第三百零二水冷通道、第三百零三水冷通道、第三百零四水冷通道和第三百零五水冷通道相连接；第四百零一水冷通道、第四百零二水冷通道、第四百零三水冷通道、第四百零四水冷通道、第四百零五水冷通道和第四百零六水冷通道相连接；第四百水冷通道与第四百零一水冷通道相连接；第三百零一水冷通道与第三百零二水冷通道相连接；所述右舱壁的水冷通道包括第二十水冷通道、第二十一水冷通道、第二十二水冷通道、第二十三水冷通道、第一百零八水冷通道、第一百零九水冷通道、第一百一十五水冷通道、第一百一十六水冷通道、第一百一十七水冷通道、第一百一十八水冷通道、第一百一十九水冷通道、第一百二十水冷通道、第一百二十一水冷通道、第一百三十五水冷通道、第一百三十六水冷通道、第一百三十七水冷通道、第一百三十八水冷通道、第一百三十九水冷通道、第一百四十水冷通道、第二百零五水冷通道、第二百零六水冷通道、三百零六水冷通道和第四百零七水冷通道；其中，第二十三水冷通道、第一百二十一水冷通道、第一百四十水冷通道、第二百零六水冷通道、三百零六水冷通道和第四百零七水冷通道分别与冷却水回水管；第二十水冷通道、第二十一水冷通道、第二十二水冷通道和第二十三水冷通道相连接；第一百零八水冷通道、第一百零九水冷通道、第一百一十五水冷通道、第一百一十六水冷通道、第一百一十七水冷通道、第一百一十八水冷通道、第一百一十九水冷通道、第一百二十水冷通道和第一百二十一水冷通道相连接；第一百三十五水冷通道、第一百三十六水冷通道、第一百三十七水冷通道、第一百三十八水冷通道、第一百三十九水冷通道和第一百四十水冷通道相连接；第二百零五水冷通道和第二百零六水冷通道相连接；所述冷却水进水管与所述左舱壁相连接；所述冷却水回水管与所述右舱壁相连接。

上述长时间高温风洞试验舱中，在所述水冷通道内通入冷却水的流量为如下公式：

qA＝mc_pΔT

其中，q为舱壁的内壁的热流密度、A为试验舱受热面表面积、m为水冷通道内的水流量、Cp为冷却水比热、ΔT为冷却水设计温升，其中，冷却水设计温升不大于50℃。

上述长时间高温风洞试验舱中，所述内壁的厚度为8mm-10mm。

上述长时间高温风洞试验舱中，所述外壁的厚度为8mm-10mm，水冷通道宽度为90mm-95mm。

上述长时间高温风洞试验舱中，所述内壁的材料为碳钢。

上述长时间高温风洞试验舱中，所述外壁的材料为碳钢。

上述长时间高温风洞试验舱中，所述水冷通道的流道压力损失小于冷却水进水管的供水压力。

上述长时间高温风洞试验舱中，所述水冷通道的流道压力损失为如下公式：

其中，ζ为局部阻力系数，ρ为流体密度，V为流速，de为流道当量直径，Lc为水冷通道长度。

本发明与现有技术相比具有如下有益效果：

(1)本发明通过舱壁的内壁与外壁之间设置有水冷通道，使整个舱壁的水冷通道都通有冷却水，通过冷却水与壁面间强制对流换热的方式将壁面热量带走，保证了试验舱体的整体热防护效果；

(2)本发明的试验舱仅设置一个冷却水进水管和一个冷却水回水管，通过舱壁设置独立水道，保证冷却水流经整个风洞试验舱各壁面，从而使得结构简单；

(3)本发明配合冷却水换热计算，严格控制冷却水温升和全流道流阻，使冷却水以足够的流量和流速流经风洞试验舱各壁面，满足风洞长时间高温的热防护技术指标。

附图说明

图1是本发明的长时间高温风洞试验舱的舱壁的结构示意图；

图2是本发明的左舱壁的水冷通道分布示意图；

图3是本发明的前舱壁的水冷通道分布示意图；

图4是本发明的上舱壁的水冷通道分布示意图；

图5是本发明的右舱壁的水冷通道分布示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明：

图1是本发明的长时间高温风洞试验舱的舱壁的结构示意图。如图1所示，该长时间高温风洞试验舱包括舱壁，舱壁包括内壁1000和外壁2000；其中，内壁1000和外壁2000通过隔断3000相连接形成水冷通道4000，在水冷通道4000内通入冷却水。

本实施例通过舱壁的内壁与外壁之间设置有水冷通道，使整个舱壁的水冷通道都通有冷却水，通过冷却水与壁面间强制对流换热的方式将壁面热量带走，保证了试验舱体的整体热防护效果；本实施例的试验舱仅设置一个冷却水进水管和一个冷却水回水管，通过舱壁设置独立水道，保证冷却水流经整个风洞试验舱各壁面，从而使得结构简单。

上述实施例中，该长时间高温风洞试验舱的舱壁还包括加强筋7000，加强筋7000与外壁2000相连接。本实施例通过将加强筋7000与外壁2000相连接，从而提高了舱壁的坚固性。

上述实施例中，在所述水冷通道4内通入冷却水的流量为如下公式：

qA＝mc_pΔT

其中，q为舱壁的内壁的热流密度、A为试验舱受热面表面积、m为水冷通道内的水流量、Cp为冷却水比热、ΔT为冷却水设计温升，其中，冷却水设计温升不大于50℃。

上述实施例中，内壁1的厚度为8mm-10mm，内壁1的材料为碳钢。

上述实施例中，外壁2的厚度为8mm-10mm，外壁2的材料为碳钢。水冷通道宽度为90mm-95mm。

上述实施例中，水冷通道4的流道压力损失小于冷却水进水管5的供水压力。水冷通道4的流道压力损失为如下公式：

其中，ζ为局部阻力系数，ρ为流体密度，V为流速，de为流道当量直径，Lc为通道长度。

图2是本发明的左舱壁的水冷通道分布示意图。图3是本发明的前后舱板夹套水冷通道分布示意图。图4是本发明的上舱壁的水冷通道分布示意图。图5是本发明的右舱壁的水冷通道分布示意图。

如图2所示，左舱壁1100的水冷通道4000包括第十水冷通道10、第一百水冷通道100、第一百零一水冷通道101、第一百零二水冷通道102、第一百一十水冷通道110、第一百一十一水冷通道111、第一百一十二水冷通道112、第一百一十三水冷通道113、第一百三十水冷通道130、第一百三十一水冷通道131、第一百三十二水冷通道132、第一百三十三水冷通道133、第二百水冷通道200、第二百零一水冷通道201、第二百零二水冷通道202、第二百零三水冷通道203、第三百水冷通道300、第三百零一水冷通道301和第四百水冷通道400。其中，

第十水冷通道10、第一百水冷通道100、第一百一十水冷通道110、第一百三十水冷通道130、第二百水冷通道200、第三百水冷通道300、第四百水冷通道400分别与冷却水进水管5000相连接。第一百水冷通道100、第一百零一水冷通道101和第一百零二水冷通道102相连接。第一百一十水冷通道110、第一百一十一水冷通道111、第一百一十二水冷通道112和第一百一十三水冷通道113相连接。第一百三十水冷通道130、第一百三十一水冷通道131、第一百三十二水冷通道132和第一百三十三水冷通道133相连接。第二百水冷通道200、第二百零一水冷通道201、第二百零二水冷通道202和第二百零三水冷通道203相连接。第三百水冷通道300和第三百零一水冷通道301相连接。冷却水进水管5000与左舱壁1100相连接。

如图3所示，前舱壁1200的水冷通道4000包括第十一水冷通道11、第十二水冷通道12、第十三水冷通道13、第十四水冷通道14、第十五水冷通道15、第十六水冷通道16、第十七水冷通道17、第十八水冷通道18、第十九水冷通道19、第一百零三水冷通道103、第一百零四水冷通道104、第一百零五水冷通道105、第一百零六水冷通道106、第一百零七水冷通道107、第一百一十四水冷通道114、第一百三十四水冷通道134和第二百零四水冷通道204。其中，

十一水冷通道11、第十二水冷通道12、第十三水冷通道13、第十四水冷通道14、第十五水冷通道15、第十六水冷通道16、第十七水冷通道17、第十八水冷通道18和第十九水冷通道19相连接。第一百零三水冷通道103、第一百零四水冷通道104、第一百零五水冷通道105、第一百零六水冷通道106和第一百零七水冷通道107相连接。第十一水冷通道11与第十水冷通道10相连接；第一百零二水冷通道102与第一百零三水冷通道103相连接；第一百一十三水冷通道113与第一百一十四水冷通道114相连接；第一百三十三水冷通道133与第一百三十四水冷通道134相连接；第二百零三水冷通道203与第二百零四水冷通道204相连接。

如图4所示，上舱壁1300的水冷通道4000包括第三百零二水冷通道302、第三百零三水冷通道303、第三百零四水冷通道304、第三百零五水冷通道305、第四百零一水冷通道401、第四百零二水冷通道402、第四百零三水冷通道403、第四百零四水冷通道404、第四百零五水冷通道405和第四百零六水冷通道406；其中，

第三百零二水冷通道302、第三百零三水冷通道303、第三百零四水冷通道304和第三百零五水冷通道305相连接。第四百零一水冷通道401、第四百零二水冷通道402、第四百零三水冷通道403、第四百零四水冷通道404、第四百零五水冷通道405和第四百零六水冷通道406相连接。第四百水冷通道400与第四百零一水冷通道401相连接。第三百零一水冷通道301与第三百零二水冷通道302相连接。

如图5所示，右舱壁1400的水冷通道4000包括第二十水冷通道20、第二十一水冷通道21、第二十二水冷通道22、第二十三水冷通道23、第一百零八水冷通道108、第一百零九水冷通道109、第一百一十五水冷通道115、第一百一十六水冷通道116、第一百一十七水冷通道117、第一百一十八水冷通道118、第一百一十九水冷通道119、第一百二十水冷通道120、第一百二十一水冷通道121、第一百三十五水冷通道135、第一百三十六水冷通道136、第一百三十七水冷通道137、第一百三十八水冷通道138、第一百三十九水冷通道139、第一百四十水冷通道140、第二百零五水冷通道205、第二百零六水冷通道206、三百零六水冷通道306和第四百零七水冷通道407。其中，

第二十三水冷通道23、第一百二十一水冷通道121、第一百四十水冷通道140、第二百零六水冷通道206、三百零六水冷通道306和第四百零七水冷通道407分别与冷却水回水管6000。第二十水冷通道20、第二十一水冷通道21、第二十二水冷通道22和第二十三水冷通道23相连接。第一百零八水冷通道108、第一百零九水冷通道109、第一百一十五水冷通道115、第一百一十六水冷通道116、第一百一十七水冷通道117、第一百一十八水冷通道118、第一百一十九水冷通道119、第一百二十水冷通道120和第一百二十一水冷通道121相连接。第一百三十五水冷通道135、第一百三十六水冷通道136、第一百三十七水冷通道137、第一百三十八水冷通道138、第一百三十九水冷通道139和第一百四十水冷通道140相连接。第二百零五水冷通道205和第二百零六水冷通道206相连接。冷却水回水管6000与右舱壁1400相连接。

具体的，图2中的冷却水进水管5000分别与第十水冷通道10、第一百水冷通道100、第一百一十水冷通道110、第一百三十水冷通道130、第二百水冷通道200、第三百水冷通道300、第四百水冷通道400相连接。

图2中的冷却水进水管5000给第十水冷通道10提供冷却水，冷却水通过第十水冷通道10进入图3中的第十一水冷通道11、然后依次经过第十二水冷通道12、第十三水冷通道13、第十四水冷通道14、第十五水冷通道15、第十六水冷通道16、第十七水冷通道17、第十八水冷通道18和第十九水冷通道19后进入图5中的第二十水冷通道20，然后再依次经过第二十一水冷通道21、第二十二水冷通道22进入第二十三水冷通道23，第二十三水冷通道23与冷却水回水管6000相连接，进入第二十三水冷通道23的冷却水进入到冷却水回水管6000。

图2中的冷却水进水管5000给第一百水冷通道100提供冷却水，冷却水依次通过第一百零一水冷通道101、第一百零二水冷通道102进入图3中的第一百零三水冷通道103，然后再依次通过第一百零四水冷通道104、第一百零五水冷通道105、第一百零六水冷通道106、第一百零七水冷通道107后进入图5中的第一百零八水冷通道108，然后通过第一百零八水冷通道108进入到第一百零九水冷通道109，由于第一百零九水冷通道109与冷却水回水管6000相连接，第一百零九水冷通道109的冷却水进入到冷却水回水管6000。

图2中的冷却水进水管5000给第一百一十水冷通道110提供冷却水，然后冷却水依次通过第一百一十一水冷通道111、第一百一十二水冷通道112、第一百一十三水冷通道113进入图3中的第一百一十四水冷通道114，然后再进入到图5中的第一百一十五水冷通道115，然后再依次通过第一百一十六水冷通道116、第一百一十七水冷通道117、第一百一十八水冷通道118、第一百一十九水冷通道119、第一百二十水冷通道120、第一百二十一水冷通道121，由于第一百二十一水冷通道121与冷却水回水管6000相连接，第一百二十一水冷通道121的冷却水进入到冷却水回水管6000。

图2中的冷却水进水管5000给第一百三十水冷通道130提供冷却水，然后冷却水依次通过第一百三十一水冷通道131、第一百三十二水冷通道132、第一百三十三水冷通道133后进入图3中的第一百三十四水冷通道134，然后再进入到图5中的第一百三十五水冷通道135，然后再依次通过第一百三十六水冷通道136、第一百三十七水冷通道137、第一百三十八水冷通道138、第一百三十九水冷通道139后进入到第一百四十水冷通道140，由于第一百四十水冷通道140与冷却水回水管6000相连接，第一百四十水冷通道140的冷却水进入到冷却水回水管6000。

图2中的冷却水进水管5000给第二百水冷通道200提供冷却水，然后冷却水依次通过第二百零一水冷通道201、第二百零二水冷通道202、第二百零三水冷通道203后进入图3中的第二百零四水冷通道204，然后再进入到图5中的第二百零五水冷通道205，然后再依次通过第二百零六水冷通道206，由于第二百零六水冷通道206与冷却水回水管6000相连接，第二百零六水冷通道206的冷却水进入到冷却水回水管6000。

图2中的冷却水进水管5000给第三百水冷通道300提供冷却水，然后冷却水再通过第三百零一水冷通道301进入到图4中的第三百零二水冷通道302，然后再依次通过第三百零三水冷通道303、第三百零四水冷通道304、第三百零五水冷通道305后进入到图5中的第三百零六水冷通道306，由于第三百零六水冷通道306与冷却水回水管6000相连接，第三百零六水冷通道306的冷却水进入到冷却水回水管6000。

图2中的冷却水进水管5000给第四百水冷通道400提供冷却水，然后冷却水通过第四百水冷通道400进入到图4中的第四百零一水冷通道401，然后再依次通过第四百零二水冷通道402、第四百零三水冷通道403、第四百零四水冷通道404、第四百零五水冷通道405、第四百零六水冷通道406后进入图5中的第四百零七水冷通道407，由于第四百零七水冷通道407与冷却水回水管6000相连接，第四百零七水冷通道407的冷却水进入到冷却水回水管6000。

本实施例的结构应用于高温燃气流超声速风洞试验舱，能够实现风洞试验舱在长时间(1000s)、高温(约2000K)、大热流(最大约930kW/m2)的恶劣热环境下的长时间稳定工作，保证高温燃气流超声速风洞试验的顺利进行。

本发明通过舱壁的内壁与外壁之间设置有水冷通道，使整个舱壁的水冷通道都通有冷却水，通过冷却水与壁面间强制对流换热的方式将壁面热量带走，保证了试验舱体的整体热防护效果；本发明的试验舱仅设置一个冷却水进水管和一个冷却水回水管，通过舱壁设置独立水道，保证冷却水流经整个风洞试验舱各壁面，从而使得结构简单；本发明配合冷却水换热计算，严格控制冷却水温升和全流道流阻，使冷却水以足够的流量和流速流经风洞试验舱各壁面，满足风洞长时间高温的热防护技术指标。

以上所述的实施例只是本发明较优选的具体实施方式，本领域的技术人员在本发明技术方案范围内进行的通常变化和替换都应包含在本发明的保护范围内。