超声速层流喷管及其超声速静风洞的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种超声速层流喷管及超声速静风洞，该超声速层流喷管包括用于亚声速加速的收缩段，位于声速位置的喷管喉部，用于超声速加速的扩张段和实验段，其中，还包括用于对收缩段壁面所产生的边界层进行抽吸的边界层抽吸缝和用于对喷管壁面进行加热与温度控制的电磁加热模块。根据本发明，通过在超声速静风洞的超声速层流喷管的喷管壁面设置电磁加热装置，实现了壁面加热与温度可控，降低了壁面粗糙度对流场的干扰与边界层第一不稳定性，推迟了边界层转捩。
【专利说明】超声速层流喷管及其超声速静风洞
【技术领域】
[0001]本发明涉及空气动力学领域，特别地，涉及一种超声速层流喷管及超声速静风洞。
【背景技术】
[0002]超声速静风洞是进行空气动力学实验的关键设备，是一种试验区湍流度低、噪声低的超声速风洞，特别适合于边界层转捩研究。边界层转捩是一个十分复杂的动力学过程，预测其转捩雷诺数十分困难。实验研究发现，自由飞行实验比常规风洞实现转捩雷诺数要低，甚至低一个量级，而其主要原因是常规风洞湍流度过高。超声速静风洞实验区域湍流度很低，能够进行低湍流度下边界层转捩的相关实验，对研究边界层转捩现象、提示边界层转捩机制有十分重要的意义。
[0003]飞行器边界层的转捩对其气动力特性有较大的影响，由于边界层转捩雷诺数与来流湍流度有很大关系，利用超声速静风洞模拟飞行的层流条件，准确测量转捩条件下的飞行器气动力十分必要。
[0004]为了增大风洞低湍流实验区域，现有技术的超声速静风洞一般会对喷管喉部进行加热，以增大风洞的静实验区域。而现有超声速喷管喉部加热主要采用电阻加热技术，电阻加热装置加热效率低，且电阻加热装置与喷管壁面采用热传导方式进行换热，对壁温控制能力弱，对推迟超声速流场中不稳定涡的产生的效果较弱，风洞静实验区仍十分有限。
【发明内容】
[0005]本发明目的在于提供一种超声速层流喷管及其超声速静风洞。
[0006]为实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种超声速层流喷管，包括用于亚声速加速的收缩段，位于声速位置的喷管喉部，用于超声速加速的扩张段和实验段，其中，还包括用于对收缩段壁面所产生的边界层进行抽吸的边界层抽吸缝和用于对喷管壁面进行加热与温度控制的电磁加热模块。
[0007]进一步地，上述收缩段的入口高度与喷管喉部高度之比大于等于5。
[0008]进一步地，上述边界层抽吸缝与边界层抽吸装置连接。
[0009]进一步地，上述当喷管喉部的静压高于环境压力时，边界层抽吸装置为连接环境的狭缝，以将吸除的边界层直排入大气。
[0010]进一步地，上述当喷管喉部的静压低于环境压力时，边界层抽吸装置与真空罐连接，以将边界层抽出排入真空罐中。
[0011]进一步地，上述扩张段和实验段一体成形。
[0012]进一步地，上述超声速层流喷管的两侧壁均安装有用于对流场光学观测与测量的光学玻璃，光学玻璃为一整块，光学玻璃的前端延伸至收缩段，光学玻璃的后端延伸至实验段的下游。
[0013]进一步地，上述电磁加热模块覆盖在喷管喉部、扩张段与实验段的上下壁面。
[0014]根据本发明另一方面，提供了一种超声速静风洞，包括:根据上面所描述的超声速层流喷管，超声速静风洞还包括设置在超声速层流喷管上游的过渡段，用于对超声速层流喷管的来流进行降噪与稳定的稳定段，位于超声速层流喷管下游的扩压段、阀门与转接段。
[0015]进一步地，上述稳定段内依次安装有消声夹层、蜂窝器和纱网。
[0016]本发明具有以下有益效果:
[0017]通过在超声速静风洞的超声速层流喷管的喷管壁面设置电磁加热装置，实现了壁面加热与温度可控，降低了壁面粗糙度对流场的干扰与边界层第一不稳定性，推迟了边界层转捩。
[0018]除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。
【专利附图】
【附图说明】
[0019]构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中:
[0020]图1是本发明优选实施例的超声速静风洞的结构示意图；
[0021]图2是本发明优选实施例的超声速层流喷管的结构示意图；
[0022]图3是本发明优选实施例的超声速静风洞的稳定段的结构示意图。
[0023]附图标记说明
[0024]11、收缩段；12、喷管喉部；
[0025]13、扩张段；14、实验段；
[0026]15、抽吸缝；16、电磁加热模块；
[0027]17、光学玻璃；1、喷管段；
[0028]2、过渡段；3、稳定段；
[0029]4、扩压段；5、阀门；
[0030]6、转接段；31、消声夹层；
[0031]32、蜂窝器；33、纱网。
【具体实施方式】
[0032]以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。
[0033]图1是本发明优选实施例的超声速静风洞的结构示意图，图2是本发明优选实施例的超声速层流喷管的结构示意图，参见图1和图2，本发明提供了一种超声速层流喷管，该喷管包括用于亚声速加速的收缩段11，声速位置(即喷管实验段中最小截面)的喷管喉部12，位于喷管喉部上游、用于边界层抽吸的抽吸缝15，用于超声速加速的扩张段13，实验段14，安装在喷管喉部、扩张段、实验段壁面上的电磁加热模块16。
[0034]收缩段11采用大收缩比，即收缩段11的入口高度(或直径)与喉部高度(或直径)的比值较大。在本实施方式中，收缩比大于等于5，以使得在同等来流及相同实验段14尺寸的条件下，降低实验段14内的湍流度。
[0035]抽吸缝15与边界层抽吸装置连接，以将收缩段11壁面所产生的边界层或不稳定涡去除，使得边界层从新发展，延伸了实验段中层流边界层区域。边界层抽吸装置可以为真空泵或其他可将边界层吸除的设备。当喷管喉部12的静压高于环境压力时，边界层抽吸装置可以直接为连接环境的狭缝，将吸除的边界层直排入大气；当喷管喉部12的静压低于环境压力时，边界层抽吸装置可与真空罐连接，以将边界层抽出排入真空罐中。
[0036]扩张段13和实验段14 一体成形，从而去除了连接缝隙与台阶产生的波系对流场的干扰，使得扩张段13的层流边界层可延伸至实验段14，增大了层流喷管的有效静实验区域。其中，实验段14为曲线壁面，消除边界层的增长对超声速流场压缩作用，增加超声速流场的均匀度。
[0037]喷管两侧均安装有用于观测超声速流场的光学玻璃(图中未示出)，每一侧的光学玻璃为一整块，光学玻璃的前端固定在收缩段11，后端固定在实验段14下游。使得光学玻璃安装台阶产生的波系不能对扩张段13与实验段14内的流场产生影响，从而提高实验段14内超声速流场的品质。光学玻璃与喷管上下壁面均为气密封。光学玻璃可侧向打开，方便实验件的安装。
[0038]电磁加热模块16安装于喷管喉部12、扩张段13、实验段14的壁面上，起到喷管壁面温度的加热与控制作用。壁面温度可控有两方面的作用，一方面高温壁面增加了边界层厚度，降低了壁面粗糙度对流场的干扰；另一方面，特定温度分布可以抑制边界层的第一不稳定性(TS不稳定性)，推迟了壁面边界层的转捩。以往的超声速层流喷管仅对喷管喉部进行加热，且采用加热效率较低的电阻加热方式。本发明对喷管喉部、扩张段、实验段均加热，采用加热效率更高的电磁加热方式，对壁面的温度控制能力更强。
[0039]参见图1和图2，本发明的优选实施例提供了一种超声静风洞，包括过渡段2，稳定段3、喷管段1、扩压段4，阀门5和转接段6。其中，对超声速静风洞性能影响最为关键的部段为喷管段I与稳定段3。前文已详细说明了喷管段I的设计方法，下面将结合附图详细说明这稳定段3的设计方法。
[0040]图3是本发明优选实施例的超声速静风洞的稳定段的结构示意图，参见图3，稳定段3内依次安装消声夹层31、蜂窝器32、纱网33等降噪稳流的装置。消声夹层包括壳体和填充在壳体内的填充物，壳体可由金属网制成，填充物可为钢羊毛、粗空泡沫等吸音材料，消声夹层31主要用于抑制上游噪声向下游传播。蜂窝器32主要用于降低气流速度脉动，使气流平直均匀，为喷管入口创造低湍流度条件；蜂窝器32的截面可为方形、圆形或多边形，蜂窝长度L与口径M比值一般为5至10，经过蜂窝器32的旋涡尺度λ与蜂窝器口径M的关系式为:λ /M?0.16。纱网33也是用于降低气流速度脉动，使气流平直均匀。顺气流方向，网目逐渐加密。纱网前后速度脉动满足关系式:
(I ■
[0041]ν< ~ ? ? 5
Vi (I+ /O2
[0042]其中，V' !为纱网前脉动速度，V' 2为纱网后脉动速度，K为单层纱网损失系数，η为纱网层数。
[0043]从以上的描述中，可以看出，本发明上述的实施例实现了如下技术效果:
[0044]在喷管喉部、扩张段、实验段壁面均设有温度可控的电磁加热装置，使得喷管壁面可根据需要满足特定的温度分布，以推迟超声速层流喷管内边界层转捩、改善喷管流场品质；喷管扩张段与实验段一体加工成形，消除了连接缝隙与台阶对流场的干扰作用；喷管侧面安装的光学玻璃前端在收缩段，后端位于实验段下游，其作用与扩张段实验段一体成形作用相同。
[0045]以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种超声速层流喷管，其特征在于，包括用于亚声速加速的收缩段(11)，位于声速位置的喷管喉部(12)，用于超声速加速的扩张段(13)和实验段(14)，其中，还包括用于对所述收缩段(11)壁面所产生的边界层进行抽吸的边界层抽吸缝(15)和用于对喷管壁面进行加热与温度控制的电磁加热模块(16)。
2.根据权利要求1所述的超声速层流喷管，其特征在于，所述收缩段(11)的入口高度与所述喷管喉部(12)高度之比大于等于5。
3.根据权利要求1所述的超声速层流喷管，其特征在于，所述边界层抽吸缝(15)与边界层抽吸装置连接。
4.根据权利要求3所述的超声速层流喷管，其特征在于，当所述喷管喉部(12)的静压高于环境压力时，所述边界层抽吸装置为连接环境的狭缝，以将吸除的边界层直排入大气。
5.根据权利要求3所述的超声速层流喷管，其特征在于，当所述喷管喉部(12)的静压低于环境压力时，所述边界层抽吸装置与真空罐连接，以将边界层抽出排入所述真空罐中。
6.根据权利要求1所述的超声速层流喷管，其特征在于，所述扩张段(13)和所述实验段(14) 一体成形。
7.根据权利要求1所述的超声速层流喷管，其特征在于，所述超声速层流喷管的两侧壁均安装有用于对流场光学观测与测量的光学玻璃(17)，所述光学玻璃(17)为一整块，所述光学玻璃(17)的前端延伸至所述收缩段(11)，所述光学玻璃(17)的后端延伸至所述实验段(14)的下游。
8.根据权利要求1所述的超声速层流喷管，其特征在于，所述电磁加热模块(16)覆盖在所述喷管喉部(12)、所述扩张段(13)与所述实验段(14)的上下壁面。
9.一种超声速静风洞，其特征在于，包括: 根据上述权利要求1至8任一项所述的超声速层流喷管，所述超声速静风洞还包括设置在所述超声速层流喷管上游的过渡段(2)，用于对所述超声速层流喷管的来流进行降噪与稳定的稳定段(3)，位于所述超声速层流喷管下游的扩压段(4)、阀门(5)与转接段(6)。
10.根据权利要求9所述的超声速静风洞，其特征在于，所述稳定段(3)内依次安装有消声夹层(31)、蜂窝器(32)和纱网(33)。
【文档编号】G01M9/02GK104280205SQ201410577152
【公开日】2015年1月14日 申请日期:2014年10月24日 优先权日:2014年10月24日
【发明者】赵玉新, 马志成, 王振国 申请人:中国人民解放军国防科学技术大学