一种可轴向开窗的高速风洞

本发明涉及空气动力学设备，具体是一种可轴向开窗的高速风洞。

背景技术：

1、高速(超声速/高超声速)风洞是开展高速飞行器相关流动机理研究与工程研制的关键设备。风洞主体结构中最重要的部件是喷管段和实验段。喷管段使来流加速形成均匀的超声速/高超声速流动，为实验段提供高速气流的实验环境。实验段内放入实验模型或真实的飞行器，复现出实际飞行时的流场。为了对流场进行观测，实验段的四个壁面上一般会开设光学观察窗口，如图1所示。

2、在实验段壁面上开设窗口，只能从侧面对实验模型和流场进行观测。对于三维流场，逆流动方向从后往前观测能更好地观测到流场的三维结构，对研究更为有利。当实验模型对流场有遮挡，如三维超声速/高超声速进气道，从侧面观察窗无法实现流场观测。逆流动方向从后往前观测的方案更显出其价值。现有方案主要有三种。一是采用scheimpflug机构，让相机从后斜向前逆流观测，当被观测平面、镜头等效平面和ccd芯片在空间上交于一条线(从图2的二维示意图上看是一个点)，则理论上可以在ccd芯片上成像清楚；二是在实验模型下游设置反光镜，将被观测流场的光线90度反射出观察窗，再进行观测；三是在实验段下游设置一个大的真空舱，将相机放置在真空舱里，直接进行逆流观测。

3、采用scheimpflug机构的方案，没有完全解决模型对流场的遮挡问题，且光线斜着通过观察窗会导致成像模糊；至于反光镜方案，反光镜直接置于气流中，会导致反光镜振动，且气流中的颗粒物易导致反光镜污染和损坏；真空舱方案占地面积大，且相机直接置于气流中也易导致相机损坏，且振动会导致拍摄不清楚。

技术实现思路

1、针对上述现有技术中的不足，本发明提供一种可轴向开窗的高速风洞，利用s弯流道和凹腔的巧妙组合，实现高速风洞轴向开窗，从而直接可以逆流动方向观测实验段流场。

2、为实现上述目的，本发明提供一种可轴向开窗的高速风洞，包括依次相连的喷管段、实验段与s弯流道；

3、所述喷管段与所述实验段呈直线相连，所述s弯流道的一端与所述实验段的下游端平滑相连，另一端呈s型向后、向上延伸；

4、所述s弯流道的底部型面上设有凹腔，且所述凹腔的侧壁面上设有朝向所述实验段的观察窗。

5、在其中一个实施例，所述s弯流道为由顶部型面、底部型面、左侧面与右侧面围成的三维矩形截面s弯流道；

6、所述顶部型面、所述底部型面均为型线为s构型的曲面结构，所述左侧面、所述右侧面均为平面结构。

7、在其中一个实施例，所述顶部型面的型线包括依次相连的第一圆弧段、第一直线段与第二圆弧段，所述第一圆弧段的圆心位于所述顶部型面的上方，所述第二圆弧段的圆心位于所述顶部型面的下方；

8、所述第一圆弧段的一端与所述实验段的下游端相连，且与所述实验段的顶面相切，所述第一圆弧段的另一端与所述第一直线段相切；

9、所述第二圆弧段的一端与所述第一直线段相切，另一端与水平面相切。

10、在其中一个实施例，所述底部型面的型线包括依次相连的第三圆弧段、第二直线段与第四圆弧段，所述第三圆弧段的圆心位于所述底部型面的上方，所述第四圆弧段的圆心位于所述底部型面的下方；

11、所述第三圆弧段的一端与所述实验段的下游端相连，且与实验段的底面相切，所述第三圆弧段的另一端与所述第二直线段相切；

12、所述第四圆弧段的一端与所述第二直线段相切，另一端与水平面相切；

13、所述观察窗设在所述s弯流道的底部型面上对应所述第二直线段的部分型面上。

14、在其中一个实施例，所述第一直线段与水平面的夹角为αe，所述第二直线段与水平面的夹角为αc；

15、其中，αe>αc，从而保证s弯流道的截面积沿流动方向是增加的，确保风洞的起动性能。

16、在其中一个实施例，所述s弯流道的底部型面上对应所述第二直线段的部分型面上开设有矩形口，所述凹腔设在所述矩形口上。

17、在其中一个实施例，所述凹腔包括第一安装板、第二安装板与两个侧封板；

18、所述第一安装板的一端与所述矩形口的上游端相连，所述第一安装板的另一端与所述第二安装板的一端相连，所述第二安装板的另一端与所述矩形口的下游端相连；

19、所述第一安装板呈水平布置且与所述实验段的轴向平行，所述第二安装板与所述实验段的轴向垂直，所述观察窗设在所述第二安装板上；

20、其中一个所述侧封板与所述第一安装板的一侧、所述第二安装板的一侧、所述矩形口的一侧相连，另一个所述侧封板与所述第一安装板的另一侧、所述第二安装板的另一侧、所述矩形口的另一侧相连。

21、与现有技术相比，本发明具有如下有益技术效果：

22、1、可将相机布置在风洞外面进行流场观测，避免气流冲刷使相机振动和损坏；

23、2、在进行流场观测时可使相机观察方向垂直于观察窗，避免光线斜着通过观察窗而导致图像模糊；

24、3、在进行流场观测过程中进行相机调焦等操作更加简便直接。

25、4、开展激光诊断实验时，激光可通过轴向开窗逆流动方向入射到实验段，使实验开展更加灵活。

技术特征：

1.一种可轴向开窗的高速风洞，其特征在于，包括依次相连的喷管段、实验段与s弯流道；

2.根据权利要求1所述的可轴向开窗的高速风洞，其特征在于，所述s弯流道为由顶部型面、底部型面、左侧面与右侧面围成的三维矩形截面s弯流道；

3.根据权利要求2所述的可轴向开窗的高速风洞，其特征在于，所述顶部型面的型线包括依次相连的第一圆弧段、第一直线段与第二圆弧段，所述第一圆弧段的圆心位于所述顶部型面的上方，所述第二圆弧段的圆心位于所述顶部型面的下方；

4.根据权利要求3所述的可轴向开窗的高速风洞，其特征在于，所述底部型面的型线包括依次相连的第三圆弧段、第二直线段与第四圆弧段，所述第三圆弧段的圆心位于所述底部型面的上方，所述第四圆弧段的圆心位于所述底部型面的下方；

5.根据权利要求4所述的可轴向开窗的高速风洞，其特征在于，所述第一直线段与水平面的夹角为αe，所述第二直线段与水平面的夹角为αc；

6.根据权利要求5或6所述的可轴向开窗的高速风洞，其特征在于，所述s弯流道的底部型面上对应所述第二直线段的部分型面上开设有矩形口，所述凹腔设在所述矩形口上。

7.根据权利要求6所述的可轴向开窗的高速风洞，其特征在于，所述凹腔包括第一安装板、第二安装板与两个侧封板；

技术总结
本发明公开了一种可轴向开窗的高速风洞，包括依次相连的喷管段、实验段与S弯流道；所述喷管段与所述实验段呈直线相连，所述S弯流道的一端与所述实验段的下游端平滑相连，另一端呈S型向后、向上延伸；所述S弯流道的底部型面上设有凹腔，且所述凹腔的侧壁面上设有朝向所述实验段的观察窗。本发明应用于空气动力学领域，利用S弯流道和凹腔的巧妙组合，实现高速风洞轴向开窗，从而直接可以逆流动方向观测实验段流场。

技术研发人员：何刚,赵玉新,赵一龙,王前程,杨瑞
受保护的技术使用者：中国人民解放军国防科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13