用于高雷诺数高超声速风洞的气体活塞驱动运行整流结构的制作方法

1.本发明属于高超声速风洞设备领域，具体涉及一种用于高雷诺数高超声速风洞的气体活塞驱动运行整流结构。


背景技术：

2.高雷诺数高超声速风洞可以同时模拟高雷诺数和高马赫数，其运行马赫数远大于10，气流最高总压200mpa，气流最高总温2300k，风洞雷诺数较高。由于气体流速高，气流经喷管而剧烈膨胀将造成水蒸汽和二氧化碳发生凝结，造成流场的不均匀性，使试验数据不准确，因此，高超声速风洞中需要设置加热器，将气流加热到所需要的防冷凝温度。为了满足试验气流加热需求、风洞流场指标要求和高精度气动力测量需求，加热器需要满足以下要求：（1）加热器最高运行总压需要达到200mpa，最高工作温度需要达到2300k；（2）风洞运行过程中，加热器出口气流温度、压力需保持不变，为2300k、200mpa；（3）风洞有效运行时间需大于1秒，即有效运行时间内超高温超高压试验气流的体积需要几立方；（4）超高温超高压试验需洁净、无污染。
3.常规高超声速风洞上采用的直热式和蓄热式电加热器可以提供数十秒稳定试验气流，满足运行时间要求，但是其工作温度在1373k以下，最高总压在几十兆帕以下，无法满足高雷诺数高超声速风洞试验气流加热温度和使用压力需求。采用激波风洞或者爆轰驱动方式可以获得满足温度和压力要求的试验气流，但是超高温、超高压试验气流维持时间短，约几毫秒至几百毫秒，且风洞起动过程中的冲击载荷与气动力载荷难以区分，导致气动力数据的精准度低，不满足风洞运行要求。因此，高雷诺数高超声速风洞采用电加热器获取超高温超高压试验气流，即采用非金属发热元件直接对加热器内部的试验气流加热、升压至2300k、200mpa后，打开加热器出口阀门，以获得超高温、超高压试验气流。但是这种方式将导致加热器出口气流温度、压力逐渐下降，不满足风洞来流温度、压力恒定等指标要求。要维持加热器出口气流温度、压力保持不变，常用的方法有两种，一种是将加热器热区容积增大数倍，以保证温度、压力下降在容许范围内，但是大容积超高温超高压容器的制造风险极大。另一种是采用实体活塞推挤加热器内部热气，维持加热器出口气流温度、压力不变，但是，加热器内部结构无法设置实体活塞，实体活塞驱动也难以实现。
4.为了解决激波风洞或者爆轰驱动方式运行时间短、加热器直接释放热气导致出口气流温度和压力逐渐下降、无法设置实体活塞等不足，当前，亟需发展一种用于高雷诺数高超声速风洞的气体活塞驱动运行整流结构。


技术实现要素：

5.本发明所要解决的技术问题是提供一种用于高雷诺数高超声速风洞的气体活塞驱动运行整流结构，解决激波风洞或者爆轰驱动方式运行时间短、加热器直接释放热气导致出口气流温度和压力逐渐下降、无法设置实体活塞的问题。
6.本发明的用于高雷诺数高超声速风洞的气体活塞驱动运行整流结构，其特点是，
所述的气体活塞驱动运行整流结构包括位于加热器底部、与加热器缸体连通的均流罐，均流罐的内部空腔为均流腔，均流腔的内径大于加热器缸体内径；均流罐的底面开有冷气入口、均流腔的顶面开有冷气出口，在冷气出口设置有导流台；冷气入口、均流腔和导流台同中心轴线；导流台为旋成体，从下至上依次为头部、过渡体、导流板、尾部和挡流板；头部为圆柱体ⅰ，头部的下端面与均流腔底面之间的垂直距离为h1，头部下端面的环向流通面积大于冷气入口流通面积；过渡体为直径下小上大的锥体；导流板为从过渡体的顶面向外水平延伸的圆环，导流板的外径大于冷气出口的直径且小于均流腔的内径，导流板的上表面与均流腔的顶面之间的垂直距离为h，h＜h1，导流板的上表面与均流腔的顶面之间的缝隙构成环向进气道；尾部为圆柱体ⅱ，尾部的外径与过渡体顶面外径相等；挡流板为从尾部的顶面向外向下延伸的直径上小下大的锥筒，挡流板的锥角范围为30
°
～60
°
。
7.进一步地，所述的加热器缸体内具有超高温超高压热气，超高温超高压热气为最高温度2300k、最高压力200mpa的气体。
8.进一步地，所述的冷气入口内通入超高压冷气流，超高压冷气流为常温323k、压力范围200mpa~250mpa气体。
9.本发明的用于高雷诺数高超声速风洞的气体活塞驱动运行整流结构将超高压冷气流通过冷气入口进入均流腔，在均流腔内，超高压冷气流速度降低，密度、压力均匀；然后，超高压冷气流经过导流台进一步减速、导流进入加热器缸体底部；由于冷气密度大、热气密度小，超高压冷气流与加热器缸体内的超高温超高压热气之间形成一个冷热分界面即气体活塞，随着冷气的不断流入和热气的不断释放，冷热分界面不断向加热器缸体顶部移动，即气体活塞将加热器缸体内的超高温超高压热气均匀的推挤出加热器，同时保持加热器出口热气温度、压力恒定；实现了在不增加加热器热区容积的前提下，就可以在较长时间维持加热器出口热气温度、压力恒定，提高加热器缸体内的超高温超高压热气利用率，确保高雷诺数高超声速风洞的有效运行时间达1秒至数十秒。
10.本发明的用于高雷诺数高超声速风洞的气体活塞驱动运行整流结构不需要实体活塞即可以维持加热器出口热气温度、压力恒定；能够在不增加加热器热区容积的前提下，充分利用加热器内部超高温超高压热气；能够通过均流腔和导流台，对进入的超高压冷气流进行均流、导流，避免冷气中心射流，提高气体活塞驱动效率和热气利用率，延长高雷诺数高超声速风洞有效运行时间。
附图说明
11.图1为本发明的用于高雷诺数高超声速风洞的气体活塞驱动运行整流结构示意图；图2为本发明的用于高雷诺数高超声速风洞的气体活塞驱动运行整流结构中的导流台结构示意图；图3为本发明的用于高雷诺数高超声速风洞的气体活塞驱动运行整流结构在不同时刻的对称面温度场云图。
12.图中，1.冷气入口；2.均流腔；3.导流台；301.头部；302.过渡体；303.导流板；304.环向进气道；305.尾部；306.挡流板。
具体实施方式
13.下面结合附图和实施例详细说明本发明。
14.实施例1如图1所示，本实施例的用于高雷诺数高超声速风洞的气体活塞驱动运行整流结构包括位于加热器底部、与加热器缸体连通的均流罐，均流罐的内部空腔为均流腔2，均流腔2的内径大于加热器缸体内径；均流罐的底面开有冷气入口1、均流腔2的顶面开有冷气出口，在冷气出口设置有导流台3；冷气入口1、均流腔2和导流台3同中心轴线；本实施例的加热器缸体外包覆非金属发热元件，加热器缸体内具有超高温超高压热气，加热器缸体的顶部开有超高温超高压热气出口，冷气入口1内充入超高压冷气流。
15.本实施例的均流腔2对从冷气入口1进入的超高压冷气流起到均流、减速作用；如图2所示，本实施例的导流台3为旋成体，从下至上依次为头部301、过渡体302、导流板303、尾部305和挡流板306；头部301为圆柱体ⅰ，头部301的下端面与均流腔2底面之间的垂直距离为h1，头部下端面的环向流通面积大于冷气入口1流通面积，能够将竖直向上流动的超高压冷气流导入均流腔2内，降低流速，避免中心射流，确保整个均流腔2内的气流速度、密度、压力均匀；过渡体302为直径下小上大的锥体，过渡体302的上端连接导流板303；导流板303为从过渡体302的顶面向外水平延伸的圆环，导流板303的外径大于冷气出口的直径且小于均流腔2的内径，导流板303的上表面与均流腔2的顶面之间的垂直距离为h，h＜h1；导流板303的上表面与均流腔2的顶面之间的缝隙构成环向进气道304，导流板303能够将超高压冷气流均匀的导入环向进气道304内，环向进气道304能够继续确保进入加热器缸体的超高压冷气流速度、密度、压力均匀，且流速较低，提高气体活塞驱动效率；尾部305为圆柱体ⅱ，尾部305的外径与过渡体302顶面外径相等，尾部305能够进一步降低超高压冷气流流速，继而降低超高压冷气流与超高温超高压热气渗混速度，提高气体活塞驱动效率和热气利用率；挡流板306为从尾部305的顶面向外向下延伸的直径上小下大的锥筒，具有折流板作用，挡流板306的锥角范围为30
°
～60
°
；挡流板306能够进一步降低超高压冷气流向上的流速，改变超高压冷气流流动方向，避免向上的射流，确保超高压冷气流与超高温超高压热气形成一个比较均匀的分界面，从而降低冷气与热气渗混速度，继续提高气体活塞驱动效率和热气利用率。
16.本实施例获得的不同时刻加热器对称面温度场云图见图3；从图3可以看出，本实施例的用于高雷诺数高超声速风洞的气体活塞驱动运行整流结构能够在加热器缸体内形成超高压冷气流与超高温超高压热气之间的冷热分界面即气体活塞，随着冷气的不断流入和热气的不断释放，冷热分界面不断向加热器缸体顶部移动，将加热器缸体内的超高温超高压热气均匀的推挤出加热器，同时保持加热器出口热气温度、压力恒定；实现了在不增加加热器热区容积的前提下，就可以在较长时间保持加热器出口热气温度、压力恒定，提高加热器缸体内的超高温超高压热气利用率，确保高雷诺数高超声速风洞的有效运行时间达1秒至数十秒。
17.尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域。对于熟悉本领域的人员而言，在不脱离本
发明原理的前提下，可容易地实现另外的改进和润饰，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。