一种基于喷流和抽吸结构的变马赫数风洞实验装置

本发明涉及空气动力学实验装置领域，具体涉及一种基于喷流和抽吸结构的变马赫数风洞实验装置。

背景技术：

1、随着高马赫数飞行器的不断发展，宽速域飞行是新型飞行器必备的能力，飞行马赫数变化，飞行性能随之发生变化，要精确获得实验数据，需要地面模拟设备具备多种飞行马赫数。在超声速喷管中，不同马赫数对应着不同的扩张比，即喷管出口面积与喉道面积的比值。目前，变马赫数风洞方案在喷管段的研究主要有柔性壁式和对称开合式。柔性壁式变马赫数风洞方案采用一系列活塞上下运动以驱动喷管壁面进行可控变形，从而改变喷管流场马赫数。对称开合式变马赫数风洞方案采用上下对称固壁喷管，喷管型面分别以喷管一端为旋转轴，另一端通过上下运动以改变喷管的收缩比，从而改变喷管流场马赫数。

2、现有的变马赫数风洞方案主要存在以下缺陷：(1)机械机构作动复杂：若喷管采用柔性壁面，柔性壁面多点作动机构和控制方法都十分复杂，导致喷管流场难以连续精准控制；(2)型线变化导致流场畸变：若喷管采用刚体旋转壁面，选择的型面变动会导致流场畸变，导致单喷管变马赫范围难以突破2个马赫数，并且难以跨过高马赫数。(3)实际机构在运行时受时间限制，变马赫数的过程比较长，难以在较短时间内实现变马赫数。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服上述缺陷提供一种基于喷流和抽吸结构的变马赫数风洞实验装置。

2、为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：包括由收缩段、进气段、喷管段及实验段依次连接而成的风洞，所述收缩段、进气段、喷管段及实验段的中心轴线相吻合，且收缩段、进气段、喷管段及实验段的内部流道依次连通形成风洞的气体流道；所述的喷管段由对称设置的左侧板、右侧板以及对称设置的上型材及下型材围设而成，所述上型材及下型材相靠近的端面为外凸的弧面，所述喷管段的内部流道包括依次设置的喷管收缩段、喉道及喷管扩张段，与喉道相对应的上型材及下型材的弧面上均分别设有行列状布置的圆形风孔，所述的圆形风孔与喷流抽吸装置相连，所述的喷流抽吸装置包括集气腔、与集气腔相连的管道以及与管道末端相连的电磁阀，通过电磁阀孔位的通断切断可在喷管段内形成气动喉道，通过改变喉道面积与喷管扩张段出口处面积的比值，实现实验段内部流道的变马赫数；

3、还包括气源装置，所述的气源装置包括空气压缩机、第一压力储气罐、连接空气压缩机与第一压力储气罐的第一气管、连接第一压力储气罐与集气腔的第二气管、设置在第一气管上的单向阀以及设置在第二气管上的减压阀，所述的第二气管为硬质管道；

4、还包括真空装置，所述的真空装置包括真空泵、第二压力储气罐、连通真空泵与第二压力储气罐的第三气管、设置在第三气管上的真空阀以及连通第二压力储气罐与喷管段内部流道的第四气管；

5、还包括气罐，所述的气罐通过第五气管与收缩段连通，且第五气管上设有单向球阀。

6、所述的实验段包括皮托管，所述皮托管设有测压孔的一端位于实验段的内部流道中，皮托管的静压管和总压管上分别设有压力传感器，所述的压力传感器与反馈控制系统连接。

7、所述的实验段整体呈方形，实验段的上表面向下开设有凹槽，且凹槽的槽底处设有与实验段内部流道相通的缺口，所述的缺口处通过密封板和密封圈实现实验段内外部的密封；所述的皮托管贯穿密封板设置，且皮托管通过o型圈与密封板形成密封，压力传感器与反馈控制系统之间通过电线连接。

8、所述的上型材及下型材均分别包括与喷管收缩段相对应的第一型材、与喉道相对应的第二型材以及与喷管扩张段相对应的第三型材，所述的第二型材包括与第一型材连接的第一固定部、与第三型材连接的第二固定部、连接在第一固定部与第二固定部底端的弧形板以及连接在第一固定部及第二固定部顶部的盖板，所述的集气腔通过第一固定卡板和第二固定卡板连接在盖板的下板面，且盖板上设有与集气腔内部连通的进气孔。

9、所述的管道包括自上向下依次布置的第一级汇流排、第二级汇流排及第三级汇流排，所述的第一级汇流排通过软管与集气腔连通，所述的第一级汇流排与第二级汇流排之间、第二级汇流排与第三级汇流排之间均通过硬管连接。

10、所述的电磁阀为两位三通阀，所述的电磁阀包括顶部的第一通孔、第二通孔及底部的第三通孔、第四通孔、第五通孔，其中：第一通孔与第三级汇流排的出口通过硬管连接，且电磁阀上各通孔的直径均大于圆形风孔的直径。

11、所述的电磁阀并列设置多列，所述的弧形板上设有用于安装电磁阀的盲槽，多列电磁阀中选用任意两列用于向喉道处进行喷流和抽吸，所述的圆形风孔开设在盲槽的槽底处。

12、所述收缩段的内部流道呈开口大、出口小的喇叭状流道，所述进气段的内部流道为矩形流道，所述喷管段的内部流道为收缩-扩张型流道，所述实验段的内部流道为矩形流道；所述的进气段通过第一法兰与收缩段相连，所述的进气段通过第二法兰与喷管段相连，所述的喷管段通过第三法兰与实验段相连，所述的风洞置于实验支撑台上。

13、本发明的有益效果如下：

14、1、本发明通过两端圆形风孔喷射气体使喷管段的内部流道形成气动喉道，改变了喷管段出口面积与喉道面积的比值，实现了实验段马赫数的变化。相比较于采用柔性壁面的喷管段结构，没有复杂的作动机构；相比较于采用刚性旋转壁面的喷管段结构，流场流动比较均匀；且由于喷流速度较快，时间响应比较短，马赫数变化的时间历程也会相应缩短。

15、2、本发明中圆形风孔的直径小，排布密集，每个凹槽之间由挡板相隔，且每个凹槽控制的圆孔只有4个；同时三级汇流阀均匀布置，可以避免气流不均匀问题以及喷射/抽吸时的不同时问题。

16、3、本发明所设置的皮托管为1个，且测压孔布置于实验段的中心处，只测量实验段中心气体的压强，可以根据具体情况改变皮托管的数目，以测量不同竖直方向上的压强。

17、4、本发明的适用性强，关键零部件可快速拆卸，模块化的组装工艺使得损坏部件能够进行快速更换。

技术特征：

1.一种基于喷流和抽吸结构的变马赫数风洞实验装置，其特征在于：包括由收缩段(1)、进气段(2)、喷管段(3)及实验段(4)依次连接而成的风洞，所述收缩段(1)、进气段(2)、喷管段(3)及实验段(4)的中心轴线相吻合，且收缩段(1)、进气段(2)、喷管段(3)及实验段(4)的内部流道依次连通形成风洞的气体流道；所述的喷管段(3)由对称设置的左侧板(31)、右侧板(32)以及对称设置的上型材(33)及下型材(34)围设而成，所述上型材(33)及下型材(34)相靠近的端面为外凸的弧面，所述喷管段(3)的内部流道包括依次设置的喷管收缩段(35)、喉道(36)及喷管扩张段(37)，与喉道(36)相对应的上型材(33)及下型材(34)的弧面上均分别设有行列状布置的圆形风孔(3329)，所述的圆形风孔(3329)与喷流抽吸装置相连，所述的喷流抽吸装置包括集气腔(39)、与集气腔(39)相连的管道以及与管道末端相连的电磁阀(38)，通过电磁阀(38)孔位的通断切断可在喷管段(3)内形成气动喉道，通过改变喉道(36)面积与喷管扩张段(37)出口处面积的比值，实现实验段(4)内部流道的变马赫数；

2.根据权利要求1所述的基于喷流和抽吸结构的变马赫数风洞实验装置，其特征在于：所述的实验段(4)包括皮托管(41)，所述皮托管(41)设有测压孔(42)的一端位于实验段(4)的内部流道中，皮托管(41)的静压管(43)和总压管(44)上分别设有压力传感器(45)，所述的压力传感器(45)与反馈控制系统(46)连接。

3.根据权利要求2所述的基于喷流和抽吸结构的变马赫数风洞实验装置，其特征在于：所述的实验段(4)整体呈方形，实验段(4)的上表面向下开设有凹槽(47)，且凹槽(47)的槽底处设有与实验段(4)内部流道相通的缺口，所述的缺口处通过密封板(471)和密封圈(472)实现实验段(4)内外部的密封；所述的皮托管(41)贯穿密封板(471)设置，且皮托管(41)通过o型圈(48)与密封板(471)形成密封，压力传感器(45)与反馈控制系统(46)之间通过电线(49)连接。

4.根据权利要求1所述的基于喷流和抽吸结构的变马赫数风洞实验装置，其特征在于：所述的上型材(33)及下型材(34)均分别包括与喷管收缩段(35)相对应的第一型材(331)、与喉道(36)相对应的第二型材(332)以及与喷管扩张段(37)相对应的第三型材(333)，所述的第二型材(332)包括与第一型材(331)连接的第一固定部(3321)、与第三型材(333)连接的第二固定部(3322)、连接在第一固定部(3321)与第二固定部(3322)底端的弧形板(3323)以及连接在第一固定部(3321)及第二固定部(3322)顶部的盖板(3324)，所述的集气腔(39)通过第一固定卡板(3325)和第二固定卡板(3326)连接在盖板(3324)的下板面，且盖板(3324)上设有与集气腔(39)内部连通的进气孔(3327)。

5.根据权利要求1所述的基于喷流和抽吸结构的变马赫数风洞实验装置，其特征在于：所述的管道包括自上向下依次布置的第一级汇流排(391)、第二级汇流排(392)及第三级汇流排(393)，所述的第一级汇流排(391)通过软管与集气腔(39)连通，所述的第一级汇流排(391)与第二级汇流排(392)之间、第二级汇流排(392)与第三级汇流排(393)之间均通过硬管连接。

6.根据权利要求1所述的基于喷流和抽吸结构的变马赫数风洞实验装置，其特征在于：所述的电磁阀(38)为两位三通阀，所述的电磁阀(38)包括顶部的第一通孔(381)、第二通孔(382)及底部的第三通孔(383)、第四通孔(384)、第五通孔(385)，其中：第一通孔(381)与第三级汇流排(393)的出口通过硬管连接，且电磁阀(38)上各通孔的直径均大于圆形风孔(3329)的直径。

7.根据权利要求4所述的基于喷流和抽吸结构的变马赫数风洞实验装置，其特征在于：所述的电磁阀(38)并列设置多列，所述的弧形板(3323)上设有用于安装电磁阀(38)的盲槽(3328)，多列电磁阀中选用任意两列用于向喉道(36)处进行喷流和抽吸，所述的圆形风孔(3329)开设在盲槽(3328)的槽底处。

8.根据权利要求1所述的基于喷流和抽吸结构的变马赫数风洞实验装置，其特征在于：所述收缩段(1)的内部流道呈开口大、出口小的喇叭状流道，所述进气段(2)的内部流道为矩形流道，所述喷管段(3)的内部流道为收缩-扩张型流道，所述实验段(4)的内部流道为矩形流道；所述的进气段(2)通过第一法兰(81)与收缩段(1)相连，所述的进气段(2)通过第二法兰(82)与喷管段(3)相连，所述的喷管段(3)通过第三法兰(83)与实验段(4)相连，所述的风洞置于实验支撑台(84)上。

技术总结
本发明涉及一种基于喷流和抽吸结构的变马赫数风洞实验装置，包括气源装置、真空装置、气罐，还包括由收缩段、进气段、喷管段及实验段依次连接而成的风洞，所述的喷管段由对称设置的左侧板、右侧板以及对称设置的上型材及下型材围设而成，所述喷管段的内部流道包括依次设置的喷管收缩段、喉道及喷管扩张段，与喉道相对应的上型材及下型材的弧面上均分别设有行列状布置的圆形风孔，所述的圆形风孔与喷流抽吸装置相连，所述的喷流抽吸装置包括集气腔、与集气腔相连的管道以及与管道末端相连的电磁阀，通过电磁阀孔位的通断切断可在喷管段内形成气动喉道，通过改变喉道面积与喷管扩张段出口处面积的比值，实现实验段内部流道的变马赫数。

技术研发人员：高文智,王深,何玉启,陈建,刘常海,陶翔宇,曾亿山,燕浩
受保护的技术使用者：合肥工业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16