專利名稱：高超聲速變馬赫數(shù)風洞噴管的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及高超聲速試驗風洞領(lǐng)域，尤其涉及一種高超聲速變馬赫數(shù)風洞噴管。
背景技術(shù)：
高超聲速風洞是高超聲速技術(shù)研究必不可少的地面設(shè)備，其作用是用來模擬高超聲速飛行過程中的氣流環(huán)境，其氣動設(shè)計目標是風洞噴管實驗段馬赫數(shù)達到設(shè)計馬赫數(shù)，實驗段截面馬赫數(shù)分布均勻，噴管出口的氣流方向與風洞軸線平行；其方案設(shè)計還要兼顧噴管的適用性、エ藝性和經(jīng)濟性。高超聲速變馬赫數(shù)風洞是在實驗過程中風洞噴管出口實驗氣流馬赫數(shù)和其他狀態(tài)參數(shù)能夠根據(jù)試驗需要作連續(xù)變化的高超聲速風洞，其作用是提供來流馬赫數(shù)可以連續(xù)·變化的高超聲速氣流，其氣動設(shè)計目標是在寬范圍馬赫數(shù)條件下，實現(xiàn)實驗段截面馬赫數(shù)分布均勻，噴管出口的氣流方向與風洞軸線平行；其方案設(shè)計還要兼顧噴管的使用性、エ藝性和經(jīng)濟性。目前國內(nèi)外現(xiàn)有的變馬赫數(shù)風洞均為超聲速低焓風洞，尚沒有建成的高超聲速變馬赫數(shù)風洞。NASA Langley研究中心的變馬赫數(shù)噴管是常溫風洞，采用了柔性壁面，壁面氣動型線根據(jù)需要變化保證了噴管出口氣流品質(zhì)良好，但是氣動型面控制導致結(jié)構(gòu)復雜，同時在高超聲速風洞條件下，氣流總溫總壓很高，這種變馬赫數(shù)方法沒有冷卻和高溫密封空間，因此不能用于高超聲速變馬赫數(shù)風洞。日本JAXA的變馬赫數(shù)噴管也采用了常溫氣流，這是ー個出口尺寸為IOOmm的小型實驗臺。這種變馬赫數(shù)噴管形式由于直壁面的邊界層作用使得出ロ氣流偏角變大，出口流場具有非対稱性，同時該風洞噴管的氣動型面設(shè)計使得即使在低馬赫數(shù)2 4的變化范圍內(nèi)，實驗核心區(qū)也只占到噴管出口尺寸的約50%，達不到我國的高速風洞流場品質(zhì)軍用標準(GJB 1179-91)。馬赫數(shù)越高，風洞噴管喉部尺寸相對越小，壁面邊界層對氣流品質(zhì)的影響越大，實現(xiàn)噴管出ロ氣流的均勻性和大的實驗核心區(qū)越困難，因此更不適用于高超聲速變馬赫數(shù)風洞中。美國國防部計劃發(fā)展連續(xù)變馬赫數(shù)高焓試驗能力，由Arnold工程發(fā)展中心(AEDC)具體實施。馬赫數(shù)2 5的變馬赫數(shù)能力建設(shè)2006年預計到2011年完成，2010年預計到2016年完成。這ー階段完成后，還計劃發(fā)展變馬赫數(shù)范圍在5 8的風洞。就目前看到的資料，美國關(guān)于高超聲速變馬赫數(shù)方案已經(jīng)進行了較多的探討研究①ATK-GASL 的 FAST (the Flight Acceleration Simulation Test,飛行加速度模擬試驗)方案(改變噴管傾斜角)，這種方式通過轉(zhuǎn)動噴管，在噴管出ロ形成膨脹波或壓縮波，波后的區(qū)域即是實驗區(qū)，通過改變噴管傾斜角實現(xiàn)變馬赫數(shù)流場。這種方式的缺點是馬赫數(shù)變化范圍有限，馬赫數(shù)4 7范圍需要3到4個噴管系統(tǒng)共同完成，并且系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復雜，造價聞。②采用半柔性ニ維噴管方案能夠盡量保證風洞流場的均勻，馬赫數(shù)變化范圍寬，但是氣動型面控制導致噴管結(jié)構(gòu)和控制過程很復雜。③軸對稱噴管塞錐(plug nozzle)方案,這種方式能夠?qū)崿F(xiàn)很大的馬赫數(shù)變化范圍，但是中心錐邊界層的存在對噴管出口流場品質(zhì)的影響很大，導致流場非常不均勻。④噴管擴張段通過微波技術(shù)添加能量從而控制馬赫數(shù)和焓值的方法，但是噴管材料，微波能量控制等技術(shù)還在研究過程中，實現(xiàn)技術(shù)還很不成熟。從目前的資料來看，雖然經(jīng)過幾年的論證，美國最終采用的可行的高超聲速變馬赫數(shù)方法還在研究中。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對上述現(xiàn)有技術(shù)還沒有可行的高超聲速變馬赫數(shù)風洞噴管的問題，提出一種高超聲速變馬赫數(shù)風洞噴管，以實現(xiàn)寬馬赫數(shù)變化范圍的風洞噴管。

為了解決上述問題，本發(fā)明提供一種高超聲速變馬赫數(shù)風洞噴管，包括兩兩相對的兩塊氣動型面板和兩塊側(cè)面直板，所述氣動型面板和側(cè)面直板組成ニ維收縮-擴張通道，兩塊或其中一塊氣動型面板能夠以其出口端為軸轉(zhuǎn)動。優(yōu)選地，上述高超聲速變馬赫數(shù)風洞噴管還具有以下特點所述收縮-擴張通道的截面均為矩形。優(yōu)選地，上述高超聲速變馬赫數(shù)風洞噴管還具有以下特點所述兩塊氣動型面板和兩塊側(cè)面直板均具有足夠的厚度以留出冷卻結(jié)構(gòu)和密封結(jié)構(gòu)的空間。優(yōu)選地，上述高超聲速變馬赫數(shù)風洞噴管還具有以下特點所述氣動型面板的氣動型面滿足如下要求在馬赫數(shù)變化范圍內(nèi)，若工作馬赫數(shù)大于設(shè)計馬赫數(shù)，噴管擴張段流場軸線上最后一條膨脹波在擴張通道出口的高度與噴管出ロ半高的比值不小于0. 8 ;若工作馬赫數(shù)小于設(shè)計馬赫數(shù)，噴管擴張段出口流場的氣流受壓縮波作用的轉(zhuǎn)角小于設(shè)計值，所述設(shè)計值由當前馬赫數(shù)エ況噴管出ロ流場參數(shù)的均勻性指標決定。本發(fā)明的高超聲速變馬赫數(shù)風洞噴管是ー種氣動型面固定，氣動型面板轉(zhuǎn)動改變出口馬赫數(shù)的ニ維高超聲速變馬赫數(shù)風洞噴管。與日本JAXA的小型低馬赫數(shù)轉(zhuǎn)動噴管相比，本發(fā)明的噴管采用了上下兩個氣動型面，使得出口氣流轉(zhuǎn)角更小，流場具有対稱性，并且氣流核心區(qū)占比更大；和柔壁噴管相比，本發(fā)明的轉(zhuǎn)動噴管沒有柔壁復雜的控制機構(gòu)，結(jié)構(gòu)更簡單，増加了密封和冷卻空間。與美國在探討的各種高超聲速變馬赫數(shù)方案相比，本發(fā)明具有馬赫數(shù)變化范圍寬，結(jié)構(gòu)簡單，流場品質(zhì)好的特點，還能夠兼顧噴管的密封和冷卻空間，工程上具有適用性、エ藝性和經(jīng)濟性良好的優(yōu)點。


圖I是本發(fā)明實施例的高超聲速變馬赫數(shù)風洞噴管示意圖。圖2是本發(fā)明實施例的氣動型面繞出ロ端的軸轉(zhuǎn)動時不同馬赫數(shù)エ況流場特征線結(jié)構(gòu)示意圖。圖3是本發(fā)明實施例的噴管轉(zhuǎn)動到不同馬赫數(shù)エ況時最后一條膨脹波在噴管出ロ的相對高度。
圖4是本發(fā)明實施例的不同的噴管設(shè)計長高比和設(shè)計馬赫數(shù)條件下噴管出口氣流轉(zhuǎn)角。
具體實施例方式本發(fā)明提供的高超聲速變馬赫數(shù)風洞噴管方案，采用了ニ維拉瓦爾型面，具有氣流收縮段和擴張段。亞聲速氣流在噴管入口進入收縮段不斷加速，至噴管最小截面處達到馬赫數(shù)I ;超聲速氣流在擴張段繼續(xù)加速，至出口達到預定馬赫數(shù)。收縮段保證氣流加速過程中不分離，擴張段保證風洞要求的出ロ氣流條件。該噴管包括兩兩相對的兩塊氣動型面板和兩塊側(cè)面直板，所述氣動型面板和側(cè)面直板組成ニ維收縮-擴張通道，兩塊或其中一塊氣動型面板能夠以其出ロ端為軸轉(zhuǎn)動，從而改變收縮-擴張通道的臨界截面(收縮-擴張管通道的最小截面)面積，進而改變收縮-擴張通道的出口馬赫數(shù)。該收縮-擴張通道的截面均為矩形，收縮-擴張通道的氣動型面板的型面設(shè)計?！ぷC在寬馬赫數(shù)變化范圍內(nèi)，通道出口氣流品質(zhì)良好；兩塊氣動型面板和兩塊側(cè)面直板均具有足夠的厚度以留出冷卻結(jié)構(gòu)和密封結(jié)構(gòu)的空間，保證在高焓氣流條件下，噴管能夠正常工作。本發(fā)明的高超聲速變馬赫數(shù)風洞噴管的氣動型面設(shè)計準則是馬赫數(shù)變化范圍內(nèi)，若工作馬赫數(shù)大于設(shè)計馬赫數(shù)，噴管擴張段流場軸線上最后一條膨脹波在擴張通道出ロ的相對高度不小于0. 8(該相對高度是指該膨脹波在擴張通道出ロ的高度與噴管出ロ半高的比值)；若工作馬赫數(shù)小于設(shè)計馬赫數(shù)，噴管擴張段出ロ流場的氣流受壓縮波作用的轉(zhuǎn)角小于設(shè)計值，該設(shè)計值決定于當前馬赫數(shù)エ況噴管出口流場參數(shù)的標準均勻性指標(國標或軍標)。該設(shè)計準則是對預定的馬赫數(shù)變化范圍設(shè)計目標，給出基于特征線方法的氣動型面設(shè)計參數(shù)范圍，保證設(shè)計出的氣動型面在馬赫數(shù)變化范圍目標內(nèi)均能實現(xiàn)出口氣流品質(zhì)良好。下文中將結(jié)合附圖對本發(fā)明的實施例進行詳細說明。需要說明的是，在不沖突的情況下，本申請中的實施例及實施例中的特征可以相互任意組合。如圖I所示，噴管相對的兩個氣動型面決定了通道收縮-擴張形式，并和側(cè)面(垂直紙面方向)兩塊直板共同組成ニ維氣動通道。沿來流方向看，氣體通道每個截面均為矩形(或正方形)。噴管的氣動型面板可以繞出口端的軸轉(zhuǎn)動，從而改變喉部(最小氣動截面)的高度，根據(jù)氣動理論，噴管出口的氣流馬赫數(shù)就相應改變。如圖2所示，噴管的氣動型面板轉(zhuǎn)動的過程中，根據(jù)特征線理論，噴管軸線上最后一條膨脹波在噴管出ロ位置的理論高度隨之變化。噴管在設(shè)計位置時，軸線上最后一條膨脹波在噴管出口位置的理論高度等于噴管出口半高，這是理論上的最佳位置，意味著噴管出口氣流均勻區(qū)最大；噴管氣動型面板轉(zhuǎn)到出口馬赫數(shù)小于設(shè)計馬赫數(shù)位置時，軸線上最后一條膨脹波的角度變大，還未到達出口即到達噴管壁面，此后這條膨脹波和噴管壁面的交點至噴管出口的壁面是壓縮壁面，氣流在這一段受到壓縮波的作用，流動方向?qū)伤较蛑行妮S偏轉(zhuǎn)S。氣流偏轉(zhuǎn)角S的大小等于噴管由設(shè)計型面位置轉(zhuǎn)動到當前馬赫數(shù)位置的轉(zhuǎn)角，壓縮波的強弱與轉(zhuǎn)動的角度有夫；噴管氣動型面板轉(zhuǎn)到出口馬赫數(shù)大于設(shè)計馬赫數(shù)位置時，軸線上最后一條膨脹波在噴管出口位置的高度小于噴管出口半高，對已經(jīng)確定型面的噴管，當前位置的出口馬赫數(shù)與型面設(shè)計馬赫數(shù)相差越大，其出ロ位置的高度小于噴管出口半高越多。高超聲速變馬赫數(shù)風洞噴管氣動型面設(shè)計準則是基于氣體動力學特征線理論，對噴管型面板轉(zhuǎn)動過程中其內(nèi)部流場的特征線結(jié)構(gòu)進行理論分析，所得到的噴管氣動型面設(shè)計參數(shù)合適的取值范圍。圖3給出的是不同設(shè)計馬赫數(shù)得到的噴管型面轉(zhuǎn)動到不同馬赫數(shù)位置時軸線上最后一條膨脹波在噴管出ロ的相對高度，圖中給出了設(shè)計馬赫數(shù)4. 0，5. 5，7. 0，8. 5和10. 0相應曲線，其它設(shè)計馬赫數(shù)的曲線可類似獲得，或者插值近似獲得。根據(jù)相對高度的設(shè)計值確定噴管的設(shè)計馬赫數(shù)，相對高度一般應不小于0. 8。噴管轉(zhuǎn)動位置的馬赫數(shù)小于設(shè)計馬赫數(shù)時，相對高度大于I (軸線上最后一條膨脹波還未到達出口前已經(jīng)相交于壁面)，氣流在噴管內(nèi)的流動有ー個受壓縮過程，流動方向會有偏轉(zhuǎn)。圖4給出的是不同設(shè)計馬赫數(shù)和設(shè)計長高比(擴張段長度與出口半高之比)得到的噴管型面，其轉(zhuǎn)動到不同馬赫數(shù)エ況(小于設(shè)計馬赫數(shù))時，相應氣流轉(zhuǎn)角的大小。圖中給出了設(shè)計馬赫數(shù)5. 5，7. 0相應曲線，其它設(shè)計馬赫數(shù)的曲線可類似獲得，或者插值近似獲得。 根據(jù)氣流轉(zhuǎn)角的設(shè)計值確定噴管的設(shè)計參數(shù)長高比。下面以一具體應用實例進ー步說明本發(fā)明設(shè)計馬赫數(shù)變化范圍4 7，噴管出ロ半高90mm的ニ維轉(zhuǎn)動變馬赫數(shù)噴管型面。由圖3可知，若要求噴管轉(zhuǎn)動到馬赫數(shù)7時軸線上最后一條膨脹波在噴管出口的相對高度約為0. 8，噴管的設(shè)計馬赫數(shù)應大于等于5. 5。由圖4可知，若要求噴管轉(zhuǎn)動到馬赫數(shù)4時軸線上最后一條膨脹波與噴管壁面相交后的氣流轉(zhuǎn)角小于0.4°C，則噴管的設(shè)計馬赫數(shù)為5.5吋，設(shè)計長高比應大于或等于10 ;噴管的設(shè)計馬赫數(shù)為7. 0吋，設(shè)計長高比應大于或等于12。目前的結(jié)論基于理論分析，實際的流動因為氣動粘性，長高比越大，噴管出ロ壁面邊界層越厚，流場均勻區(qū)越小，因此并非長高比越大越好。因此，以馬赫數(shù)5. 5，長高比11為噴管氣動型面設(shè)計參數(shù)，應用特征線理論得到噴管的氣動型面。本發(fā)明可以用于任意尺寸和高超聲速馬赫數(shù)變馬赫數(shù)風洞噴管的設(shè)計，上述實例是為了闡述本發(fā)明，不對本發(fā)明的保護范圍構(gòu)成限制。凡與本發(fā)明設(shè)計思路相同的實施方式均在本發(fā)明的保護范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種高超聲速變馬赫數(shù)風洞噴管，其特征在于，包括兩兩相對的兩塊氣動型面板和兩塊側(cè)面直板，所述氣動型面板和側(cè)面直板組成二維收縮-擴張通道，兩塊或其中一塊氣動型面板能夠以其出口端為軸轉(zhuǎn)動。
2.如權(quán)利要求I所述的高超聲速變馬赫數(shù)風洞噴管，其特征在于， 所述收縮-擴張通道的截面均為矩形。
3.如權(quán)利要求I所述的高超聲速變馬赫數(shù)風洞噴管，其特征在于， 所述兩塊氣動型面板和兩塊側(cè)面直板均具有足夠的厚度以留出冷卻結(jié)構(gòu)和密封結(jié)構(gòu)的空間。
4.如權(quán)利要求I所述的高超聲速變馬赫數(shù)風洞噴管，其特征在于， 所述氣動型面板的氣動型面滿足如下要求 在馬赫數(shù)變化范圍內(nèi)，若工作馬赫數(shù)大于設(shè)計馬赫數(shù)，噴管擴張段流場軸線上最后一條膨脹波在擴張通道出口的高度與噴管出口半高的比值不小于0. 8 ;若工作馬赫數(shù)小于設(shè)計馬赫數(shù)，噴管擴張段出口流場的氣流受壓縮波作用的轉(zhuǎn)角小于設(shè)計值，所述設(shè)計值由當前馬赫數(shù)工況噴管出口流場參數(shù)的均勻性指標決定。
全文摘要
本發(fā)明公開一種高超聲速變馬赫數(shù)風洞噴管，包括兩兩相對的兩塊氣動型面板和兩塊側(cè)面直板，所述氣動型面板和側(cè)面直板組成二維收縮-擴張通道,兩塊或其中一塊氣動型面板能夠以其出口端為軸轉(zhuǎn)動。本發(fā)明的噴管采用了上下兩個氣動型面，使得出口氣流轉(zhuǎn)角更小，流場具有對稱性，并且氣流核心區(qū)占比更大；而且，本發(fā)明的轉(zhuǎn)動噴管沒有復雜的控制機構(gòu)，結(jié)構(gòu)更簡單，增加了密封和冷卻空間。本發(fā)明具有馬赫數(shù)變化范圍寬，結(jié)構(gòu)簡單，流場品質(zhì)好的特點，還能夠兼顧噴管的密封和冷卻空間，工程上具有適用性、工藝性和經(jīng)濟性良好的優(yōu)點。
文檔編號G01M9/04GK102788677SQ201210321270
公開日2012年11月21日 申請日期2012年9月3日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月3日
發(fā)明者張新宇, 李東霞, 顧洪斌 申請人:中國科學院力學研究所