本發(fā)明涉及風(fēng)洞防熱技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種長時間高溫風(fēng)洞試驗艙。

背景技術(shù)：

高溫燃氣流超聲速熱結(jié)構(gòu)風(fēng)洞主要用于模擬一定高度下飛行器的氣動熱、氣動力等性能。在燃氣高溫燃氣流風(fēng)洞中，試驗艙是重要組成部分，主要用于設(shè)置安裝試驗?zāi)Ｐ图捌錅y試測量裝置，并在風(fēng)洞試驗過程中同樣承受風(fēng)洞氣流考核的同時，對試驗?zāi)Ｐ瓦M行必要的測量及觀察。

按照風(fēng)洞氣流熱環(huán)境的不同，試驗艙可分為常溫風(fēng)洞試驗艙及高溫風(fēng)洞試驗艙。常溫風(fēng)洞試驗艙的熱環(huán)境較低，多用于民用系統(tǒng)的常溫風(fēng)洞中，試驗艙不需要采取單獨的熱防護措施；高溫風(fēng)洞試驗艙的熱環(huán)境相對較高，根據(jù)高溫風(fēng)洞類型，可分為暫沖風(fēng)洞試驗艙、熱沖風(fēng)洞試驗艙及燃氣流風(fēng)洞試驗艙等幾類。

激波風(fēng)洞試驗艙就是一種典型的暫沖風(fēng)洞試驗艙，由于其氣流是利用激波壓縮試驗氣體后再用膨脹方法產(chǎn)生的高溫超聲速試驗氣流，其試驗時間極短通常僅為ms量級(直通型激波風(fēng)洞的試驗時間約為1ms，反射型激波風(fēng)洞的試驗時間約為5～25ms)，因此，暫沖風(fēng)洞試驗艙并未采取單獨的熱防護措施。熱沖風(fēng)洞的氣流是利用電弧脈沖放電定容地加熱和壓縮試驗氣體后再用膨脹方法產(chǎn)生的高溫超聲速試驗氣流，其溫度雖然較高，但其熱流較小，一般不超過100kW/m2，因此，在試驗時間有限的情況下，熱沖風(fēng)洞試驗艙通過保證其熱沉充足即可滿足試驗要求，并未采取單獨的熱防護措施。

燃氣流風(fēng)洞試驗艙內(nèi)的試驗氣流為高溫超聲速燃氣流，其一般由煤油和氧氣充分混合及燃燒后經(jīng)噴管加速后產(chǎn)生，具有高溫、高速、大熱流、低壓、長時間等特點，燃氣流風(fēng)洞試驗艙的熱環(huán)境非常惡劣，其艙內(nèi)溫度最高可達2000K左右，內(nèi)表面熱流密度最高可達930kW/m2，試驗時間最長可達到1000s，為保證設(shè)備不被燒損，必須采取高效、可靠的熱防護措施，如何實現(xiàn)大型試驗艙在惡劣熱環(huán)境下的長時間熱防護是一大難題。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明解決的技術(shù)問題是：相比于現(xiàn)有技術(shù)，提供了一種長時間高溫風(fēng)洞試驗艙，解決了風(fēng)洞試驗艙在惡劣熱環(huán)境下的長時間熱防護的難題。

本發(fā)明目的通過以下技術(shù)方案予以實現(xiàn)：一種長時間高溫風(fēng)洞試驗艙，所述試驗艙的艙壁包括：內(nèi)壁、外壁、隔斷和水冷通道；其中，所述內(nèi)壁和所述外壁通過隔斷相連接形成水冷通道，在所述水冷通道內(nèi)通入冷卻水。

上述長時間高溫風(fēng)洞試驗艙中，還包括：加強筋，所述加強筋與所述外壁相連接。

上述長時間高溫風(fēng)洞試驗艙中，所述艙壁包括左艙壁、前艙壁、上艙壁和右艙壁；其中，左艙壁、前艙壁、上艙壁和右艙壁均包括內(nèi)壁、外壁、隔斷和水冷通道；所述左艙壁的水冷通道包括第十水冷通道、第一百水冷通道、第一百零一水冷通道、第一百零二水冷通道、第一百一十水冷通道、第一百一十一水冷通道、第一百一十二水冷通道、第一百一十三水冷通道、第一百三十水冷通道、第一百三十一水冷通道、第一百三十二水冷通道、第一百三十三水冷通道、第二百水冷通道、第二百零一水冷通道、第二百零二水冷通道、第二百零三水冷通道、第三百水冷通道、第三百零一水冷通道和第四百水冷通道；其中，第十水冷通道、第一百水冷通道、第一百一十水冷通道、第一百三十水冷通道、第二百水冷通道、第三百水冷通道、第四百水冷通道分別與冷卻水進水管相連接；第一百水冷通道、第一百零一水冷通道和第一百零二水冷通道相連接；第一百一十水冷通道、第一百一十一水冷通道、第一百一十二水冷通道和第一百一十三水冷通道相連接；第一百三十水冷通道、第一百三十一水冷通道、第一百三十二水冷通道和第一百三十三水冷通道相連接；第二百水冷通道、第二百零一水冷通道、第二百零二水冷通道和第二百零三水冷通道相連接；

第三百水冷通道和第三百零一水冷通道相連接；

所述前艙壁的水冷通道包括第十一水冷通道、第十二水冷通道、第十三水冷通道、第十四水冷通道、第十五水冷通道、第十六水冷通道、第十七水冷通道、第十八水冷通道、第十九水冷通道、第一百零三水冷通道、第一百零四水冷通道、第一百零五水冷通道、第一百零六水冷通道、第一百零七水冷通道、第一百一十四水冷通道、第一百三十四水冷通道和第二百零四水冷通道；其中，十一水冷通道、第十二水冷通道、第十三水冷通道、第十四水冷通道、第十五水冷通道、第十六水冷通道、第十七水冷通道、第十八水冷通道和第十九水冷通道相連接；第一百零三水冷通道、第一百零四水冷通道、第一百零五水冷通道、第一百零六水冷通道和第一百零七水冷通道相連接；第十一水冷通道與第十水冷通道相連接；第一百零二水冷通道與第一百零三水冷通道相連接；第一百一十三水冷通道與第一百一十四水冷通道相連接；第一百三十三水冷通道與第一百三十四水冷通道相連接；第二百零三水冷通道與第二百零四水冷通道相連接；所述上艙壁的水冷通道包括第三百零二水冷通道、第三百零三水冷通道、第三百零四水冷通道、第三百零五水冷通道、第四百零一水冷通道、第四百零二水冷通道、第四百零三水冷通道、第四百零四水冷通道、第四百零五水冷通道和第四百零六水冷通道；其中，第三百零二水冷通道、第三百零三水冷通道、第三百零四水冷通道和第三百零五水冷通道相連接；第四百零一水冷通道、第四百零二水冷通道、第四百零三水冷通道、第四百零四水冷通道、第四百零五水冷通道和第四百零六水冷通道相連接；第四百水冷通道與第四百零一水冷通道相連接；第三百零一水冷通道與第三百零二水冷通道相連接；所述右艙壁的水冷通道包括第二十水冷通道、第二十一水冷通道、第二十二水冷通道、第二十三水冷通道、第一百零八水冷通道、第一百零九水冷通道、第一百一十五水冷通道、第一百一十六水冷通道、第一百一十七水冷通道、第一百一十八水冷通道、第一百一十九水冷通道、第一百二十水冷通道、第一百二十一水冷通道、第一百三十五水冷通道、第一百三十六水冷通道、第一百三十七水冷通道、第一百三十八水冷通道、第一百三十九水冷通道、第一百四十水冷通道、第二百零五水冷通道、第二百零六水冷通道、三百零六水冷通道和第四百零七水冷通道；其中，第二十三水冷通道、第一百二十一水冷通道、第一百四十水冷通道、第二百零六水冷通道、三百零六水冷通道和第四百零七水冷通道分別與冷卻水回水管；第二十水冷通道、第二十一水冷通道、第二十二水冷通道和第二十三水冷通道相連接；第一百零八水冷通道、第一百零九水冷通道、第一百一十五水冷通道、第一百一十六水冷通道、第一百一十七水冷通道、第一百一十八水冷通道、第一百一十九水冷通道、第一百二十水冷通道和第一百二十一水冷通道相連接；第一百三十五水冷通道、第一百三十六水冷通道、第一百三十七水冷通道、第一百三十八水冷通道、第一百三十九水冷通道和第一百四十水冷通道相連接；第二百零五水冷通道和第二百零六水冷通道相連接；所述冷卻水進水管與所述左艙壁相連接；所述冷卻水回水管與所述右艙壁相連接。

上述長時間高溫風(fēng)洞試驗艙中，在所述水冷通道內(nèi)通入冷卻水的流量為如下公式：

qA＝mc_pΔT

其中，q為艙壁的內(nèi)壁的熱流密度、A為試驗艙受熱面表面積、m為水冷通道內(nèi)的水流量、Cp為冷卻水比熱、ΔT為冷卻水設(shè)計溫升，其中，冷卻水設(shè)計溫升不大于50℃。

上述長時間高溫風(fēng)洞試驗艙中，所述內(nèi)壁的厚度為8mm-10mm。

上述長時間高溫風(fēng)洞試驗艙中，所述外壁的厚度為8mm-10mm，水冷通道寬度為90mm-95mm。

上述長時間高溫風(fēng)洞試驗艙中，所述內(nèi)壁的材料為碳鋼。

上述長時間高溫風(fēng)洞試驗艙中，所述外壁的材料為碳鋼。

上述長時間高溫風(fēng)洞試驗艙中，所述水冷通道的流道壓力損失小于冷卻水進水管的供水壓力。

上述長時間高溫風(fēng)洞試驗艙中，所述水冷通道的流道壓力損失為如下公式：

其中，ζ為局部阻力系數(shù)，ρ為流體密度，V為流速，de為流道當(dāng)量直徑，Lc為水冷通道長度。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下有益效果：

(1)本發(fā)明通過艙壁的內(nèi)壁與外壁之間設(shè)置有水冷通道，使整個艙壁的水冷通道都通有冷卻水，通過冷卻水與壁面間強制對流換熱的方式將壁面熱量帶走，保證了試驗艙體的整體熱防護效果；

(2)本發(fā)明的試驗艙僅設(shè)置一個冷卻水進水管和一個冷卻水回水管，通過艙壁設(shè)置獨立水道，保證冷卻水流經(jīng)整個風(fēng)洞試驗艙各壁面，從而使得結(jié)構(gòu)簡單；

(3)本發(fā)明配合冷卻水換熱計算，嚴(yán)格控制冷卻水溫升和全流道流阻，使冷卻水以足夠的流量和流速流經(jīng)風(fēng)洞試驗艙各壁面，滿足風(fēng)洞長時間高溫的熱防護技術(shù)指標(biāo)。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的長時間高溫風(fēng)洞試驗艙的艙壁的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明的左艙壁的水冷通道分布示意圖；

圖3是本發(fā)明的前艙壁的水冷通道分布示意圖；

圖4是本發(fā)明的上艙壁的水冷通道分布示意圖；

圖5是本發(fā)明的右艙壁的水冷通道分布示意圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步詳細說明：

圖1是本發(fā)明的長時間高溫風(fēng)洞試驗艙的艙壁的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖1所示，該長時間高溫風(fēng)洞試驗艙包括艙壁，艙壁包括內(nèi)壁1000和外壁2000；其中，內(nèi)壁1000和外壁2000通過隔斷3000相連接形成水冷通道4000，在水冷通道4000內(nèi)通入冷卻水。

本實施例通過艙壁的內(nèi)壁與外壁之間設(shè)置有水冷通道，使整個艙壁的水冷通道都通有冷卻水，通過冷卻水與壁面間強制對流換熱的方式將壁面熱量帶走，保證了試驗艙體的整體熱防護效果；本實施例的試驗艙僅設(shè)置一個冷卻水進水管和一個冷卻水回水管，通過艙壁設(shè)置獨立水道，保證冷卻水流經(jīng)整個風(fēng)洞試驗艙各壁面，從而使得結(jié)構(gòu)簡單。

上述實施例中，該長時間高溫風(fēng)洞試驗艙的艙壁還包括加強筋7000，加強筋7000與外壁2000相連接。本實施例通過將加強筋7000與外壁2000相連接，從而提高了艙壁的堅固性。

上述實施例中，在所述水冷通道4內(nèi)通入冷卻水的流量為如下公式：

qA＝mc_pΔT

其中，q為艙壁的內(nèi)壁的熱流密度、A為試驗艙受熱面表面積、m為水冷通道內(nèi)的水流量、Cp為冷卻水比熱、ΔT為冷卻水設(shè)計溫升，其中，冷卻水設(shè)計溫升不大于50℃。

上述實施例中，內(nèi)壁1的厚度為8mm-10mm，內(nèi)壁1的材料為碳鋼。

上述實施例中，外壁2的厚度為8mm-10mm，外壁2的材料為碳鋼。水冷通道寬度為90mm-95mm。

上述實施例中，水冷通道4的流道壓力損失小于冷卻水進水管5的供水壓力。水冷通道4的流道壓力損失為如下公式：

其中，ζ為局部阻力系數(shù)，ρ為流體密度，V為流速，de為流道當(dāng)量直徑，Lc為通道長度。

圖2是本發(fā)明的左艙壁的水冷通道分布示意圖。圖3是本發(fā)明的前后艙板夾套水冷通道分布示意圖。圖4是本發(fā)明的上艙壁的水冷通道分布示意圖。圖5是本發(fā)明的右艙壁的水冷通道分布示意圖。

如圖2所示，左艙壁1100的水冷通道4000包括第十水冷通道10、第一百水冷通道100、第一百零一水冷通道101、第一百零二水冷通道102、第一百一十水冷通道110、第一百一十一水冷通道111、第一百一十二水冷通道112、第一百一十三水冷通道113、第一百三十水冷通道130、第一百三十一水冷通道131、第一百三十二水冷通道132、第一百三十三水冷通道133、第二百水冷通道200、第二百零一水冷通道201、第二百零二水冷通道202、第二百零三水冷通道203、第三百水冷通道300、第三百零一水冷通道301和第四百水冷通道400。其中，

第十水冷通道10、第一百水冷通道100、第一百一十水冷通道110、第一百三十水冷通道130、第二百水冷通道200、第三百水冷通道300、第四百水冷通道400分別與冷卻水進水管5000相連接。第一百水冷通道100、第一百零一水冷通道101和第一百零二水冷通道102相連接。第一百一十水冷通道110、第一百一十一水冷通道111、第一百一十二水冷通道112和第一百一十三水冷通道113相連接。第一百三十水冷通道130、第一百三十一水冷通道131、第一百三十二水冷通道132和第一百三十三水冷通道133相連接。第二百水冷通道200、第二百零一水冷通道201、第二百零二水冷通道202和第二百零三水冷通道203相連接。第三百水冷通道300和第三百零一水冷通道301相連接。冷卻水進水管5000與左艙壁1100相連接。

如圖3所示，前艙壁1200的水冷通道4000包括第十一水冷通道11、第十二水冷通道12、第十三水冷通道13、第十四水冷通道14、第十五水冷通道15、第十六水冷通道16、第十七水冷通道17、第十八水冷通道18、第十九水冷通道19、第一百零三水冷通道103、第一百零四水冷通道104、第一百零五水冷通道105、第一百零六水冷通道106、第一百零七水冷通道107、第一百一十四水冷通道114、第一百三十四水冷通道134和第二百零四水冷通道204。其中，

十一水冷通道11、第十二水冷通道12、第十三水冷通道13、第十四水冷通道14、第十五水冷通道15、第十六水冷通道16、第十七水冷通道17、第十八水冷通道18和第十九水冷通道19相連接。第一百零三水冷通道103、第一百零四水冷通道104、第一百零五水冷通道105、第一百零六水冷通道106和第一百零七水冷通道107相連接。第十一水冷通道11與第十水冷通道10相連接；第一百零二水冷通道102與第一百零三水冷通道103相連接；第一百一十三水冷通道113與第一百一十四水冷通道114相連接；第一百三十三水冷通道133與第一百三十四水冷通道134相連接；第二百零三水冷通道203與第二百零四水冷通道204相連接。

如圖4所示，上艙壁1300的水冷通道4000包括第三百零二水冷通道302、第三百零三水冷通道303、第三百零四水冷通道304、第三百零五水冷通道305、第四百零一水冷通道401、第四百零二水冷通道402、第四百零三水冷通道403、第四百零四水冷通道404、第四百零五水冷通道405和第四百零六水冷通道406；其中，

第三百零二水冷通道302、第三百零三水冷通道303、第三百零四水冷通道304和第三百零五水冷通道305相連接。第四百零一水冷通道401、第四百零二水冷通道402、第四百零三水冷通道403、第四百零四水冷通道404、第四百零五水冷通道405和第四百零六水冷通道406相連接。第四百水冷通道400與第四百零一水冷通道401相連接。第三百零一水冷通道301與第三百零二水冷通道302相連接。

如圖5所示，右艙壁1400的水冷通道4000包括第二十水冷通道20、第二十一水冷通道21、第二十二水冷通道22、第二十三水冷通道23、第一百零八水冷通道108、第一百零九水冷通道109、第一百一十五水冷通道115、第一百一十六水冷通道116、第一百一十七水冷通道117、第一百一十八水冷通道118、第一百一十九水冷通道119、第一百二十水冷通道120、第一百二十一水冷通道121、第一百三十五水冷通道135、第一百三十六水冷通道136、第一百三十七水冷通道137、第一百三十八水冷通道138、第一百三十九水冷通道139、第一百四十水冷通道140、第二百零五水冷通道205、第二百零六水冷通道206、三百零六水冷通道306和第四百零七水冷通道407。其中，

第二十三水冷通道23、第一百二十一水冷通道121、第一百四十水冷通道140、第二百零六水冷通道206、三百零六水冷通道306和第四百零七水冷通道407分別與冷卻水回水管6000。第二十水冷通道20、第二十一水冷通道21、第二十二水冷通道22和第二十三水冷通道23相連接。第一百零八水冷通道108、第一百零九水冷通道109、第一百一十五水冷通道115、第一百一十六水冷通道116、第一百一十七水冷通道117、第一百一十八水冷通道118、第一百一十九水冷通道119、第一百二十水冷通道120和第一百二十一水冷通道121相連接。第一百三十五水冷通道135、第一百三十六水冷通道136、第一百三十七水冷通道137、第一百三十八水冷通道138、第一百三十九水冷通道139和第一百四十水冷通道140相連接。第二百零五水冷通道205和第二百零六水冷通道206相連接。冷卻水回水管6000與右艙壁1400相連接。

具體的，圖2中的冷卻水進水管5000分別與第十水冷通道10、第一百水冷通道100、第一百一十水冷通道110、第一百三十水冷通道130、第二百水冷通道200、第三百水冷通道300、第四百水冷通道400相連接。

圖2中的冷卻水進水管5000給第十水冷通道10提供冷卻水，冷卻水通過第十水冷通道10進入圖3中的第十一水冷通道11、然后依次經(jīng)過第十二水冷通道12、第十三水冷通道13、第十四水冷通道14、第十五水冷通道15、第十六水冷通道16、第十七水冷通道17、第十八水冷通道18和第十九水冷通道19后進入圖5中的第二十水冷通道20，然后再依次經(jīng)過第二十一水冷通道21、第二十二水冷通道22進入第二十三水冷通道23，第二十三水冷通道23與冷卻水回水管6000相連接，進入第二十三水冷通道23的冷卻水進入到冷卻水回水管6000。

圖2中的冷卻水進水管5000給第一百水冷通道100提供冷卻水，冷卻水依次通過第一百零一水冷通道101、第一百零二水冷通道102進入圖3中的第一百零三水冷通道103，然后再依次通過第一百零四水冷通道104、第一百零五水冷通道105、第一百零六水冷通道106、第一百零七水冷通道107后進入圖5中的第一百零八水冷通道108，然后通過第一百零八水冷通道108進入到第一百零九水冷通道109，由于第一百零九水冷通道109與冷卻水回水管6000相連接，第一百零九水冷通道109的冷卻水進入到冷卻水回水管6000。

圖2中的冷卻水進水管5000給第一百一十水冷通道110提供冷卻水，然后冷卻水依次通過第一百一十一水冷通道111、第一百一十二水冷通道112、第一百一十三水冷通道113進入圖3中的第一百一十四水冷通道114，然后再進入到圖5中的第一百一十五水冷通道115，然后再依次通過第一百一十六水冷通道116、第一百一十七水冷通道117、第一百一十八水冷通道118、第一百一十九水冷通道119、第一百二十水冷通道120、第一百二十一水冷通道121，由于第一百二十一水冷通道121與冷卻水回水管6000相連接，第一百二十一水冷通道121的冷卻水進入到冷卻水回水管6000。

圖2中的冷卻水進水管5000給第一百三十水冷通道130提供冷卻水，然后冷卻水依次通過第一百三十一水冷通道131、第一百三十二水冷通道132、第一百三十三水冷通道133后進入圖3中的第一百三十四水冷通道134，然后再進入到圖5中的第一百三十五水冷通道135，然后再依次通過第一百三十六水冷通道136、第一百三十七水冷通道137、第一百三十八水冷通道138、第一百三十九水冷通道139后進入到第一百四十水冷通道140，由于第一百四十水冷通道140與冷卻水回水管6000相連接，第一百四十水冷通道140的冷卻水進入到冷卻水回水管6000。

圖2中的冷卻水進水管5000給第二百水冷通道200提供冷卻水，然后冷卻水依次通過第二百零一水冷通道201、第二百零二水冷通道202、第二百零三水冷通道203后進入圖3中的第二百零四水冷通道204，然后再進入到圖5中的第二百零五水冷通道205，然后再依次通過第二百零六水冷通道206，由于第二百零六水冷通道206與冷卻水回水管6000相連接，第二百零六水冷通道206的冷卻水進入到冷卻水回水管6000。

圖2中的冷卻水進水管5000給第三百水冷通道300提供冷卻水，然后冷卻水再通過第三百零一水冷通道301進入到圖4中的第三百零二水冷通道302，然后再依次通過第三百零三水冷通道303、第三百零四水冷通道304、第三百零五水冷通道305后進入到圖5中的第三百零六水冷通道306，由于第三百零六水冷通道306與冷卻水回水管6000相連接，第三百零六水冷通道306的冷卻水進入到冷卻水回水管6000。

圖2中的冷卻水進水管5000給第四百水冷通道400提供冷卻水，然后冷卻水通過第四百水冷通道400進入到圖4中的第四百零一水冷通道401，然后再依次通過第四百零二水冷通道402、第四百零三水冷通道403、第四百零四水冷通道404、第四百零五水冷通道405、第四百零六水冷通道406后進入圖5中的第四百零七水冷通道407，由于第四百零七水冷通道407與冷卻水回水管6000相連接，第四百零七水冷通道407的冷卻水進入到冷卻水回水管6000。

本實施例的結(jié)構(gòu)應(yīng)用于高溫燃氣流超聲速風(fēng)洞試驗艙，能夠?qū)崿F(xiàn)風(fēng)洞試驗艙在長時間(1000s)、高溫(約2000K)、大熱流(最大約930kW/m2)的惡劣熱環(huán)境下的長時間穩(wěn)定工作，保證高溫燃氣流超聲速風(fēng)洞試驗的順利進行。

本發(fā)明通過艙壁的內(nèi)壁與外壁之間設(shè)置有水冷通道，使整個艙壁的水冷通道都通有冷卻水，通過冷卻水與壁面間強制對流換熱的方式將壁面熱量帶走，保證了試驗艙體的整體熱防護效果；本發(fā)明的試驗艙僅設(shè)置一個冷卻水進水管和一個冷卻水回水管，通過艙壁設(shè)置獨立水道，保證冷卻水流經(jīng)整個風(fēng)洞試驗艙各壁面，從而使得結(jié)構(gòu)簡單；本發(fā)明配合冷卻水換熱計算，嚴(yán)格控制冷卻水溫升和全流道流阻，使冷卻水以足夠的流量和流速流經(jīng)風(fēng)洞試驗艙各壁面，滿足風(fēng)洞長時間高溫的熱防護技術(shù)指標(biāo)。

以上所述的實施例只是本發(fā)明較優(yōu)選的具體實施方式，本領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明技術(shù)方案范圍內(nèi)進行的通常變化和替換都應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍內(nèi)。