[发明专利]超声速自由旋涡风洞

说明书

技术领域

本发明涉及一种风洞，尤其涉及一种超声速自由旋涡风洞。

背景技术

随着现代空气动力学技术的发展，空气动力学机理问题研究越来越重要，作为典型的受流向曲率影响的可压缩流动，超声速自由旋涡研究不仅具有广泛的应用背景而且具有重要理论意义。

超声速自由旋涡速度场满足自由旋涡分布，即流动速度与流线曲率半径的乘积为常数。由于流动速度较高，其流场具有非定常和多尺度的特征，定量流动成像技术是研究这些特征的重要手段，它需要自由旋涡风洞具有良好的光学测量环境，相应的风洞光学窗口需要针对研究对象的特点进行设计。

专著《超声速自由旋涡气动窗口及其光学质量》(易仕和等，国防科技大学出版社，2005年)提出了基于最短长度喷管(MLN)的分区求解的自由旋涡喷管设计方法(一种典型的非均匀流喷管)，该方法设计过程如下：

1)采用MLN设计方法得到一个对称喷管型面曲线；

2)提取MLN喷管出口边界的流动参数，作为非对称段的入口边界条件；

3)将非对称段分为均匀流区、简单波区和非简单波区等几个区域；以及

4)利用自由旋涡关系式、普朗特-迈耶关系式和质量守恒关系确定非对称区的壁面曲线。

采用该方法能够得到所需要的自由旋涡喷管型面曲线，数值验证结果表明，所设计的喷管型面能够生成所需要的自由旋涡流场。

虽然已有自由旋涡气动窗口的设计方法，但目前还没有相应的自由旋涡风洞设计方案。

现有技术主要强调自由旋涡喷管的型面设计和自由旋涡气动窗口的设计，无法直接扩展到自由旋涡风洞的设计。

现有的风洞设计技术对于超声速流动机理研究来说还存在若干不足：一是来流湍流度高，二是光学测试环境较差，难以观测喷管内部边界层，三是流动条件不够理想，尤其是关注二维流场时，侧壁干扰带来的三维效应明显。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种产生超声速自由旋涡流场的风洞装置，该风洞实验段流场满足自由旋涡关系式，且便于光学非接触测试技术的实施。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种超声速自由旋涡风洞，其特征在于，包括：过渡段，用于引入气流；稳定段，连接在过渡段的下游，由于稳定气流，降低气动噪声；以及喷管实验段，连接在稳定段的下游，喷管实验段的周壁形成有透明窗口，并包括：喷管部，构造成自由旋涡喷管结构，以将来自稳定段中的气流加速至超声速自由旋涡状态，以及实验部，设置在喷管部的下游。

进一步地，超声速自由旋涡风洞还包括扩压段，具有沿朝向下游方向收缩的内腔结构。

进一步地，过渡段的横截面从上游端向下游端呈由圆形轮廓向矩形轮廓过渡的变化形态。

进一步地，稳定段的横截面呈矩形，包括相平行的外周壁和内周壁以及连接所述外周壁和内周壁的两个侧壁。

进一步地，喷管实验段的横截面呈矩形，周壁包括外周壁和内周壁以及连接外周壁和内周壁的两个侧壁，外周壁和内周壁形成自由旋涡喷管型面曲线。

进一步地，喷管实验段的宽高比大于4。

进一步地，喷管实验段的实验部的四个周壁均形成有透明窗口。

进一步地，透明窗口延伸到喷管部区域的周壁中。

进一步地，喷管实验段的壁面上还可以设置流动控制面板。

进一步地，稳定段中还包括整流装置，整流装置包括蜂窝器和沙网。

本发明具有以下技术效果：

1.通过在风洞的喷管实验段中设置一个喷管部和实验部，并使该喷管部构造成自由旋涡喷管结构，在实验部的周壁上形成有透明窗口，从而在风洞中可以获得的超声速自由旋涡流场，并可通过透明窗口，实现对风洞中的自由旋涡流场进行观察和光学非接触测试。

2.将喷管实验段的宽高比设置为大于4，优选大于5，可以有效地消除左右连接侧壁的气体粘性效应对自由旋涡流场的影响，以获得理想的流场流态。

3.通过使透明窗口延伸到所述喷管部区域的周壁中，可以全面地观察和研究自由旋涡流场的形成前后演变过程。

4.通过在喷管实验段的四个周壁均设置有光学玻璃，可以更好地采用光学非接触测试技术观察流场。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1示出了本发明的超声速自由旋涡风洞的整体结构示意图。

具体实施方式