[发明专利]高超声速风洞气流稳定装置

说明书

技术领域

本发明涉及空气动力学领域，具体而言，涉及一种常规高超声速风洞设备部件，一种带电加热功能的气流稳定段装置。

背景技术

常规高超声速风洞运行时，风洞气流经过管道、阀门和加热器等设备，扰动大，流动紊乱，流速不均；主气流进入喷管前，需要气流稳定装置进行整流，以期达到流速均匀，沿喷管轴线气流方向无偏斜，较低的气流紊流度。使用中，按照风洞气流温度的差别，存在有不同的稳定段结构。

通常情况下，风洞对常温、低温气流进行整流的办法，是在稳定段前部加孔板、蜂窝器和纱网，来提高气流进入喷管喉道前的流动品质。特别是从直径较小气源管道到达孔径较大的稳定段平直部分，采用突扩或者大角度过渡段，更应在稳定段前方设置有金属多孔板，将气流速度均匀起来。高超声速风洞的主气流是属于高温高压状态下的流动，稳定段要承受高温和较大的压力，例如CAAA的FD-07风洞，试验调试参数Ma＝8运行时，气流温度480℃条件下，压力为8.0MPa。Ma＝10调试运行时，气流温度800℃条件下，压力达到10.0MPa，稳定段设计压力需要达到14.0MPa甚至更高，强度安全和气密性是极其重要的，稳定段的内部结构也必须耐热、抗冲击，连接可靠，外部必须耐压，气密性好。

根据现有经验，高超声速风洞稳定段内的蜂窝器和纱网在高温下易变形、损毁，特别是纱网结构，变成凸形，用一段时间，便起不到应有的整流作用，反而影响气流的均匀和风洞运行安全，所以高超声速风洞稳定段内部基本上不安装整流设备纱网、蜂窝器等，为了使通过阀以后的高速气流经过扩散减速，合理设计气流进入稳定装置的扩散部分，同时依靠长一些的平直段，以及大一些的亚音速收缩段，来起整流的作用。气流进入喷管前，为了避免加热的气流发生热偏折，气流的速度经验认为5～20m/s比较合适，低速流动的情况下，能够满足风洞稳定气流的要求。

针对高超声速风洞对气流加热的特点，风洞稳定段从冷状态短时间进入热状态，一般为数秒钟，风洞稳定段是被动吸热的，在风洞运行时需要主气流预热管道内壁，风洞等待稳定段气流温度上升的启动时间，有时甚至比正常的试验时间还要长；运行温度越高，启动时间越长。

对于压力-引射式风洞运行，例如CAAA的FD-07高超声速风洞，依靠热的主气流预热稳定段，大流量下，稳定段温度500℃时，一般30s左右，如果Ma数高，主气流的流量小时，预热的时间更长，风洞运行浪费大量的能源，为了达到快速升温的条件，需要提高加热器出口的温度，给加热器系统提出更高的要求，基于加热器的能力限制，高Ma数试验时，一般难以满足快速升温的目的。对于CARDC的FL-31高超声速风洞，目前，采取喷管前引出旁路，用热的主气流进行稳定段预热，来提高稳定段的温度，缩短风洞的启动时间，但带来设备运行的复杂程度提高和程序繁琐。

对于压力-真空风洞运行，真空系统一般维持风洞运行时间约几十秒，稳定段还没有达到要求的温度，真空罐的压力已经不能满足需要的压比条件，无法进行试验。例如，日本NAL-50常规高超声速风洞，增加预热排气系统，实验前，需要预热管道，在稳定段的末端设置三通，实验前依靠加热器的热气流，预先加热管道，余热气体通过旁路排出，能够达到缩短启动时间的目的，但风洞运行程序繁琐。

北京大学的￠0.3m和￠0.12m高超声速风洞，为满足快速启动，稳定段基本都要提前预热，来增加稳定段温度。采用的方法是，在稳定段壳体外缠绕电热带，但是，此方式稳定段加热温度必须受到限制。考虑壳体的耐压要求，加热温度一般限定在200℃以下，以防出现外壳筒体壁面加热不均，出现局部受热降低外壳筒体的耐压强度，由于主气流的耐压壳体管壁较厚，吸热量大，温度上升慢，消耗的电能较大，造成浪费。对于Ma大于7的风洞，应用此方式存在一定风险，如果风洞在更高Ma数条件下工作，主气流工作压力一般大于5.0MPa，使用壳体壁面加热是存在风险的，实际工程中一般不采用。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，克服现有技术的不足，提供一种缩短高超声速风洞启动时间，便于加工制造的风洞稳定段装置。