[发明专利]一种具有高温亚声速空气的低压亚-超剪切流实验系统

说明书

本发明公开了一种具有高温亚声速空气的低压亚‑超剪切流实验系统，包括：实验模型段，为腔体结构，其前端和后端对应开设有气体入口和混合气体出口，且侧壁上开设有高温气体入口；在腔体内，其前段为并列且独立的多通道，多通道分别为亚声速气流通道和超声速气流通道；后段为与多通道相连通的单通道。进气管，与实验模型段的气体入口相连接，用于向所述亚声速气流通道内通入空气；空气流过亚声速气流通道后，与由超声速气流通道流出的高温气体在单通道内混合剪切。加热管，同轴套设在进气管内，与进气管的内壁间形成环缝，作为空气的输入通道。同时实现了模拟低背压及高温空气射流。

技术领域

本发明属于火箭发动机实验系统技术领域，具体涉及一种具有高温亚声速空气的低压亚-超剪切流实验系统。

背景技术

亚-超剪切混合流研究是湍流研究中重要的研究领域之一，如火箭冲压组合发动机燃烧室中主火箭燃气与来流空气的混合就是典型的剪切混合流。剪切混合流流场是指方向相同、一股速度为超声速、另一股速度为亚音速的气流剪切混合所发展的湍流流动结构，具有强可压缩性、高温、高速和大梯度等特点。作为湍流流场经典代表之一，具有宏观上的拟序性和微观上的随机性。

近年来，内嵌火箭式冲压发动机在可重复运载火箭和超音速飞行器中有良好的广泛的应用，它不仅具有火箭发动机和冲压发动机的优点外，还解决了冲压发动机无法自行起飞、高空性能不佳的问题，具有起飞质量轻、比冲高的优势。而高温高速来流与低温低速空气来流在主燃烧室中的相互作用，来流速度极快，燃烧室的尺寸十分有限，气体逗留时间基本为毫秒级。燃气与空气的掺混先后经历大尺度卷吸、小尺度耗散和分子扩散等过程，使混合达到分子层面时才可以进行化学反应。

但是，由于内嵌火箭式冲压组合发动机的结构较为复杂，搭建一套完整的内嵌火箭式冲压组合发动机系统不仅在技术上较为困难，而且代价昂贵。因此，直接针对内嵌火箭式冲压组合发动机燃烧室内的亚-超剪切混合流开展试验研究是非常困难的，所以考虑只研究亚-超剪切混合流，即在不考虑发动机的情况下，搭建一套亚-超剪切混合流试验系统，用于研究其混合过程。现有的试验系统具备冷态和高温燃气模拟能力，可模拟室温下超声速射流和亚声速射流的掺混状态，以及采用小火箭生成高温超声速燃气与亚声速射流进行掺混。但发动机在实际飞行状态下处于高空中，背压为低背压状态，亚-超剪切混合流在低背压条件下流场和掺混效率都会发生变化。亚声速侧的空气射流经过压缩后是一个高温状态，温度最高可达800K。高温会改变流体的物性参数，进而影响后续的掺混流动。受高速气流限制，现有的试验方案，加热亚声速空气加热温度不超过500K，与实际使用温度存在较大差距。此外，受限空间内亚-超剪切层的可视化诊断受限于光学玻璃在高温下不可用的难题，难以定量测得亚-超剪切层厚度及其增长率。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种具有高温亚声速空气的低压亚-超剪切流实验系统，同时实现了模拟低背压及高温空气射流。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是，一种具有高温亚声速空气的低压亚-超剪切流实验系统，包括：

实验模型段，为腔体结构，其前端和后端对应开设有气体入口和混合气体出口，且侧壁上开设有高温气体入口；在腔体内，其前段为并列且独立的多通道，多通道分别为亚声速气流通道和超声速气流通道；后段为与多通道相连通的单通道。

进气管，与实验模型段的气体入口相连接，用于向所述亚声速气流通道内通入空气；空气流过亚声速气流通道后，与由超声速气流通道流出的高温气体在单通道内混合剪切。

加热管，同轴套设在进气管内，与进气管的内壁间形成环缝，作为空气的输入通道。

感应铜管，螺旋环绕缠绕在加热管的外壁。

高频感应微波电加热器，与感应铜管相连接，并与感应铜管相配合，通过磁感应加热加热管，以实现对亚声速气流的加热。