模擬熱態噴流幹擾的實驗裝置及實驗方法與流程

2024-04-04 01:38:05

本發明屬於高超聲速飛行器後體尾噴管內外流幹擾實驗領域，特別涉及模擬熱態噴流幹擾的實驗裝置及實驗方法。

背景技術：

飛機、飛彈、火箭和各類航天飛行器，其推進系統排氣(噴流)與飛行器外部氣流之間存在複雜的相互幹擾。噴流影響飛行器有關部件周圍的擾流特性，使其升阻特性、穩定性、操縱性及舵面效率發生變化。外流也可能影響發動機尾噴管內的流動特性，從而影響推力特性及抽吸特性，最終將影響飛行性能。其影響量與飛行器外形、飛行高度、飛行狀態有關，還與發動機類型、布局、數量及發動機工況等諸多因素有關。對於典型的殲擊飛機，其噴流對後體阻力的影響，一般可佔到全機零升阻力的10％～20％，噴流導致一個低頭零升力矩，使焦點後移，舵面效率特性改變10％左右。國外還曾有過噴流使某飛機鉸鏈力矩反向的先例。合理的設計可能提高噴管效率1％～4％。

吸氣式高超聲速飛行器後體尾噴管類似一個隨飛行狀態變化的推力矢量裝置，產生的推力、升力和俯仰力矩對飛行器的推阻匹配和控制至關重要，同時流動有非常強的內外流幹擾特徵，存在非均勻入口、熱態噴流、噴流/外流激波/膨脹波幹擾、剪切層/羽流激波等複雜流動現象，數值方法很難準確模擬這些物理現象，常規風洞試驗也是不模擬噴流的，因此通常須在風洞中進行專門的噴流幹擾試驗，以研究噴流對飛行器性能的影響，獲取噴流影響量，為風洞試驗數據的修正、飛行器部件的合理布局以及性能的改善提供試驗數據。(確定噴流對繞飛行器外部流動的幹擾，從而充分利用噴流的有利幹擾，合理的布局飛行器有關部件，以減小飛行器阻力，提高飛行器的操縱性和穩定品質：確定外流對內流的幹擾，充分利用外流的影響，合理的布置發動機和噴管的位置，選擇最佳的噴管形式和尺寸，以得到最大的發動機推力。此外，風洞試驗數據與飛行數據相關，必須通過噴流試驗獲得噴流影響的修正數據。)吸氣式高超聲速飛行器後體尾噴流為燃燒室產生的高溫混合氣體，比熱比通常在1.25左右。目前噴流實驗通常採用發動機模擬器進行熱噴實驗，由於採用的是與真實飛行器發動機相同的燃料，因此幾乎模擬了包括噴流介質成分、熱容比和溫度等全部模擬參數。此種熱噴實驗需要研製專用點火裝置，解決燃燒室材料抗高壓、高溫問題、燃燒藥柱點火及等面燃燒問題、噴管喉道抗燒蝕問題、應變天平熱影響問題等。實驗難度較大，成本較高，對風洞可能造成一定的腐蝕。在燃燒風洞中開展帶尾噴流的發動機實驗代價較高；同時，由於目前燃燒風洞尺寸有限，很難在現有燃燒風洞中開展模擬真實條件下的尾噴管內外流幹擾實驗，因此，有必要在常規風洞中開展尾噴流幹擾實驗。

技術實現要素：

鑑於以上所述現有技術的缺點，本發明的目的在於提供一種模擬熱態噴流幹擾的實驗裝置及實驗方法。

為實現上述發明目的，本發明技術方案如下：

一種模擬熱態噴流幹擾的實驗方法，風源通過高超聲速風洞壓縮膨脹後變成高超聲速氣流為實驗提供外流，將CF4或SF6氣體與空氣混合後為實驗提供內噴流，通過控制CF4/SF6氣體與空氣的摩爾混合比例和溫度，得到實驗所需的比熱比，從而滿足實驗中對噴流比熱比模擬的需求。

作為優選方式，實驗前根據實驗狀態確定所需的比熱比，根據比熱比計算得到CF4或SF6氣體和空氣的摩爾配比，再按照道爾頓分壓定理得到CF4或SF6氣體和空氣相對應的分壓比，實驗時按此分壓比控制CF4或SF6氣體的壓力和空氣的壓力，同時使混合氣體經過加熱達到所需的實驗溫度後流入拉瓦爾內噴管，從而實現實驗要求所需的比熱比，產生實驗需要的模型噴管入口條件，混合氣體再流入模型噴管，從而開展對模型噴管的熱態性能實驗研究。

作為優選方式，實驗的比熱比在1.1至1.4之間。這是因為火箭衝壓發動機燃氣γ＝1.1，吸氣式超燃衝壓發動機燃氣γ＝1.25，渦噴、渦扇發動機燃氣γ＝1.33。

作為優選方式，實驗開始前先用純淨空氣對系統進行衝掃，確保無上次實驗殘留氣體。

為實現上述發明目的，本發明還提供一種模擬熱態噴流幹擾的實驗裝置，包括高超聲速風洞，高超聲速風洞內部的實驗模型，支撐實驗模型的支架、固定在支架上的拉瓦爾內噴管、與拉瓦爾內噴管連接的模型噴管，拉瓦爾內噴管用於為模型噴管提供需要的入口流場，閥門連接在風源至高超聲速風洞的管路上作為開啟高超聲速風洞的開關，拉瓦爾內噴管的入口和加熱器的出口連接，加熱器的入口通過動態反饋調節閥連接儲氣罐的出口，儲氣罐的一入口通過第一電磁調壓閥連接至空氣氣瓶，另一入口通過第二電磁調壓閥連接至CF4/SF6氣瓶。

作為優選方式，儲氣罐上設有用於排除殘餘氣體的排氣閥。

為實現上述發明目的，本發明還提供一種利用所述的實驗裝置模擬熱態噴流幹擾的實驗方法，包括如下步驟：

(1)、關閉第二電磁調壓閥、閥門，打開動態反饋調節閥、第一電磁調壓閥、排氣閥，向儲氣罐中充入空氣，將儲氣罐和管道內的殘餘氣體排盡，關閉動態反饋調節閥、第一電磁調壓閥、排氣閥；

(2)、關閉閥門動態反饋調節閥、第二電磁調壓閥、閥門、排氣閥，打開第一電磁調壓閥，向儲氣罐中充入空氣，使儲氣罐中壓力達到實驗前確定的壓力要求P1，關閉第一電磁調壓閥；

(3)、關閉動態反饋調節閥、第一電磁調壓閥、閥門、排氣閥，打開第二電磁調壓閥，向儲氣罐中充入CF4/SF6，使儲氣罐中壓力達到實驗前確定的壓力要求P2，關閉第二電磁調壓閥8；

(4)、根據實驗要求，調節好加熱器加熱溫度目標值T；

(5)、關閉第一電磁調壓閥、第二電磁調壓閥、閥門、排氣閥，打開動態反饋條件閥，啟動內噴流供氣系統，設置好電磁閥，使內噴流壓力達到實驗要求P3；

(6)、打開閥門，啟動風洞，使風洞馬赫數達到實驗要求，開始模擬熱態噴流幹擾的實驗。

作為優選方式，步驟(2)中壓力要求P1為0～2.5MPa，步驟(3)中的壓力要求P2為0～2.5MPa，步驟(5)中的壓力要求P3為0～2.5MPa。該壓力上限為考慮閥門和儲氣裝置壓力承受能力得到，取決於設備承受壓力上限。

作為優選方式，步驟(4)中的加熱溫度目標值T為100～1000K。這是因為在Ma＝2～6範圍內，風洞條件下內噴流氣體溫度不超過1000K。

作為優選方式，步驟(6)中的馬赫數的實驗要求為Ma＝2～6。這是因為經過數值模擬研究，可以將該馬赫數範圍內的尾噴流氣體近似為凍結流進行研究，不考慮真實氣體效應，即噴流氣體比熱比為固定值。

本發明的有益效果為：該裝置和方法採用加熱Air+CF4/SF6混合氣體方式來模擬噴流氣體比熱比，在常規風洞中實現了模擬噴流比熱比的噴流幹擾實驗，該實驗方法具有較長的實驗時間、無汙染、熱載荷低，採用該裝置和方法的噴流幹擾實驗，在降低實驗難度的同時，能夠有效的降低實驗成本，因此該實驗方法可作為評估高超聲速飛行器噴管性能的有效手段，具有很強的工程實用價值和很大的經濟效益。

附圖說明

圖1為模擬熱態噴流幹擾的實驗裝置的示意圖。

圖2是CF4和空氣在不同摩爾混合配比情況下、混合氣體的比熱比隨溫度的變化關係圖。

1為高超聲速風洞；2為實驗模型；3為拉瓦爾內噴管；4為模型噴管；5為支架；6為動態反饋調節閥；7為第一電磁調壓閥；8為第二電磁調壓閥；9為儲氣罐；10為空氣氣瓶；11為CF4/SF6氣瓶；12為閥門；13為加熱器、14為排氣閥。

具體實施方式

以下通過特定的具體實例說明本發明的實施方式，本領域技術人員可由本說明書所揭露的內容輕易地了解本發明的其他優點與功效。本發明還可以通過另外不同的具體實施方式加以實施或應用，本說明書中的各項細節也可以基於不同觀點與應用，在沒有背離本發明的精神下進行各種修飾或改變。

圖2是CF4和空氣在不同摩爾混合配比情況下、混合氣體的比熱比隨溫度的變化關係圖。從圖中可以看出，只要在空氣中添加一定配比的CF4氣體，就可以比較明顯的改變混合氣體的比熱比特性，從而滿足實驗中對噴流比熱比模擬的需求。

實施例1

一種模擬熱態噴流幹擾的實驗方法，風源通過高超聲速風洞1壓縮膨脹後變成高超聲速氣流為實驗提供外流，將CF4或SF6氣體與空氣混合後為實驗提供內噴流，通過控制CF4/SF6氣體與空氣的摩爾混合比例和溫度，得到實驗所需的比熱比，從而滿足實驗中對噴流比熱比模擬的需求。

實施例2

本實施例提供一種模擬熱態噴流幹擾的實驗方法，實驗前根據實驗狀態確定所需的比熱比，根據比熱比計算得到CF4或SF6氣體和空氣的摩爾配比，再按照道爾頓分壓定理得到CF4或SF6氣體和空氣相對應的分壓比，實驗時按此分壓比控制CF4或SF6氣體的壓力和空氣的壓力，同時使混合氣體經過加熱達到所需的實驗溫度後流入拉瓦爾內噴管3，從而實現實驗要求所需的比熱比，產生實驗需要的模型噴管入口條件，混合氣體再流入模型噴管4，從而開展對模型噴管4的熱態性能實驗研究。

實驗的比熱比在1.1至1.4之間。

實驗開始前可以先用純淨空氣對系統進行衝掃，確保無上次實驗殘留氣體。

實驗時通過電磁調壓閥來調節噴流壓力，以實現噴流實驗所需壓比，同時，通過動態反饋調節控制噴流壓力，使噴流壓力維持穩定。

實施例3

如圖1所示，本實施例提供一種模擬熱態噴流幹擾的實驗裝置，包括高超聲速風洞1，高超聲速風洞1內部的實驗模型2，支撐實驗模型2的支架5、固定在支架5上的拉瓦爾內噴管3、與拉瓦爾內噴管3連接的模型噴管4，拉瓦爾內噴管3用於為模型噴管4提供需要的入口流場，閥門12連接在風源至高超聲速風洞的管路上作為開啟高超聲速風洞的開關，拉瓦爾內噴管3的入口和加熱器13的出口連接，加熱器13的入口通過動態反饋調節閥6連接儲氣罐9的出口，儲氣罐9的一入口通過第一電磁調壓閥7連接至空氣氣瓶10，另一入口通過第二電磁調壓閥8連接至CF4/SF6氣瓶11。

儲氣罐9上設有用於排除殘餘氣體的排氣閥14。

利用上述實驗裝置模擬熱態噴流幹擾的實驗方法，包括如下步驟：

(1)、關閉第二電磁調壓閥8、閥門12，打開動態反饋調節閥6、第一電磁調壓閥7、排氣閥14，向儲氣罐中充入空氣，將儲氣罐和管道內的殘餘氣體排盡，關閉動態反饋調節閥6、第一電磁調壓閥7、排氣閥14；

(2)、關閉閥門動態反饋調節閥6、第二電磁調壓閥8、閥門12、排氣閥14，打開第一電磁調壓閥7，向儲氣罐中充入空氣，使儲氣罐中壓力達到實驗前確定的壓力要求P1，關閉第一電磁調壓閥7；步驟(2)中壓力要求P1為0～2.5MPa，步驟(3)中的壓力要求P2為0～2.5MPa，步驟(5)中的壓力要求P3為0～2.5Mpa。

(3)、關閉動態反饋調節閥6、第一電磁調壓閥7、閥門12、排氣閥14，打開第二電磁調壓閥8，向儲氣罐中充入CF4/SF6，使儲氣罐中壓力達到實驗前確定的壓力要求P2，關閉第二電磁調壓閥8；

(4)、根據實驗要求，調節好加熱器13加熱溫度目標值T；步驟(4)中的加熱溫度目標值T為100～1000K。

(5)、關閉第一電磁調壓閥7、第二電磁調壓閥8、閥門12、排氣閥14，打開動態反饋條件閥6，啟動內噴流供氣系統，設置好電磁閥，使內噴流壓力達到實驗要求P3；

(6)、打開閥門12，啟動風洞，使風洞馬赫數達到實驗要求，開始模擬熱態噴流幹擾的實驗。步驟(6)中的馬赫數的實驗要求為Ma＝2～6。

上述實施例僅例示性說明本發明的原理及其功效，而非用於限制本發明。任何熟悉此技術的人士皆可在不違背本發明的精神及範疇下，對上述實施例進行修飾或改變。因此，凡所屬技術領域中具有通常知識者在未脫離本發明所揭示的精神與技術思想下所完成的一切等效修飾或改變，仍應由本發明的權利要求所涵蓋。