专利名称：超声速平面混合层风洞的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种风洞，尤其涉及一种超声速平面混合层风洞。
技术背景
超声速平面混合层是指两股流动参数不同的平行超声速气流在自由或受限空间 内混合形成的流场结构，广泛存在于超燃冲压发动机、超声速引射器、高速导弹气幕冷 却光学窗口以及高能激光器的气动窗口等流场中，所涉及的流动稳定性、转捩、涡结构 相互作用和湍流等问题远较不可压缩混合层复杂，具有重要的工程和理论价值，相关研 究亟待深入开展。
超声速平面混合层风洞是产生超声速混合层流场所必需的实验装置。一般采用 两个超声速喷管产生参数不同的两股超声速气流，并通过一定的布局方式使两股气流在 实验段内掺混形成混合层流场。由于存在不稳定性，风洞边界的任何微小扰动都可能改 变混合层的流场结构，导致转捩提前发生，甚至在来流流场品质较差的风洞中，来流边 界层和实验段壁面本身就存在各种频率的扰动，这对于研究混合层流场结构是十分不利 的。超声速混合层具有三维、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，它需要混合层风洞具有良好的光学测量环境，相应的风洞光学窗口需要 有针对性地设计。
其j 坦 |畐大学的博 士论文"An experimental investigation of high compressibility mixing layers.T.Rossmann, 2001”在广泛借鉴已有混合层风洞设计经验的基础上，提出了基于激波管和高压储气罐驱动的可压缩混合层风洞。该风洞的高速流动由激波管驱动， 低速流动由铝制储气罐供应，是典型的下吹式风洞。风洞喷管段上、下壁面分别为高、 低速喷管壁，二者之间利用分隔板隔开从而在喷管出口产生马赫数不同的气流。喷管无 粘壁面曲线采用特征线法设计，边界层的影响采用经验公式修正。喷管段下游直接连接 风洞试验段，其尺寸为IOcm宽、40cm高、1.2m长，实验段上壁面和两侧壁开有光学窗 口，以便于光学测试技术实施。由于原激波管是一座炮风洞的驱动系统，相应的混合层 风洞喷管与实验段实际是放置在该炮风洞的实验段中。
国防科技大学博士学位论文“超声速混合层时空结构的实验研究，赵玉新， 2008”设计了四套能够实现对流马赫数0.2至0.6的超声速混合层风洞。风洞主要由三 部分组成稳定段、双喷管与实验段，相应的配套设备还包括总压调节器以及真空设备 等。该风洞的来流可以通过干燥器、除尘机和空调进行处理；总压调节器可以连续调节 低速层来流总压，实现混合层的压力匹配；双喷管以B-样条曲线为基础进行设计，能够 为混合层提供均勻的来流条件；工作时间长达2分钟以上，可以完全消除风洞启动和关 闭的影响。
现有技术均采用具有一定厚度的平板分隔上下喷管，分隔板宽度过�。啾诒� 界层的发展会降低平面混合层的二维特性，分隔板宽度加大则在压差的作用下容易变 形，同样会降低流场的二维特性。4
现有混合层风洞未采取整流措施，以降低来流湍流度。尤其是基于激波管或高 压储气罐驱动的下吹式风洞具有较高的雷诺数，喷管壁和分隔板的边界层为湍流流态， 壁面边界层扰动通过马赫波与混合层相互作用，分隔板边界层的涡结构直接脱落影响混 合层结构，这些不可控的湍流特征给混合层研究带来了很大的不便。现有混合层风洞虽然大部分都开有光学窗口，但窗口的尺寸和布局无法直接应 用在超声速平面混合层风洞装置上，难以满足全流场的观测，尤其是无法通过观测来流 边界层的结构评价混合层流场的历史效应
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种流场二维特性好、并且便于光学测试技术 实施的超声速平面混合层风洞装置。为解决上述技术问题，本发明提供了一种超声速平面混合层风洞，其特征在 于，包括过渡段，用于引入气流；稳定段，连接在所述过渡段的下游，具有第一分隔 板，将稳定段的内腔分隔为上腔和下腔，用于将引入的气流分成两股气流；以及喷管实 验段，连接在稳定段的下游，稳定段的周壁横截面呈矩形，包括相平行的上周壁和下周 壁以及连接上周壁和下周壁的两个侧壁，周壁上形成有透明窗口，喷管实验段形成有 喷管部，其中设置有喷管固块，喷管固块的上表面和下表面分别形成喷管型面，以与上 周壁和下周壁构造成超声速双喷管结构，以将来自上腔和下腔中的两股气流分别加速至 超声速状态，以及混合部，用于混合超声速状态的两股气流以形成超声速平面混合层。进一步地，超声速平面混合层风洞还包括扩压段，具有沿朝向下游方向收缩的 内腔结构。进一步地，上述超声速平面混合层风洞的固定喷管的上游端与第一分隔板相连 接。进一步地，固定喷管的下游端形成有平面的第二分隔板。进一步地，第二分隔板的下游端形成有斜劈结构，斜劈结构具有呈弧面或平面 状倾斜的过渡表面及由过渡表面交汇形成的尖端边缘。进一步地，喷管固块与第一分隔板相延续地形成一体中隔板结构。进一步地，中隔板结构可拆卸地设置。进一步地，固定喷管可拆卸地设置。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，包括相平行的上周壁和下周壁以及连接上 周壁和下周壁的两个侧壁。进一步地，喷管实验段的宽高比大于4。进一步地，喷管实验段的四个周壁均形成有透明窗口。进一步地，喷管实验段的透明窗口从实验部的出口向上游延伸到喷管部的亚声 速区域。进一步地，稳定段的上腔中设置有总压调节器，总压调节器为双层孔板，通过 调整两孔板的错位程度进行流道的改变和来流总压的调节。
进一步地，稳定段中还包括位于总压调节器下游的分别设置在上腔和下腔中的 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的喷管部中设置有喷管固块，喷管固块的上表面和 下表面分别形成喷管型面，以与所述上周壁和下周壁构造成超声速双喷管结构，由于双 型面喷管固块的结构刚性远比平面分隔板的结构刚性大，不易变形，因而将喷管固块作 为分隔装置，避免了分隔板变形的问题，使得生成的上下平面层流场更为稳定，二维特 性好，便于对超声速平面混合层的流场特性进行研究。2.由于混合实验部的周壁形成有透明窗口，特别是可以在其四个周壁均形成透 明窗口，因而便于光学非接触测试技术实施，便于观察混合层流场结构。3.将喷管实验段的宽高比设置为大于4，优选大于5。禾Ij用大宽高比可以克服侧 壁面边界层发展对混合层二维特性的影响，有效地消除左右连接侧壁的气体粘性效应对 平面混合层流场的影响，以获得理想的流场流态。4.所述喷管实验段的透明窗口从所述实验部的出口向上游延伸到所述喷管部的 亚声速区域，更优选地，可以向上游一直延伸到喷管部的入口，这样便于采用光学非接 触测试技术对全流场的观测，能够研究来流边界层流场结构的影响。5.通过在喷管实验段中的第二分隔板的下游端设置转捩部，可以实现可控制的 流场流态，混合层流场品质可控，二维特性好。6.斜劈具有过渡表面及位于下游端的尖端边缘，有利于消除混合层激波。7.喷管实验段的周壁整体加工，中部不需要法兰连接，从而克服了法兰连接产 生激波的问题。8.喷管固块或喷管固块与第一分隔板形成的一体中隔板结构可拆卸地连接，使 得喷管固块或中隔板结构可以更换，从而通过更换喷管固块或中隔板结构，可以实现对 混合层流场参数进行控制。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平面混合层风洞的整体结构示意图；图2为根据本发明一个实施例的超声速平面混合层风洞的立体结构示意图；图3为根据图2中的超声速平面混合层风洞的立体剖视结构示意图。
具体实施例方式以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限 定和覆盖的多种不同方式实施。如图1所示，根据本发明的超声速平面混合层风洞主要由过渡段1、稳定段2、 喷管实验段3和扩压段4首尾连接组成。过渡段1用于引入气流，并对气体进行初步的整流，为其进入稳定段2做好准备。稳定段2连接在过渡段1的下游，在稳定段2的中 间设置有第一分隔板21，将稳定段的内腔分隔为上腔201和下腔202，用于将引入的气流 分成两股流动稳定的气流，并将分割后的两股气流送入喷管实验段3中。喷管实验段3 连接在稳定段2的下游，喷管实验段3周壁横截面呈矩形，包括相平行的上周壁3a和下 周壁3b以及连接上周壁3a和下周壁3b的两个侧壁，周壁上形成有透明窗口 3e，喷管实 验段3形成有喷管部31，其中设置有喷管固块33，喷管固块33的上表面和下表面分别 形成喷管型面，以与上周壁和下周壁构造成超声速双喷管结构，以将来自上腔201和下 腔202中的两股气流分别加速至超声速状态，以及混合部32，用于混合超声速状态的两 股气流以形成超声速平面混合层。通过在风洞的喷管实验段3的喷管部31中设置有喷管 固块33，喷管固块33的上表面331和下表面332分别形成喷管型面，以与上周壁3a和下 周壁3b构造成超声速双喷管结构，由于双型面喷管固块的结构刚性远比平面分隔板的结 构刚性大，不易变形，因而将喷管固块作为分隔装置，避免了平面分隔板变形的问题， 使得生成的上下层流场更为稳定，二维特性好，便于对超声速平面混合层的流场特性进 行研究。在喷管实验段3的下游设置有扩压段4，具有沿朝向下游方向收缩的内腔结构。 扩压段4可以对进入其中的在喷管实验段3中已经调试好的气流进行扩压节能，以提高风 洞的启动性能，并将处理之后的气流送入下一个阶段。
本实施例中，超声速平面混合层风洞的过渡段1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。入口处圆形轮廓可以方便地与外部送风设备的 圆形出风口相连接。如果外部送风设备的出风口为矩形，则过渡段上游端只需要配置相 应的矩形轮廓即可。过渡段1与稳定段2连接的下游端形成矩形轮廓，可以与稳定段2 的矩形轮廓良好衔接。
在一个未示出的实施例中，过渡段1的内腔中还可以设置有第三分隔板，将所 述过渡段1的内腔分为上腔和下腔。过渡段的上腔和下腔中可以分别用于通入不同介质 的气体，以满足不同的实验要求。
稳定段2的横截面呈矩形，包括相平行的上周壁和下周壁以及连接上周壁和下 周壁的两个侧壁，可以使从过渡段1进入的气在其中稳定地流动。喷管实验段3的横截 面呈矩形，包括上周壁3a和下周壁3b以及连接上周壁3a和下周壁3b的两个侧壁，上周 壁3a和下周壁3b形成超声速双喷管型面曲线，可以使从稳定段2进入的气流沿着超声速 双喷管型面曲线形成超声速平面混合层。
为了克服现有平面混合层风洞流场二维特性较差的问题，本发明的喷管实验段3 的宽高比(系指喷管实验段中通道的宽高比，可以按照左右侧壁之间的距离与上下周壁 之间的距离之比来计算)大于4，可以有效地消除左右连接侧壁的气体粘性效应对混合层 流场的影响，以获得理想的流场流态。优选地，其宽高比可以设置为大于等于5。
在本实施例中，固定喷管33的上游端与第一分隔板21相连接，固定喷管33的 下游端形成有平面的第二分隔板333，第二分隔板333的下游端形成有斜劈，斜劈具有呈 弧面或平面状倾斜的过渡表面及由过渡表面交汇形成的尖端边缘。喷管固块33与第一分 隔板21相延续地形成一体中隔板结构。优选地，中隔板结构可拆卸地设置在稳定段2和 喷管实验段3中，当为了满足不同实验需要而对中隔板上的相关结构进行调整时，可以 很方便地将已安装的中隔板拆除，并换装已经调整为所需结构的中隔板，能够有效地提高实验效率，节约时间。更进一步地，固定喷管33可拆卸地设置。由于喷管固块33的 结构上的复杂，因此，单独将固定喷管33可拆卸地设置，进行加工时，可以对不同的部 件进行加工，简化了加工工艺，节约了加工工时，同时，即使喷管固块33出现问题，也 只需要对其本身进行更换，其它部分仍然可以沿用。此外，喷管固块33可以与第一分隔 板21形成一体的中隔板结构，该结构也可以设置为可拆卸地安装，使得其可以更换。通 过上述可拆卸的结构设置，使得可以更换喷管固块或中隔板结构，藉此可以实现对混合 层进行控制。优选地，通过在喷管实验段中的第二分隔板333的下游端设置斜劈，可以 实现可控制的流场流态，使混合层流场品质好，二维特性好，斜劈具有过渡表面及位于 下游端的尖端边缘，有利于消除混合层激波，获得更好的实验效果与更高的实验精度。
在喷管实验段3的周壁形成有透明窗口(例如光学玻璃)，特别是可以在其四个 周壁均形成透明窗口，因而便于光学非接触测试技术实施，便于观察混合层流场结构， 能够研究来流边界层流场结构的影响。优选地，喷管实验段3的透明窗口从实验部32的 出口向上游延伸到喷管部31的亚声速区域，更优选地，可以向上游一直延伸到喷管部31 的入口，这样便于采用光学非接触测试技术对全流场进行观测。在一个未示出的实施例中，喷管固块33和/或第二分隔板333优选采用光学玻 璃制成，一是可以降低表面粗糙度，二是便于探测光线照明流场。为了便于对流入气体的压力进行调节，使进入的气体具有不同的流态，在低马 赫数一侧装有总压调节器23，用以调整低马赫数气流总压。在本实施例中，是在稳定段 2的上腔201中设置有总压调节器23，总压调节器23为双层孔板，可以通过调整两孔板 的错位程度进行流道的改变和来流总压的调节。稳定段2中还包括位于总压调节器23下 游的分别设置于上腔201和下腔202的整流装置，该整流装置包括蜂窝器和沙网。总压调 节器23利用气体粘性效应调节来流总压，实现混合层的压力匹配，而蜂窝器可有效的抑 制来流的横向脉动，沙网可使大尺度旋涡碎裂为小尺度旋涡。喷管实验段型面整体设计 整体加工，以优化喷管曲线，减小喷管边界层厚度，抑制杂波产生。其周壁整体加工， 中部不需要法兰连接，从而克服了法兰连接产生激波的问题。工作时，实验气体经过过渡段1的初步稳定之后，在稳定段2内由第一分隔板21 隔开，上侧气流通过总压调节器23调节之后经过整流装置22流入上喷管，下侧气流直接 流经整流装置22进入下喷管。两侧气体在喷管内加速达到超声速之后，在双喷管隔板末 端相遇，形成超声速混合层，混合后的气体经扩压段4排出风洞。由上述描述可知，根据本发明的超声速平面混合层风洞，结构刚性大，不易变 形，使得生成的上下平面层流场更为稳定，二维特性好，便于对超声速平面混合层的流 场特性进行研究，便于光学非接触测试技术实施，便于观察混合层流场结构，能够研究 来流边界层流场结构的影响，有效地消除左右连接侧壁的气体粘性效应对平面混合层流 场的影响，以获得理想的流场流态，可以实现可控制的流场流态，混合层流场品质好， 二维特性好。以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的 技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的 任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种超声速平面混合层风洞，其特征在于，包括过渡段(1)，用于引入气流；稳定段(2)，连接在所述过渡段(1)的下游，具有第一分隔板(21)，将稳定段的内腔 分隔为上腔(201)和下腔(202)，用于将引入的气流分成两股气流；以及喷管实验段(3)，连接在所述稳定段(2)的下游，所述稳定段(2)的周壁横截面呈矩 形，包括相平行的上周壁(3a)和下周壁(3b)以及连接所述上周壁(3a)和下周壁(3b)的 两个侧壁，所述周壁上形成有透明窗口(3e)，所述喷管实验段(3)形成有喷管部(31)，其中设置有喷管固块(33)，所述喷管固块(33)的上表面(331)和下表 面(332)分别形成喷管型面，以与所述上周壁(3a)和下周壁(3b)构造成超声速双喷管结 构，以将来自所述上腔(201)和下腔(202)中的两股气流分别加速至超声速状态，以及混合部(32)，用于混合超声速状态的所述两股气流以形成超声速平面混合层。
2.根据权利要求1所述的超声速平面混合层风洞，其特征在于，还包括扩压段(4)， 具有沿朝向下游方向收缩的内腔结构。
3.根据权利要求1所述的超声速平面混合层风洞，其特征在于，所述固定喷管(33) 的上游端与所述第一分隔板(21)相连接。
4.根据权利要求1所述的超声速平面混合层风洞，其特征在于，所述固定喷管(33) 的下游端形成有平面的第二分隔板(333)。
5.根据权利要求4所述的超声速平面混合层风洞，其特征在于，所述第二分隔板 (333)的下游端形成有斜劈结构，所述斜劈结构具有呈弧面或平面状倾斜的过渡表面及由 所述过渡表面交汇形成的尖端边缘。
6.根据权利要求1或4所述的超声速平面混合层风洞，其特征在于，所述喷管固块 (33)与所述第一分隔板(21)相延续地形成一体中隔板结构。
7.根据权利要求6所述的超声速平面混合层风洞，其特征在于，所述中隔板结构可拆 卸地设置。
8.根据权利要求1所述的超声速平面混合层风洞，其特征在于，所述固定喷管(33) 可拆卸地设置。
9.根据权利要求1所述的超声速平面混合层风洞，其特征在于，所述过渡段(1)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。
10.根据权利要求1所述的超声速平面混合层风洞，其特征在于，所述稳定段(2) 的横截面呈矩形，包括相平行的上周壁和下周壁以及连接所述上周壁和下周壁的两个侧壁。
11.根据权利要求1所述的超声速平面混合层风洞，其特征在于，所述喷管实验段 (3)的宽高比大于4。
12.根据权利要求1所述的超声速平面混合层风洞，其特征在于，所述喷管实验段 (3)的四个周壁均形成有透明窗口。
13.根据权利要求1所述的超声速平面混合层风洞，其特征在于，所述喷管实验段 (3)的透明窗口从所述实验部(32)的出口向上游延伸到所述喷管部(31)的亚声速区域。
14.根据权利要求1所述的超声速平面混合层风洞，其特征在于，所述稳定段(2)的 上腔中设置有总压调节器(23)，所述总压调节器为双层孔板，通过调整两孔板的错位程度进行流道的改变和来流总压的调节。
15.根据权利要求13所述的超声速平面混合层风洞，其特征在于，所述稳定段(2)的 上腔(201)和下腔(202)中还分别包括位于所述总压调节器(23)下游的整流装置(22)， 所述整流装置(22)包括蜂窝器和沙网。
全文摘要
本发明提供了一种超声速平面混合层风洞，包括过渡段(1)，用于引入气流；稳定段(2)，连接在所述过渡段(1)的下游，具有第一分隔板(21)；以及喷管实验段(3)，连接在所述稳定段(2)的下游，包括相平行的上周壁(3a)和下周壁(3b)以及连接所述上周壁(3a)和下周壁(3b)的两个侧壁，形成有喷管部(31)，其中设置有喷管固块(33)，所述喷管固块(33)的上表面和下表面分别形成喷管型面；以及混合部(32)。本发明提供了一种流场二维特性好、并且便于光学测试技术实施的超声速平面混合层风洞装置。
文档编号G01M9/04GK102023078SQ20101055144
公开日2011年4月20日 申请日期2010年11月18日 优先权日2010年11月18日
发明者何霖, 易仕和, 田立丰, 赵玉新 申请人:中国人民解放军国防科学技术大学
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