超聲速風洞及其確定方法
【專利摘要】本發明提供一種超聲速風洞及其確定方法。該超聲速風洞包括：穩定段（40），用于對氣流進行整流；噴管（10），連接在穩定段（40）的下游，噴管（10）的出口的橫截面形狀為第一多邊形，第一多邊形的任一邊與相鄰的兩邊構成的兩個夾角中至少一個不等于90度；試驗段（20），連接在噴管（10）的下游，試驗段（20）的進口端與噴管（10）的出口端相匹配。第一多邊形的試驗段可以提供多個觀測點，提供更全方位的觀測，提高實驗精度。
【專利說明】超聲速風洞及其確定方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及空氣動力學設備，具體而言，涉及一種超聲速風洞及其確定方法。
【背景技術】
[0002]超聲速風洞一般由過渡段、穩定段、噴管段、試驗段、擴壓段以及驅動裝置組成，不同的方案有不同的結構形式和不同的試驗室布置，其總體方案對于風洞的結構設計、制造、安裝以及性能都有很大影響。
[0003]文獻“風洞設計原理，伍榮林，1985”和“高低速風洞啟動與結構設計，劉政崇，2003”中詳細介紹了超聲速風洞的設計原理與設計流程。國防科技大學博士學位論文“超聲速混合層時空結構的實驗研究，趙玉新，2008”設計的超聲速混合風洞主要由三部分組成:穩定段、雙噴管與實驗段，其噴管為二維噴管，試驗段為矩形截面，試驗段壁面上可安裝觀察窗，且觀察窗經過精心設計后可以很好的對流場的展向截面和縱向截面進行層析觀測。
[0004]常規風洞的超聲速流道，如噴管、試驗段等，一般是二維或軸對稱構型，外形一般為圓形或方形，以便設計試驗臺架，為了配合光學診斷技術進行觀測，風洞試驗段截面一般為矩形，實現對流場的層析觀測，但隨著光學觀測技術的發展和流場觀測新要求的提出，矩形截面或圓形截面的試驗段的缺點越來越明顯，在進行光學測量時，現有風洞設計方案都是基于二維或軸對稱噴管，試驗段的截面多為圓形或矩形，受到觀察窗安裝壁面的限制，相機位置只能在Y方向和Z方向垂直放置，試驗段的光學觀測角度和效果都受到影響，成角度觀測圖像畸變較大，成像不清晰；光源可以垂直于三個方向打出片光，但片光垂直于試驗件壁面造成的反射光很強，且會對相機觀測區域產生較大影響，不好消除，近壁面流場觀測效果差。
【發明內容】
[0005]本發明旨在提供一種超聲速風洞及其確定方法，以解決現有技術中二維或軸對稱構型的超聲速風洞的光學測量的片光造成的反射光過強的問題。
[0006]為了實現上述目的，根據本發明的一個方面，提供了 一種超聲速風洞，該超聲速風洞包括:穩定段，用于對氣流進行整流；噴管，連接在穩定段的下游，噴管的出口的橫截面形狀為第一多邊形，第一多邊形的任一邊與相鄰的兩邊構成的兩個夾角中至少一個不等于90度；試驗段，連接在噴管的下游，試驗段的進口端與噴管的出口端相匹配。
[0007]進一步地，噴管包括:亞聲速段，亞聲速段的進口端的橫截面形狀為第一圓形；喉部，喉部的進口端與亞聲速段的出口端相連，且喉部的進口端與亞聲速段的出口端相匹配，喉部沿氣體的流動方向從上游到下游橫截面逐漸收縮；超聲速段，與喉部的出口端相連接，超聲速段的進口端與喉部的出口端橫截面相匹配，超聲速段的出口的橫截面形狀為第一多邊形，超聲速段的橫截面沿氣體的流動方向從上游到下游橫截面逐漸增大。
[0008]進一步地，噴管的壁面沿氣體的流動方向為曲面。
[0009]進一步地，試驗段與噴管一體成型，試驗段的出口處的橫截面沿氣體的流動方向從上游到下游由第一多邊形向第二圓形過渡。
[0010]進一步地，試驗段的各壁面為平面，各壁面上均安裝有觀察窗。
[0011]進一步地，穩定段內設置有整流裝置。
[0012]進一步地，超聲速風洞還包括:過渡段，設置在穩定段的上游，用于引入氣流，并對氣流進行第一次整流；擴壓段，連接在試驗段的下游。
[0013]進一步地，擴壓段包括:收縮部分，收縮部分的橫截面面積沿氣體的流動方向逐漸減小；擴張部分，擴張部分的橫截面面積沿氣體的流動方向逐漸增大；第二喉道，連接在收縮部分的小截面端與擴張部分的小截面端之間。
[0014]進一步地，第二喉道為空心圓柱形。
[0015]根據本發明的另一方面，提供了一種超聲速風洞的確定方法，超聲速風洞的確定方法用于確定權利要求1中的超聲速風洞，超聲速風洞的確定方法包括以下步驟=Sio:確定第一多邊形為噴管的出口橫截面形狀，第一多邊形的任一邊與相鄰的兩邊構成的兩個夾角中至少一個不等于90度；S20:通過流線追蹤方法確定噴管的喉部及亞聲速段；S30:通過一體化設計確定與噴管相連接的試驗段，試驗段的進口與噴管的出口相切。
[0016]進一步地，S30的步驟之后還包括:S40:確定連接在噴管上游的穩定段；S50:確定連接在穩定段上游的過渡段；S60:確定連接在試驗段下游的擴壓段。
[0017]應用本發明的技術方案，超聲速風洞包括:穩定段，用于對氣流進行整流；噴管，連接在穩定段的下游，噴管的出口的截面形狀為第一多邊形，第一多邊形的任一邊與相鄰的兩邊構成的兩個夾角中至少一個不等于90度；試驗段，連接在噴管的下游，試驗段的進口端與噴管的出口端相匹配，且試驗段與噴管在連接位置處相切。試驗段的進口端與噴管的出口端截面形狀相同，且在連接位置處兩者相切，能夠減少連接位置處的型面變化，可以很好地保證流場的均勻度，提高流場品質。多邊形截面的試驗段可以為光學測量提供多個觀測角度，光學測量的相機可以根據光學測量的需要設置，而無需僅局限于Y方向和Z方向，因而多邊形截面的試驗段能夠適用于多角度流場觀測、三維流場重構等光學測量環境，具有更好的適用性。試驗段的截面形狀為第一多邊形，且第一多邊形的任一邊與相鄰的兩邊構成的兩個夾角中至少一個不等于90度，避免了由于片光入射到試驗件的壁面上，壁面反射的發散光以小角度入射到相鄰的兩個平行壁面而造成的多次反射的情況，進而減少了多次反射光對光學測量的干擾，提高了光學測量的準確度。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0018]構成本發明的一部分的附圖用來提供對本發明的進一步理解，本發明的示意性實施例及其說明用于解釋本發明，并不構成對本發明的不當限定。在附圖中:
[0019]圖1示出了本發明的實施例的超聲速風洞的立體結構示意圖；
[0020]圖2示出了根據圖1的超聲速風洞的噴管的超聲速段的出口的截面形狀；
[0021]圖3示出了根據圖2的噴管的超聲速段的結構示意圖；
[0022]圖4示出了根據圖3的噴管的結構示意圖；
[0023]圖5示出了根據圖4的超聲速風洞的噴管和試驗段的結構示意圖；
[0024]圖6示出了本發明的實施例的超聲速風洞的過渡段和穩定段的結構示意圖；
[0025]圖7示出了本發明的實施例的超聲速風洞的擴壓段的結構示意圖；[0026]圖8示出了本發明的實施例的超聲速風洞的結構的主視圖；
[0027]圖9示出了根據圖8的超聲速風洞的結構的立體圖；
[0028]圖10示出了超聲速段的出口的截面形狀為等腰梯形的截面形狀示意圖；
[0029]圖11示出了超聲速段的出口的截面形狀為正六邊形的截面形狀示意圖；以及
[0030]圖12示出了超聲速段的出口的截面形狀為正三角形的截面形狀示意圖。
[0031]附圖標記說明:10、噴管；11、超聲速段；12、亞聲速段；20、試驗段；30、過渡段；40、穩定段；50、擴壓段；51、收縮部分；52、第二喉道；53、擴張部分；90、觀察窗；2、片光；3、相機。
【具體實施方式】
[0032]下文中將參考附圖并結合實施例來詳細說明本發明。需要說明的是，在不沖突的情況下，本申請中的實施例及實施例中的特征可以相互組合。
[0033]如圖1至9所示，根據本發明的實施例，超聲速風洞包括:穩定段40，用于對氣流進行整流；噴管10，連接在穩定段40的下游，噴管10的出口的橫截面形狀為第一多邊形，第一多邊形的任一邊與相鄰的兩邊構成的兩個夾角中至少一個不等于90度；試驗段20，連接在噴管10的下游，試驗段20的進口端與噴管10的出口端相匹配。
[0034]試驗段20的進口端與噴管10的出口端橫截面形狀相同，可以很好地保證流場的均勻度，提高流場品質。多邊形截面的試驗段20可以為光學測量提供多個觀測角度，光學測量的相機3可以根據光學測量的需要設置，而不僅局限于Y方向和Z方向，因而多邊形截面的試驗段20能夠適用于多角度流場觀測、三維流場重構等光學測量環境，具有更好的適用性。試驗段20的橫截面形狀為第一多邊形，且第一多邊形的任一邊與相鄰的兩邊構成的兩個夾角中至少一個不等于90度，避免了由于片光2入射到試驗件的壁面上，壁面反射的發散光以小角度入射到相鄰的兩個平行壁面而造成的多次反射的情況，進而減少了多次反射光對光學測量的干擾，提高了光學測量的準確度。
[0035]參見圖8和9所示，在本實施例中，噴管10的出口與試驗段20的入口相切，可以減少型面的突變，避免流場均勻度降低。超聲速風洞還包括過渡段30和擴壓段50。過渡段30、穩定段40、噴管10、試驗段20和擴壓段50依次連接構成該超聲速風洞。氣流從過渡段30流入自擴壓段50流出。沿氣體的流動方向，上游指氣體流入的一端，下游指氣體流出的一端。
[0036]參見圖6所示，過渡段30的出口端為圓形截面，以便與穩定段40相連接，且沿氣體的流動方向從上游到下游，過渡段30的橫截面逐漸減小。過渡段30用于將氣源發出的氣流引入超聲速風洞內，并對氣流進行初步整流。在其他實施例中，過渡段30的出口端的橫截面也可以是矩形，相應地，與過渡段30相連接的穩定段40的進口端的橫截面也是矩形。為了方便架設超聲速風洞和保證超聲速風洞的穩定性，過渡段30的出口端的橫截面多選用圓形或矩形。沿氣體的流動方向，過渡段30的壁面可以是曲面也可以是平面。
[0037]穩定段40連接在過渡段30的下游，用于將氣流進行整流，使氣流流場均勻以便在噴管10中對氣流進行加速，進而獲得具有所需馬赫數的均勻流場。穩定段40的橫截面形狀對應于過渡段30的出口端的橫截面形狀，多選用圓形或矩形。依據風洞設計要求，穩定段40內設置有整流裝置，以增強氣流的均勻性。整流裝置包括蜂窩器、紗網等。根據整流的需要可以在穩定段40內設置多組整流裝置。
[0038]結合參見圖3和圖4所示，穩定段40的下游連接有噴管10，噴管10用于將氣流加速到所需馬赫數。在本實施例中，噴管10由亞聲速段12、喉部和超聲速段11依次連接構成。噴管10的壁面沿氣體的流動方向為曲面。
[0039]其中，亞聲速段12的進口端的橫截面形狀為第一圓形，方便與穩定段40連接。
[0040]喉部的進口端連接在亞聲速段12的出口端上，且與亞聲速段12的出口端相匹配。喉部的橫截面沿氣體的流動方向從上游到下游呈逐漸收縮的變化形態。喉部用于將氣流加速，使氣流達到設計馬赫數，以便后續在試驗段20進行試驗和光學測量。
[0041]超聲速段11的進口端連接在喉部的出口端，且超聲速段11的進口端的橫截面與喉部的出口端的橫截面相同。超聲速段11的出口端的橫截面形狀為第一多邊形。超聲速段11的橫截面沿氣體的流動方向從上游到下游橫截面逐漸增大。超聲速段11用于將氣流繼續加速，以達到試驗段20所需的馬赫數。
[0042]在本實施例中第一多邊形為正五邊形。在其它實施例中，超聲速段11的出口端的橫截面形狀可以為任意多邊形，例如三角形、六邊形、梯形等，但是，需保證任意多邊形中任一邊與其相鄰兩邊構成的夾角至少一個不等于90，以避免片光的反射光在兩個相互平行的面之間多次反射影響光學測量。
[0043]噴管10的出口截面形狀確定后，噴管10的各個壁面采用流道追蹤法獲得，且需保證亞聲速段12的進口端的截面形狀為第一圓形。
[0044]試驗段20連接在噴管10的下游，并與噴管10 —體成型，這樣可以保證試驗段20與噴管10平滑過渡，不會對氣流產生影響，進而保證試驗段20的光學測量的精度和準確性。試驗段20的進口與噴管10的超聲速段11的出口相切，避免由于型面突變造成的流場不均勻，且試驗段20的進口的橫截面形狀為第一多邊形，在本實施例中為正五邊形。試驗段20的壁面沿氣體流動方向為平面，各壁面上均安裝有觀察窗90。由于試驗段20的橫截面形狀為多邊形，因此可以在多個角度設置相機。試驗段20的出口處的橫截面沿氣體的流動方向從上游到下游由第一多邊形向第二圓形過渡，出口橫截面形狀為第二圓形可以方便地與擴壓段50連接。在其他實施例中，試驗段20的出口的橫截面形狀也可以是矩形。
[0045]參見圖7所示，擴壓段50連接在試驗段20的下游。在本實施例中擴壓段50的下游還連接有真空罐，為了使氣流的壓力與真空罐相匹配，因此擴壓段50為先收縮后擴張的型面，以便進一步提升氣流壓力。
[0046]擴壓段50包括收縮部分51、第二喉道52和擴張部分53。收縮部分51與試驗段相連接，其橫截面面積沿氣體的流動方向逐漸減小。擴張部分53與真空罐相連接，其橫截面面積沿氣體的流動方向逐漸增大。第二喉道52連接在收縮部分51的小截面端與擴張部分53的小截面端之間，第二喉道52可以為空心圓柱形，也可以是圓臺形。圓臺形的第二喉道52的大截面端的橫截面面積應等于擴張部分53的小截面端的橫截面面積，圓臺形的第二喉道52的小截面端的橫截面面積應等于收縮部分51的小截面端的橫截面面積。擴壓段50的結構也可以通過經驗公式進行設計獲得。
[0047]根據本發明的另一實施例，提供一種超聲速風洞的確定方法，用于確定上述的超聲速風洞。該超聲速風洞的確定方法包括以下步驟:
[0048]SlO:根據多邊形試驗段截面設計要求，確定噴管10的出口的橫截面形狀為第一多邊形，第一多邊形的任一邊與相鄰的兩邊構成的兩個夾角中至少一個不等于90度。在本實施例中該噴管10的出口的橫截面形狀為正五邊形。
[0049]參見圖10至12所示，在其他實施例中，噴管10的出口的橫截面形狀可以為正三角形、正六邊形、等腰梯形或其他多邊形。
[0050]S20:通過流線追蹤方法確定噴管10的喉部及亞聲速段12 ;采用流線追蹤方法設計噴管10，噴管10的亞聲速段12的進口可根據超聲速風洞整體設計要求進行調整，亞聲速段12的進口的橫截面形狀可以是任意形狀，為了便于與穩定段40連接，一般選用圓形或矩形。
[0051]S30:通過一體化設計確定與噴管10相連接的試驗段20，試驗段20的進口與噴管10的出口相切。試驗段20與噴管一體化設計，保證兩者的過渡平滑，保證流場均勻。
[0052]上述超聲速風洞的確定方法還包括:
[0053]S40:根據風洞結構設計要求，確定連接在噴管10上游的穩定段40。
[0054]S50:根據風洞結構設計要求，確定連接在穩定段40上游的過渡段30。
[0055]S60:根據風洞結構設計要求，確定連接在試驗段20下游的擴壓段50。
[0056]通過上述方法設計的超聲速風洞，雖然截面為多邊形，但是流場品質堪比二維或軸對稱流場，出口流場均勻度可達1%之內。
[0057]從以上的描述中，可以看出，本發明上述的實施例實現了如下技術效果:超聲速風洞包括:穩定段，用于對氣流進行整流；噴管，連接在穩定段的下游，噴管的出口的截面形狀為第一多邊形，第一多邊形的任一邊與相鄰的兩邊構成的兩個夾角中至少一個不等于90度；試驗段，連接在噴管的下游，試驗段的進口端與噴管的出口端相匹配，且試驗段與噴管在連接位置處相切。試驗段的進口端與噴管的出口端截面形狀相同，且在連接位置處兩者相切，能夠減少連接位置處的型面變化，可以很好地保證流場的均勻度，提高流場品質。多邊形截面的試驗段可以為光學測量提供多個觀測角度，光學測量的相機可以根據光學測量的需要設置，而無需僅局限于Y方向和Z方向，因而多邊形截面的試驗段能夠適用于多角度流場觀測、三維流場重構等光學測量方法，具有更好的適用性。試驗段的截面形狀為第一多邊形，且第一多邊形的任一邊與相鄰的兩邊構成的兩個夾角中至少一個不等于90度，避免了由于片光入射到試驗件的壁面上，壁面反射的發散光以小角度入射到相鄰的兩個平行壁面而造成的多次反射的情況，進而減少了多次反射光對光學測量的干擾，提高了光學測量的準確度。
[0058]以上所述僅為本發明的優選實施例而已，并不用于限制本發明，對于本領域的技術人員來說，本發明可以有各種更改和變化。凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。
【權利要求】
1.一種超聲速風洞，其特征在于，包括: 穩定段(40)，用于對氣流進行整流； 噴管(10)，連接在所述穩定段(40)的下游，所述噴管(10)的出口的橫截面形狀為第一多邊形，所述第一多邊形的任一邊與相鄰的兩邊構成的兩個夾角中至少一個不等于90度；試驗段(20)，連接在所述噴管(10)的下游，所述試驗段(20)的進口端與所述噴管(10)的出口端相匹配。
2.根據權利要求1所述的超聲速風洞，其特征在于，所述噴管(10)包括: 亞聲速段(12)，所述亞聲速段(12)的進口端的橫截面形狀為第一圓形； 喉部，所述喉部的進口端與所述亞聲速段(12)的出口端相連，且所述喉部的進口端與所述亞聲速段(12)的出口端相匹配，所述喉部沿氣體的流動方向從上游到下游橫截面逐漸收縮； 超聲速段(11)，與所述喉部的出口端相連接，所述超聲速段(11)的進口端與所述喉部的出口端橫截面相匹配，所述超聲速段(11)的出口的橫截面形狀為所述第一多邊形，所述超聲速段(11)的橫截面沿氣體的流動方向從上游到下游橫截面逐漸增大。
3.根據權利要求2所述的超聲速風洞， 其特征在于，所述噴管(10)的壁面沿氣體的流動方向為曲面。
4.根據權利要求1所述的超聲速風洞，其特征在于，所述試驗段(20)與所述噴管(10)一體成型，所述試驗段(20)的出口處的橫截面沿氣體的流動方向從上游到下游由所述第一多邊形向第二圓形過渡。
5.根據權利要求1所述的超聲速風洞，其特征在于，所述試驗段(20)的各壁面為平面，各所述壁面上均安裝有觀察窗(90)。
6.根據權利要求1至5中任一項所述的超聲速風洞，其特征在于，所述穩定段(40)內設置有整流裝置。
7.根據權利要求1至5中任一項所述的超聲速風洞，其特征在于，所述超聲速風洞還包括: 過渡段(30)，設置在所述穩定段(40)的上游，用于引入所述氣流，并對所述氣流進行第一次整流； 擴壓段(50)，連接在所述試驗段(20)的下游。
8.根據權利要求7所述的超聲速風洞，其特征在于，所述擴壓段(50)包括: 收縮部分(51)，所述收縮部分(51)的橫截面面積沿氣體的流動方向逐漸減小； 擴張部分(53)，所述擴張部分(53)的橫截面面積沿氣體的流動方向逐漸增大； 第二喉道(52)，連接在所述收縮部分(51)的小截面端與所述擴張部分(53)的小截面端之間。
9.根據權利要求8所述的超聲速風洞，其特征在于，所述第二喉道(52)為空心圓柱形。
10.一種超聲速風洞的確定方法，其特征在于，所述超聲速風洞的確定方法用于確定權利要求I中所述的超聲速風洞，所述超聲速風洞的確定方法包括以下步驟: SlO:確定第一多邊形為噴管(10)的出口橫截面形狀，所述第一多邊形的任一邊與相鄰的兩邊構成的兩個夾角中至少一個不等于90度； S20:通過流線追蹤方法確定所述噴管(10)的喉部及亞聲速段(12)；S30:通過一體化設計確定與所述噴管(10)相連接的試驗段(20)，所述試驗段(20)的進口與所述噴管(10)的出口相切。
11.根據權利要求10所述的超聲速風洞的確定方法，其特征在于，所述S30的步驟之后還包括: S40:確定連接在所述噴管(10)上游的穩定段(40)； S50:確定連接在所述穩定段(40)上游的過渡段(30)； S60:確定連接在所述試驗段(20)`下游的擴壓段(50)。
【文檔編號】G01M9/02GK103698100SQ201310737069
【公開日】2014年4月2日 申請日期:2013年12月27日 優先權日:2013年12月27日
【發明者】趙玉新, 馬志成, 王振國 申請人:中國人民解放軍國防科學技術大學