一種兼容多噴管的風洞擴壓器及風洞擴壓方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種風洞擴壓器及風洞擴壓方法。
【背景技術】
[0002] 風洞是能人工產生和控制氣流，以模擬飛行器或物體周圍氣體的流動，并可量度 氣流對物體的作用以及觀察物理現象的一種管道狀試驗設備。擴壓器的作用是通過一定的 激波系將噴管噴出的超聲速流轉變為亞聲速流或馬赫數較低的氣流，盡可能的提高擴壓效 率、提高排氣能力，從而減輕后面排氣系統的負擔，同時也有利于超聲速噴管的起動，并能 夠節約能源。擴壓器一般由收集器、收縮段、第二喉道和擴張段四部分組成。第二喉道是指 擴壓器中收縮段和擴張段中間的等直段，一般是擴壓器中截面最小的部位；第二喉道是風 洞領域的常規術語，是相對于風洞的第一喉道而言的，第一喉道是指風洞加熱器用來產生 超音速的喉道。
[0003] 高溫燃氣超音速風洞利用噴管出口的高溫超音速氣流對模型進行熱考核，不同的 噴管出口直徑對應不同的模擬狀態，該風洞需要兼容多套不同口徑的超音速噴管。常規的 擴壓器兼容噴管的方法是根據噴管口徑更換對應直徑的擴壓器第二喉道，在更換第二喉道 時，與之銜接的收集器、收縮段和擴壓段的尺寸也隨之改變，這種方式可以獲得較好的擴壓 器效率，但相應制造成本較高，并且互換使用不方便。
【發明內容】
[0004] 本發明所要解決的技術問題是：提供一種成本低、使用方便的風洞擴壓器及擴壓 方法，能夠實現高溫燃氣超聲速風洞多個不同尺度噴管的狀態兼容，保證了試驗艙內形成 均勾的尚品質燃氣流場。
[0005] 本發明包括如下技術方案：
[0006] -種兼容多噴管的風洞擴壓器，所述風洞擴壓器由依次相連的收集器、收縮段、第 二喉道和擴張段組成，所述收集器用于收集噴管噴出的氣體，其特征在于，所述收集器包括 收集口、直筒段、第一支架、導軌和驅動裝置；收集口為喇叭形，收集口前端直徑比后端直徑 大，收集口前端直徑根據噴管直徑確定，收集口后端與直筒段前端相連；第一支架上端與直 筒段前端固定連接，第一支架下端安裝在導軌上，第一支架能夠在驅動裝置的驅動下相對 導軌滑動；直筒段后端插入收縮段，直筒段能夠相對收縮段滑動。
[0007] 收集口前端直徑是所對應的噴管直徑的1. 2倍。
[0008] 直筒段內徑是最大噴管直徑的L 15倍。
[0009] 所述第二喉道的直徑為最大噴管直徑。
[0010] 收縮段包括直筒形外套部分和圓錐臺形收縮部分；直筒段后端插入直筒形外套部 分的前端，直筒段能夠相對收縮段直筒形外套部分滑動；直筒形外套部分的后端與圓錐臺 形收縮部分固定連接。
[0011] 在直筒段的后端與直筒形外套部分之間環向設置12組彈簧片。
[0012] 利用上述風洞擴壓器進行多噴管兼容的方法，在更換不同尺寸噴管時，第二喉道、 收縮段、第二喉道和擴張段都保持不變，通過更換不同口徑的收集口及調整直筒段相對收 縮段的位置使得在收集器內形成超音速滿流，從而實現多個不同尺寸噴管的兼容。
[0013] 本發明與現有技術相比具有如下優點：
[0014] 本方法在首次采用固定二喉道，通過調整收集器來實現同一套風洞兼容多套不同 口徑的噴管，并應用于高溫燃氣流超音速風洞，即使用一個擴壓器本體，不同的工作狀態通 過更換相應的收集器收集口和收集器滑動的方式來提高擴壓器效率，實現了不同的燃氣流 環境下試驗艙壓力與噴管出口靜壓良好匹配，保證了試驗艙內形成均勻的高品質燃氣流 場，解決高溫超聲速風洞多個不同尺度噴管的狀態兼容問題；和傳統風洞相比，降低了制造 成本，同時風洞的使用更加方便。
【附圖說明】
[0015] 圖1為本發明擴壓器示意圖；
[0016] 圖2為本發明收集器結構示意圖；
[0017] 圖3為本發明收集器與收縮段組裝示意圖；
[0018] 圖4為本發明收集器與收縮段的接口示意圖；
[0019] 圖5為第二喉道示意圖；
[0020] 圖6為調整收集器的模擬流場，圖6a的噴管出口直徑為340mm，圖6b的噴管出口 直徑為500mm，圖6c的噴管出口直徑為740mm〇
【具體實施方式】
[0021] 下面就結合附圖對本發明做進一步介紹。
[0022] 風洞擴壓器的基本示意圖如圖1所示，主要由收集器1、收縮段2、第二喉道3、擴 張段4組成，其作用是提高擴壓效率、提高排氣能力。收集器1如圖2所示，主要是收集噴 管噴出的超音速燃氣，使其順利進入擴壓器中；收縮段2主要是通過減小面積來實現超音 速氣流的減速增壓；第二喉道3是一個等直徑的直筒段，如圖5所示，超音速氣流在第二喉 道中通過一系列激波串實現減速增壓，并在第二喉道出口附近轉變為亞音速氣流；擴張段 4是通過增大面積來實現亞音速氣流的減速增壓。擴壓器中直接影響試驗艙壓力的兩個因 素是第二喉道的尺寸和收集器的尺寸及位置。
[0023] 第二喉道和噴管出口的面積比對擴壓器性能有直接的影響。為此根據本試驗臺噴 管出口的氣流參數，進行詳細的氣動計算，可以得到第二喉道的尺寸。某一截面的最大流量 與截面積及駐點壓力成正比，與駐點溫度的平方根成反比。為保證風洞不發生堵塞，在任意 時刻第二喉道的最大流量均應不小于該時刻噴管的流量。擴壓器第二喉道尺寸按照下式確 定。
[0026] 式（2)中4、~分別是噴管面積和第二喉道的面積，m是燃氣流量，q是流量函數， K是和燃氣性質相關的常數，η是小于1的常數,P1表示噴口出口的壓力，P2表示第二喉道 的壓力，f表示總溫；考慮到正激波后至擴壓段的粘性壓力損失，式中波后總壓乘以一個小 于1的壓力恢復系數。這樣就可以得到對應于噴管的第二喉道的尺寸，由于第二喉道的尺 寸固定，因此選取對應于最大噴管的第二喉道尺寸作為固定第二喉道的尺寸。也可以根據 工程經驗，直接將第二喉道的直徑（D)設計為最大噴管直徑（Dniax)。
[0027] 當超音速氣流未在收集器內形成滿流時，擴壓器第二喉道直徑對試驗艙的影響較 大，而當收集器形成超音速滿流時，收集器收集口的口徑和距