一种引射低总压冷介质二次喉道扩压器

技术领域

本发明属于空气动力设备超声速风洞扩压器领域，具体涉及一种引射低总压冷介质二次喉道扩压器。

背景技术

高超声速风洞在军事、航空、航天等领域具有重要应用，它可以模拟飞行器飞行的气动环境。但在模拟过程中，扩压扩压能力和热负荷冷却往往是不能忽视的两个方面；传统的解决做法是在风洞试验段后设置固定几何的超声速二次喉道扩压器，进行一定程度的扩压，再喷水冷却后由引射器进一步增压排出。为提高超声速二次喉道扩压能力，超声速二次喉道扩压器前段一般不喷水冷却，这将使扩压器壁直接与高温燃气接触，为保护扩压器结构，一般需在扩压器壁面上设计冷却水套。扩压器的扩压能力高低，将影响后段引射器引射载荷。扩压能力越高，引射器载荷轻，则可大幅节省引射气量，运行成本低。但是，大型超声速风洞为了适应宽范围运行状态，扩压器一般采用固定几何尺寸，按最大流通能力设计喉道直径。这就导致其在高马赫数条件下扩压性能低。而高马赫数条件静压低，增压比要求高，造成引射器负载非线性增长，运行成本大幅增长。

本发明提出的引射低总压冷介质二次喉道扩压器能通过低总压冷介质的膨胀在二次喉道直段产生一层冷气膜，在减小热负荷的同时调节了二次喉道直径，提高了扩压性能，可以大幅降低引射器的负载能力，提高风洞总体的运行经济性，具有很好的应用前景。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：一种引射低总压冷介质二次喉道扩压器，主要依靠通过凹槽喷射低总压冷介质调节二次喉道直段直径长来实现扩压性能提升，通过冷介质气膜隔离和剪切混合带走一部分热量来实现降温效果。

本发明采用的技术方案为：一种引射低总压冷介质二次喉道扩压器，包括流量调节阀、凹槽、引射喷管、二次喉道压缩段、二次喉道直段、二次喉道扩张段、冷介质和压气机；凹槽截面为直角梯形，设在二次喉道压缩段的紧前方；待二次喉道启动后，由压气机或直接大气环境将低总压的气体经流量调节阀由引射喷管使高速气体持续不断地由凹槽喷入；冷介质在二次喉道压缩段开始扩散，并在二次喉道直段形成一层气膜；试验段来流气体在有气膜的二次喉道直段处通过一系列的斜激波减速增压，在二次喉道扩张段达到较高的静压，经过扩压器出口处引射排入下级排气流道。

其中，所述通过凹槽位置引射喷管高速喷射冷介质流，形成气动可变二次喉道直段直径的扩压器；经过优化计算，凹槽的位置取在二次喉道压缩段的紧前方，经由引射喷管喷射的高速气体出口马赫数为2。

一种引射低总压冷介质二次喉道扩压器的工作方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤1：关闭凹槽处引射喷管，引射抽吸至风洞起动压强，启动风洞设备喷管加热器；同时打开凹槽处引射喷管，调节流量阀，先引射入少量大气冷介质，保护二次喉道壁面，等待风洞实验段上游设备喷管喷出的高超声速气流通过模型并在喷管出口达到满流，二次喉道扩压器超声速启动；

步骤2：二次喉道启动后，调节流量阀，关闭空气入口，压气机将略高于一个大气压的气体经由引射喷管高速喷出；为降低成本，扩大应用，凹槽处喷射的气体总压不大于2个大气压，总温为300K左右，喷射装置则保持速度为2个马赫数，质量流量为扩压器入口处质量流量的二分之一左右；

步骤3：由于扩压器内静压很低，凹槽处高速、高压气体在二次喉道压缩段前方开始膨胀，并紧贴二次喉道压缩段和二次喉道直段壁面形成一层气膜，减小了二次喉道直段的径长，气膜的厚度可由凹槽处引射气体的状态参数控制。通过模拟本扩压器对高马赫数工况，扩压能力会有显著提升，对低马赫数工况，扩压能力也有一定提升。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明可在固定几何结构条件下，调节二次喉道扩压器直径，有效提高采用固定几何结构二次喉道在高马赫数、低总压工况的扩压能力。目前常规扩压器为保证启动问题采用较大直径的二次喉道，当遇到高马赫数的工况，扩压效果并不理想。

(2)本发明可有效降低二次喉道段的热负荷。扩压器利用斜激波减速增压时会使扩压器壁面温度急剧升高，甚至会超过2000K，这样材料是难以承受的，目前主要使用冷却水套以及喷水柱喷水来降温；本发明提供的新型扩压器凹槽处喷射的气体能带走相当大一部分热量，有效减小二次喉道段的热负荷，降低了冷却水套的成本。

(3)本发明最重要的部分即凹槽处喷射的低总压冷介质气流，其气源总压不超过2个大气压、总温为300K左右，甚至可以是接近大气的无动力气源，市面上普通的压气机就可做到，其成本较低。

附图说明

图1为本发明一种引射低总压冷介质二次喉道扩压器的结构图；其中，1为流量调节阀，2为凹槽，3为引射喷管，4为二次喉道压缩段，5为二次喉道直段，6为二次喉道扩张段，7为冷介质，8为压缩机，9为模型；

图2为扩压器中凹槽的结构尺寸图；

图3为本发明扩压器针对一特定案例的速度、温度云图；

图4为常规扩压器针对一特定案例的速度、温度云图；

图5为本发明扩压器壁面压力和温度分布与常规扩压器的对比。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施方式进一步说明本发明。

本发明一种引射低总压冷介质二次喉道扩压器，包括：流量调节阀1、凹槽2、引射喷管3、二次喉道压缩段4、二次喉道直段5、二次喉道扩张段6、冷介质7和压气机8；凹槽2截面为直角梯形，设在二次喉道压缩段4的紧前方；待二次喉道启动后，由压气机8或直接大气环境将低总压的气体经流量调节阀1由引射喷管3使高速气体持续不断地由凹槽2左侧喷入；冷介质7在二次喉道压缩段4开始扩散，并在二次喉道直段5形成一层气膜；上游气体在有气膜的二次喉道直段5处通过一系列的斜激波减速增压，在二次喉道扩张段6达到较高的静压，经过扩压器出口处引射排入大气。

一种引射低总压冷介质二次喉道扩压器的工作方法，包括以下步骤：

步骤1：关闭凹槽2处引射喷管，引射抽吸至风洞起动压强。启动风洞设备喷管加热器；同时打开凹槽2处引射喷管，调节流量调节阀1，先引射入少量大气冷介质，保护二次喉道壁面。等待风洞实验段上游设备喷管喷出的高超声速气流通过模型并在喷管出口达到满流，二次喉道扩压器超声速启动；

步骤2：二次喉道启动后，调节流量调节阀1，关闭空气入口，压气机8将略高于一个大气压的气体经由引射喷管3高速喷出；为降低成本，扩大应用，凹槽处喷射的气体总压不大于2个大气压，总温为300K左右，喷射装置则保持速度为2个马赫数，质量流量为扩压器入口处质量流量的二分之一左右；

步骤3：由于扩压器内静压很低，凹槽2处高速、高压气体在二次喉道压缩段4前方开始膨胀，并紧贴二次喉道压缩段4和二次喉道直段5壁面形成一层气膜，减小了二次喉道直段的径长，气膜的厚度可由凹槽处引射气体的状态参数控制。通过模拟本扩压器对高马赫数工况，扩压能力会有显著提升，对低马赫数工况，扩压能力也有一定提升；

所述步骤2中，以Ma＝7、P_total＝4.9Mpa的工况为例，按传统方案设计扩压器只能将出口处背压提升至13kpa左右；用新型扩压器，几何结构不变，凹槽处喷射气体的总压为1.15atm，总温300K，马赫数为2，质量流量为115kg/s，经数值模拟，相同条件下，出口背压可提升至20kpa，性能提升53.8％；当凹槽处喷射气体的总压为1.75atm，质量流量为173kg/s，经数值模拟，出口背压可提升至23.5kpa，性能提升80％；以Ma＝6、P_total＝2.84Mpa的工况为例，按传统方案设计扩压器只能将出口处背压提升至23kpa左右；用新型扩压器，凹槽处喷射气体的总压为1.75atm，总温300K，马赫数为2，质量流量为173kg/s，经数值模拟，出口背压可提升至31kpa，性能提升了35％。

所述步骤3中，采用低总压大流量压气机可较经济地获得2个大气压、质量流量200kg/s以内的低总压冷介质，具有较好的经济性。

实施例

本实施例的工况为：Ma＝7；模拟总压＝4.91Mpa；总温：2017K；

对传统二次喉道扩压器，不包含凹槽2及引射喷管3，其扩压器出口背压只能达到13kpa，扩压器壁面最低温度也超过1800K。

本发明一种低总压冷介质引射增压型二次喉道，凹槽的截面形状为直角梯形，对于本案例，凹槽的截面尺寸为高40mm，底300mm，斜边角度15°，具体见附图中的凹槽结构图；凹槽2的位置位于二次喉道压缩段的紧前方，具体见附图中引射扩压器的结构图。

这里指出，本发明中凹槽的截面形状和位置是固定的，但凹槽的尺寸是可调的，具体可由数值模拟根据不同工况得到最优的尺寸。

S1:关闭凹槽处的引射装置，以1.2kpa的背压启动二次喉道，此时上游气流流过模型，基本充满整个扩压器，为正常启动；

S2:启动凹槽处的引射装置，凹槽左端开始喷射压缩空气，本案例中压缩空气流的状态参数为：总压＝1.15atm；总温＝300K；Ma＝2；质量流量＝115kg/s；

S3:扩压器内本身的静压很低，基本上只有不到几千帕；尽管凹槽处喷射气体的静压并不高，但仍远大于扩压器内的压强，故开始膨胀；而且喷射气体有水平向右的初速度，自二次喉道压缩段开始到二次喉道直段开始形成一层气膜，调节了二次喉道的径长，提高了扩压效果，同时也带走了一部分热量；

所述步骤S3中，最终提高后的扩压效果可达到20kpa，比原来提高了54％；二次喉道近一半长度的壁面温度小于600K，减小为原来的是三分之一，剩余部分的壁面温度也小于1500K，这样可有效减小二次喉道的热负荷。

更重要的是，经综合计算，由于扩压性能的提升，虽然引入的低总压气流部分增加了引射器的负载，但由于增压比的降低，后端引射器最终用气量比之前仍节省了30％。这对大型风洞设备运行的经济成本节省是非常可观的。

本发明一种低总压冷介质引射增压型扩压器与原常规扩压器的扩压效果、速度马赫数图以及温度的比较详见附图。