[發明專利]一種靜壓探針校準用超音速試驗器

有效

• 申請號: 201710958244.4
• 申請日: 2017-10-16
• 公開（公告）號: CN107782495B
• 公開（公告）日: 2019-10-01
• 發明（設計）人: 荊卓寅;趙儉
• 申請（專利權）人: 中國航空工業集團公司北京長城計量測試技術研究所
• 主分類號: G01L27/00
• 分類號: G01L27/00
• 代理公司: 北京理工大學專利中心 11120
• 代理人: 張利萍

1.一種靜壓探針校準用超音速試驗器，其特征在于：包括超音速噴管(1)、試驗段(2)、排氣段(3)和標準靜壓探針(6)；所述的試驗段(2)進氣口口部與超音速噴管(1)出氣口相適配，試驗段(2)出氣口與排氣段(3)進氣口相適配，在試驗段(2)中部上下兩側分別對稱開有用于標準靜壓探針(6)和被校靜壓探針(7)插入的孔；為便于描述，所述的標準靜壓探針(6)和被校靜壓探針(7)統稱探針；超音速噴管(1)與試驗段(2)固定密封連接，試驗段(2)與排氣段(3)固定密封連接，標準靜壓探針(6)和被校靜壓探針(7)分別插入試驗段(2)上下兩側的對稱孔，探針與試驗段(2)在插入孔處固定密封；

為實現測量探針對氣流偏轉角度的不敏感性，增加探針裝卡裝置(4)和橋型支架(5)，還需在試驗段(2)的插入孔處增加動密封結構；所述的探針裝卡裝置(4)用于實現探針裝卡及角度變換，為二自由度位移機構；探針裝卡裝置(4)通過橋型支架(5)保證與試驗段(2)的相對位置；所述的試驗段(2)包括試驗段主體(2.1)和動密封結構(2.2)；所述的動密封結構(2.2)用于實現探針旋轉及密封；

所述的動密封結構(2.2)包括壓緊螺母(2.2.1)、壓套(2.2.3)、橡膠密封圈(2.2.3)、塑料密封圈(2.2.4)、法蘭(2.2.5)；法蘭(2.2.5)與試驗段主體(2.1)固定密封，探針插入法蘭(2.2.5)上的孔，塑料密封圈(2.2.4)、橡膠密封圈(2.2.3)、壓套(2.2.3)、壓緊螺母(2.2.1)依次套在探針上，通過壓緊螺母(2.2.1)壓緊。

2.如權利要求1所述的一種靜壓探針校準用超音速試驗器，其特征在于：為實時監測試驗段(2)軸向氣流速度，在試驗段主體(2.1)上沿軸向方向等間距布置靜壓測孔(2.1.1)。

3.如權利要求2所述的一種靜壓探針校準用超音速試驗器，其特征在于：在超音速氣流中測量靜壓時，探針的探頭前方要產生激波，為了減少誤差，采用尖錐形式的探頭，并且限制頂角不超過10°，以便保證在馬赫數工作范圍內激波依附于探頭頂端，呈斜激波形式；氣流經過激波時受壓縮使靜壓升高，隨后經過探頭肩部時，氣流膨脹使靜壓降低，在氣流對靜壓的影響相互抵消處設置探針的測壓孔。

4.如權利要求1、2或3所述的一種靜壓探針校準用超音速試驗器，其特征在于：所述的超音速噴管(1)選如下方法實現：

為獲得超音速氣流，采用收縮-擴張的超音速噴管(1)，氣流經超音速噴管(1)后變為超音速，在試驗段(2)的位置得到滿足預設氣流馬赫數和品質要求的流場；

超音速噴管(1)采用特征線法設計，特征線法設計基本原理是：在超聲速流場中，順平面的氣流遇到內彎的折角將產生壓縮波，遇到外彎的折角將產生膨脹波；按照極限概念，能夠把噴管分割成無限多個短的折線段，每兩個相鄰的線段之間有一個無限小折角；在初始段，因每個折角都是向外彎的，所以折角處產生無限微弱的膨脹波；而在終止段，每個折角都是向內彎的，因此在折角處產生一個無限微弱的壓縮波；如果在初始段處是勻直的超聲氣流，則設計終止段曲線，以使初始段所產生的膨脹波全部被終止段產生的壓縮波抵消，則在噴管出口獲得均勻的超聲速流場；但特征線方法不適用于亞聲速情況，設計只能從喉道的聲速流開始；利用特征線法設計能夠獲得理想馬赫數的超音速噴管(1)；

典型的超音速噴管(1)分為收縮段、初始段和擴張段三部分；超音速噴管(1)要求到達喉部的音速流必須是均勻的；如果穩定段來流是均勻的，只要有一條光滑連續而又漸變的收縮曲線就能基本滿足要求；收縮段采用維托辛斯基曲線公式進行設計，當收縮段入口、喉部尺寸以及收縮段長度給定后，維托辛斯基曲線形狀即已確定，通過移軸的方式控制曲線形狀；維托辛斯基公式為：

式中，

r—收縮段曲線半徑；

r₁—收縮段曲線起始點半徑；

r₀—收縮段曲線結束點半徑；

l—收縮段曲線長度；

x—離收縮段曲線起始點的距離；

初始段和終止段都屬于噴管擴張段，定義擴張段曲線為ABC擴張型線，在B點處有最大的斜率，B稱為轉折點，轉折點B以前的曲線稱初始段，以后的曲線為終止段；A點為噴管擴張段曲線的起始點，C點為終止點；

初始段曲線的設計是為了把喉部的音速來流變成轉折點處的源流，流動源點位于噴管軸線上，以源點O’為中心，通過BB’圓弧上有相同的馬赫數，且氣流方向沿半徑方向；

采用Foelsch方法進行設計初始段；氣流經過初始段后在末端BB’線上形成均勻源流，經驗表明，在喉部與轉折點之間用解析曲線，使能夠在轉折點得到近似的源流；Foelsch方法需要先確定轉折點B，縱向位置與選擇的最大膨脹角β_B有關，同時與噴管出口馬赫數有關，在Ma＜5時，Foelsch采用：

式中：ν₁—設計馬赫數的普朗特-邁耶角，查表得；

y*—喉部半徑；

h—噴管出口半徑；

轉折點B的坐標x_B、y_B根據下式計算得到：

y_B＝r_Bsinβ_B

r_B通過源流區控制方程確定，即：

式中：σ——對于軸對稱噴管σ＝1，二維噴管σ＝0；

Ma_B——B點處馬赫數；

γ——氣體比熱容比，空氣為1.4，燃氣為1.33；

Ma_B由對應普朗特-邁耶角ν_B查表得，ν_B依照下式求得：

為保證在轉折點處滿足源流條件，采用經驗曲線方程如下：

噴管初始段曲線的設計用于保證氣流達到轉折點B處已形成完全的源流，則終止段曲線BC的設計在于把所述的超聲速源流轉變成需要的均勻的平行于軸線的流動；

為了要在噴口出口得到具有預設馬赫數且平行于風洞軸線的均勻流，BC段壁面必須要消除每一條達到其上的膨脹波，使其不反射；根據極限的概念，把BC、線分割為無限多個無限短的折線段，每個折角產生的都是無限微弱的壓縮波；在超聲速流場中，一切微弱擾動都是沿馬赫線傳播的，微弱波也是一條馬赫線；在超聲速流動中，特征線與馬赫線處處重合，故特征線就是馬赫線；由B點發出的右行特征線與噴管軸線交于E，顯然BC段曲線的影響只能在BE線的下游，在BEB’B區域內流動仍然是源流，當然BE線不是直線；

在源流區，根據面積比關系有：

對于M點的氣流，再轉折β角后，變為平行于風洞軸，并且達到試驗段(2)馬赫數的均勻氣流；由于β在0≤β≤β_B的范圍內變化，給定β就可以得到ν，BE線上相應的馬赫數和r也就確定，因而BE線上的每一點都是確定的；

至此，完成所述的超音速噴管(1)內壁面曲線設計。