[發明專利]用于高雷諾數高超聲速風洞的氣體活塞式加熱器氣動布局

在審

• 申請號: 202310022554.0
• 申請日: 2023-01-08
• 公開（公告）號: CN115931281A
• 公開（公告）日: 2023-04-07
• 發明（設計）人: 陳久芬;巢根明;許曉斌;蔣萬秋;范孝華;劉楓;鄒東陽;侯峰偉;張云;龔秀川
• 申請（專利權）人: 中國空氣動力研究與發展中心超高速空氣動力研究所
• 主分類號: G01M9/04
• 分類號: G01M9/04
• 代理公司: 北京中濟緯天專利代理有限公司 11429
• 代理人: 王丹

本發明屬于高超聲速風洞設備領域，公開了一種用于高雷諾數高超聲速風洞的氣體活塞式加熱器氣動布局。氣體活塞式加熱器氣動布局包括從下至上依次連通的冷罐和加熱器缸體，加熱器缸體外環繞發熱元件；冷罐的內部空腔為冷腔，加熱器缸體的內部空腔為熱腔；冷罐的底面開有冷氣入口，冷氣入口直徑遠小于冷腔的內徑；冷罐的頂面開有連通熱腔的冷氣出口，在冷氣出口設置有導流臺；加熱器缸體的頂面開有熱氣出口。氣體活塞式加熱器氣動布局采用冷氣驅動熱氣的氣體活塞驅動運行方式，能夠確保熱氣出口的熱氣壓力、溫度恒定，同時可以充分利用熱腔內部的超高壓超高溫熱氣，使得高雷諾數高超聲速風洞有效運行時間延長，可達1秒至數十秒。

技術領域

本發明屬于高超聲速風洞設備領域，具體涉及一種用于高雷諾數高超聲速風洞的氣體活塞式加熱器氣動布局。

背景技術

常規高超聲速風洞通常用空氣作試驗介質，最大運行馬赫數一般為10，氣流最高總壓12MPa，氣流最高總溫1082K，雷諾數較低。由于氣體流速高，達到馬赫數5至10，氣流經噴管而劇烈膨脹將造成水蒸汽和二氧化碳發生凝結，造成流場的不均勻性，使得試驗數據不準確，這在高超聲速風洞氣動試驗中是不允許的。因此，在以高速空氣為介質的常規高超聲速風洞中需要設置加熱器，將氣流加熱到所需要的防冷凝溫度。常規高超聲速風洞上采用的加熱器通常分為兩種類型，即：直熱式加熱器和蓄熱式加熱器。直熱式加熱器是氣流與金屬電阻帶或者電阻絲等直接換熱，實現氣流加熱；直熱式加熱器由金屬發熱元件（電阻帶或者電阻絲）、隔熱層、整體鍛件式承壓殼體組成。蓄熱式加熱器是通過金屬發熱元件預先加熱內部蓄熱體，然后氣流與蓄熱體換熱，實現氣流加熱；蓄熱式加熱器由金屬發熱元件（鎧裝電熱管）、金屬蓄熱體或者卵石床蓄熱體、隔熱層、整體鍛件式承壓殼體組成。直熱式加熱器和蓄熱式加熱器最高運行總溫在1373K以下，最高總壓在幾十兆帕以下，可以滿足常規高超聲速風洞試驗氣流加熱需求及風洞數秒至數十秒運行時間要求。

由于高雷諾數高超聲速風洞可以同時模擬高雷諾數和高馬赫數，運行馬赫數遠大于10，氣流最高總壓200MPa，氣流最高總溫2300K，風洞雷諾數較高。為了滿足對試驗氣流的加熱需求和風洞運行指標要求，高雷諾數高超聲速風洞的加熱器需要滿足以下要求：

1.加熱器最高運行總壓需要達到200MPa，最高工作溫度需要達到2300K；

2.加熱器所加熱的超高溫超高壓氣流要滿足風洞運行時間大于1秒，單次試驗加熱器提供的超高溫超高壓試驗氣流的體積需要幾立方；

3.高雷諾數高超聲速風洞運行過程中，加熱器出口氣流溫度、壓力需保持不變，為200MPa、2300K；

4.超高溫超高壓試驗空氣潔凈、無污染。

常規高超聲速風洞使用的直熱式加熱器和蓄熱式加熱器無法滿足高雷諾數高超聲速風洞試驗氣流加熱溫度和使用壓力需求。為了獲得超高溫、超高壓試驗氣流，常用的手段是采用激波風洞或者爆轟驅動方式，但是，激波風洞或者爆轟驅動方式獲得的超高溫、超高壓試驗氣流維持時間短，約幾毫秒至幾百毫秒，且激波風洞或者爆轟驅動方式起動過程中的沖擊載荷與氣動力載荷難以區分，導致氣動力數據的精準度遠低于常規高超聲速風洞；或者采用非金屬發熱元件加熱器直接對試驗氣流加熱、升壓至2300K、200MPa后，打開加熱器出口閥門，但是，將導致加熱器出口氣流溫度、壓力逐漸下降，不滿足高雷諾數高超聲速風洞運行指標要求。

為了解決直熱式加熱器和蓄熱式加熱器無法滿足高雷諾數高超聲速風洞試驗氣流加熱溫度和使用壓力需求、激波風洞或者爆轟驅動方式運行時間短、加熱器直接釋放熱氣導致出口氣流溫度、壓力逐漸下降等問題，當前，亟需發展一種用于高雷諾數高超聲速風洞的氣體活塞式加熱器氣動布局。

發明內容

本發明所要解決的技術問題是提供一種用于高雷諾數高超聲速風洞的氣體活塞式加熱器氣動布局，解決直熱式加熱器和蓄熱式加熱器無法滿足高雷諾數高超聲速風洞試驗氣流加熱溫度和使用壓力需求，激波風洞或者爆轟驅動方式運行時間短、加熱器直接釋放熱氣導致出口氣流溫度、壓力逐漸下降等問題。