基本介紹
- 中文名：脈衝風洞
- 外文名：Impulse Wind Tunnel
發展現狀,運行原理,基本結構,
發展現狀
當今世界幾個航空大國都建成了先進的大型脈衝風洞，總體尺寸、規模和實驗能力都處於世界領先水平。表1-1列出了國際上幾座大型脈衝風洞相關部件尺寸和模擬參數，其中美國 Calspan 公司的Lens2採用縫合接觸面運行，噴管最大口徑φ1.5m，可模擬 4572K 的總溫，完成對氣動力、氣動熱、氣動噪聲、氣動光學的測量。模型最大直徑φ0.9m，最大長度3.6m，是這三座脈衝風洞中最大的。如圖1
圖1
俄羅斯機械工程中央科學研究院 U-12 脈衝風洞是表 1-1 三座風洞中總體尺寸最大的，其驅動段和被驅動段總長達到300m，採用激波管和爆轟驅動運行方式，最大工作壓力20.0MPa，其有效實驗時間可以達到200ms。
日本國家宇航實驗室的 HIEST 脈衝風洞採用自由活塞和激波風洞兩種運行方式，能得到最大總壓150MPa，模擬4~25MJ/Kg的總焓。模擬高焓真實氣體是 HIEST 的特色，但是其實驗時間也受到了限制，只有2~6ms。如圖2
圖2
對高超聲速的研究，國內的研究機構也都建成了各自的高超聲速脈衝風洞，下面簡單介紹一下這些脈衝風洞：
(1)中國科學院力學研究所高溫氣體動力學開放實驗室（LHD）在俞鴻儒院士的主持下建成國際首座氫氧爆轟驅動高焓激波風洞 JF-10（也是世界上正式運行的第一座爆轟激波風洞）。JF-10爆轟驅動激波風洞是新型的脈衝式高焓風洞，利用氫氧爆轟產生的高溫、高壓氣體作為驅動氣體，建立高總焓及高駐室壓力的氣流狀態，用來開展飛行器再入大氣層時的真實氣體效應及相關課題的實驗研究，為高溫真實氣體效應的研究和研製我國第一代航天飛行器提供了必不可少的地面模擬設備。如圖3
圖3
JF-10 高焓爆轟激波風洞採用前向爆轟驅動方式，獲得駐室參數為Po=21.6MPa，To=8500K的縫合運行狀態，激波馬赫數為 11.6，採用膨脹比 2230、半錐角7°7’的錐形噴管，出口氣流速度達到了每秒 6 公里。
JF-10 爆轟驅動激波風洞主要由卸爆段、驅動段、被驅動段、實驗段、真空系統、充氣系統和夾模系統組成。設備總長約40m，總重量約60t。它的驅動段內徑150mm，長10m；被驅動段內徑100mm，長12m；卸爆段長4.25m，內徑430mm；喉道直徑18mm，噴管為錐形7°7’；出口直徑860mm。噴管的膨脹比為 2230。實驗段與噴管相接，內徑1200mm，長3.5m。如圖4
(2)中國科學院力學研究所 JF-8激波風洞，高壓段長9m，內徑150mm；低壓段長19m，內徑155mm；喉管直徑52mm；噴管長5m，出口直徑0.8m（M8 成型噴管）。驅動方式為冷氫和氫氧燃燒加熱氫。
(3)中國科學院力學研究所 JF-14激波風洞，高壓段長10.15m，內徑150mm；低壓段長12.26m，內徑100mm；卸爆段長4.23m，內徑425mm。喉道直徑17.8mm；噴管長1.95m，出口直徑0.5m（錐形噴管）。驅動方式為反向氫氧爆轟。
(4)中國空氣動力研究與發展中心的高超聲速低密度風洞由大功率石墨電阻加熱器、前室、噴管、實驗段、擴壓器、主氣源系統、真空系統、測控系統等構成。噴管出口直徑為300mm，噴管有 3 個喉道段，對應的出口馬赫數分別為 24，16，12。
(5)中國航天空氣動力研究院的FD-20炮風洞驅動段長10m，內徑160mm，被驅動段長15m，內徑 130mm，噴管出口直徑為480mm，實驗段為1.4mx1.2mx2m。該風洞可以提供馬赫數為6~12的高超聲速均勻流場，通過改變驅動段壓力和被驅動段壓力來調整來流總壓，風洞可以提供的總壓範圍Po=3~30MPa，雷諾數範圍Re=1x10~6x10（1/m），風洞總溫可達1200K，風洞運行時間25~50ms。如圖5
圖5
(6)南京航空航天大學 FD-14激波風洞採用氮氣或氫氣和氮氣混合氣體驅動，驅動壓力可高達80MPa，總壓達70MPa，總溫達4000K，流場動壓變化可達三個數量級。風洞由高度壓段、實驗段、充氣系統、液壓控制系統及真空系統組成。風洞通過更換喉道來獲得氣流不同的來流馬赫數，通過調節高低壓斷的壓力來獲得不同的雷諾數，以實現不同的模擬高度。該風洞所能模擬的馬赫數範圍是6~24，雷諾數範圍是1x10~6x10/m，實驗段的橫截面積是2.6mx2.6m，攻角範圍為-10°~55°，側滑角範圍為±30°，有效實驗時間為4~20ms。
運行原理
（1）自由活塞運行
自由活塞運行是脈衝風洞的一種運行方式，在主膜片由於壓力過載（可人為控制）瞬時破裂後，高壓驅動氣體使活塞突然加速，其前面形成主激波，主激波運動至副膜片使其破裂，同時激波從該處返回，經過一段距離與活塞相遇於A點，活塞減速，並從此返回，從而在活塞與噴管入口（喉部）之間形成多次激波來回運動。多次激波壓縮使活塞前的氣體壓力、溫度上升，這股能量增加的氣體經噴管喉道流出，作等熵膨脹，從而在實驗段產生均勻高超聲速流動。
圖6
這種運行方式，關鍵是平衡活塞運行技術。即通過調整活塞質量與驅動段、被驅動段壓力及其它參數的匹配關係，使活塞從高速運動到瞬時制動靜止的過程中，不發生強烈的回跳和震盪，從而保持實驗氣源參數恆定和延長。平衡活塞運行技術在理論上已有完整的分析，在小、中型設備中有成功的運用，對於2m脈衝風洞這樣大型的設備可能會有一些新的問題，須在風洞調試中探索。
自由活塞運行方式能產生相對較長的實驗時間，總溫T0≈1100K，適合於不計及燃燒過程的氣動力、氣動熱、氣動載荷等方面的實驗，因此未來主要套用於機/體一體化氣動布局、氣動特性（包括力、壓力）、熱流分布等相關實驗。如圖6
（2）激波管運行
激波管運行方式與自由活塞運行有十分相似的流動圖譜。主要差別在於激波管運行中沒有活塞，物理分析中，活塞被驅動和被驅動氣體的分界面（即接觸面）所取代。主激波在副膜處反射後形成的高溫高壓 5 區，沿噴管膨脹而形成超聲速氣流。由於激波管中的接觸面為氣體界面，反射激波可以有多種方式穿透它，而表現出激波管運行的特殊性與多樣性。反射激波可能等強度穿透界面而不發生反射，也可能穿透的同時反射為壓縮波，或者稀疏波，這些不同的穿透方式，使激波風洞有縫合運行、平衡界面運行和高P5運行等多種方式。這些方式的靈活運用，可以分別實現相對高的焓值，較長的實驗時間或者更高壓力的氣源參數等不同目的的實驗要求。
（3）驅動球技術
為了消除反射稀疏波頭對實驗時間的影響，往往採用加長高壓段長度的方法，反射型縫合接觸面激波風洞的高壓段一般比直通型激波風洞的高壓段長得多，有的採用高低壓段長度的1/2。然而，過長的高壓段將給實際操作帶來許多不利。驅動球技術，即是在高壓段末端加一個高壓球性氣罐，稱為“驅動球”，見圖7。“驅動球”與高壓段之間用一塊多孔板隔開，板上開孔的面積與板的總面積之比σ可由實驗確定，基本原則是，從驅動球通過多孔板流出的氣流質量一開始剛好足以消除稀疏波頭在多孔板上的反射。大量的激波風洞實驗確定最佳的面積比σ=1/3。採用驅動球後，高低壓段長度比可減少到約 1/5。在相同高低壓段長度比條件下，採用驅動球並且σ=1/3，與沒有驅動球相比，實驗時間大大增長。
圖7
基本結構
一種2m脈衝風洞的基本結構及相關尺寸如圖8 所示。風洞實體全長約80m，高壓段長22m，低壓段長38m，等截面內徑600mm，設計壓力30MPa，型面噴管出口直徑2m和2.5m，可調馬赫數 4、5、6、7、8、9。
圖8
（1）高低壓段
高壓段長約22m，由三根長度為7.6m的鋼管加工組裝成，鋼管之間採用卡箍式的連線方式，外徑、內徑分別為720mm、600mm，壁厚60mm。低壓段長約38m，由四根長度為9.5m的鋼管加工組裝成，其連線方式、內外徑尺寸、管壁厚度等同高壓段。高低壓段設計承受壓力30.0MPa。如圖9
圖9
卡箍連線有以下優點：結構緊湊。卡箍連線由兩個法蘭、一個卡環、兩個半圓卡箍組成, 由四個螺栓連線固定, 安裝完後內外表面整齊, 沒有台階。 安裝、拆卸方便,卡箍連線只要四個螺栓連線。
（2）第一、二夾膜機
第一、二夾膜機均採用剖分式鋸齒形螺紋擰緊結構，藉助於高壓油泵提供的動力，驅動油缸頂夾膜機構的鋸齒螺母和鋸齒螺桿緊密嚙合，從而使高壓段、上游膜片、下游膜片、低壓段等緊密地壓合，達到夾膜的目的。第一夾膜機為雙膜機構，兩道膜之間一般充壓到高壓段壓力的一半，通過快速釋放雙膜腔內氣體而實現瞬時破膜。
為了多種狀態的運行需要、膜片的裝卸、炮管的維護等方便，高低壓段可順導軌軸向移動，為此在軌道上布置多個長行程活塞，由高壓油驅動，實現洞體的軸向移動，軸向移動距離約1.5m。如圖10
圖10
（3）噴管
根據氣動實驗的需要，設定了兩套噴管，一套M=4,5,6，噴管出口口徑為2m。另一套M=7,8,9。當M=4,5,6時，噴管的氣動型面針對M=6進行，然後通過更換喉道，獲得M=4,5的噴管流動。當M=7,8,9時，噴管出口口徑為2.5m，噴管的氣動型面針對M=9進行，然後通過更換喉道，獲得M=7,8的噴管流動。更換喉道時，第二夾膜機鬆開並向上游軸向移動，以方便操作。
噴管下面設定噴管推力架，實驗時，噴管產生的巨大軸向推力作用在噴管推力架上。噴管推力架與鋼筋混凝土地面剛性相連。
噴管與實驗段非接觸式連線，通過自緊式O型圈密封。實驗時噴管產生的巨大推力將不會傳至實驗段，有利於實驗的測量和實驗段的強度設計。
（4）實驗段
實驗段和真空罐相連，為保證高超音速流場的建立，實驗前真空罐抽為真空。實 驗 段 包 括 兩 部 分 ， 上 部 分 為3800×3800×7000mm的 大 箱 體 ， 下 部 分 為1500×1400×5000mm的小箱體。小箱體的設定可以縮小實驗段的總體尺寸，降低整個實驗段對強度的要求。
實驗平台和攻角機構置於小箱體內，實驗平台通過支桿固定在鋼筋混凝土基座上，並與小箱體（實驗段）軟連線，抗干擾能力好。大箱體兩側順氣流方向各開三對圓形視窗，有效直徑500mm，視窗內配光學玻璃。實驗段下游一側設900×1800mm門一個，方便人員設備進出。箱體頂部中央開1500×5000mm門，便於安裝攻角機構和吊裝模型。此外大箱體上另開有 6 個直徑200mm的法蘭孔引導測量線路。
實驗段外壁軸向每隔450mm繞實驗段一周焊接加強筋，豎直方向亦焊接加強筋。加強筋選用標準工字鋼，型號22a。
（5）真空罐
真空罐容積 1000m，由兩個各約 500m的真空罐組成。基本形式為臥式圓筒形結構，兩端採用橢圓形封頭，壁厚 16mm。圓筒體內部焊接角鋼形加強圈，加強圈間距 1.4m。兩個真空罐之間通過 2m 直徑的圓筒連線。
