可改变来流状态的双流体喷流装置

摘要

本发明公开了一种可改变来流状态的双流体喷流装置，用于置于风洞内，包括支撑体和支撑连接于支撑体上方的喷流结构，支撑体设置有气体接头、与气体接头连通的气流通道；喷流结构内部形成有与气流通道连通的主气体稳定腔，主气体稳定腔后依序连接喷流收缩部、喷流喉部和喷流扩张部；喷流结构内部还形成有与主气体稳定腔相互隔离的扰动腔，扰动腔连接有用于供入扰动气源的进气管，扰动腔的其中一个壁板贯穿设置有连通扰动腔与外界的扰动通道，扰动通道用于供扰动腔中气体喷出与风洞喷管喷出的主流来流混合。本发明不但可实现双喷管剪切流动，还可改变风洞喷管来流的状态，满足更多种情况的实验需求，节省投资、无需更换风洞设备。

权利要求

1.一种可改变来流状态的双流体喷流装置，用于置于风洞内，其特征在于，包括支撑体(1)和支撑连接于所述支撑体(1)上方的喷流结构(2)，所述支撑体(1)设置有气体接头(10)、与所述气体接头(10)连通的气流通道(11)；

所述喷流结构(2)内部形成有与所述气流通道(11)连通的主气体稳定腔(20)，所述主气体稳定腔(20)后依序连接喷流收缩部(21)、喷流喉部(22)和喷流扩张部(23)；

所述喷流结构(2)内部还形成有与所述主气体稳定腔(20)相互隔离的扰动腔(24)，所述扰动腔(24)连接有用于供入扰动气源的进气管(25)，所述扰动腔(24)的其中一个壁板(240)贯穿设置有连通所述扰动腔(24)与外界的扰动通道(241)，所述扰动通道(241)用于供所述扰动腔(24)中气体喷出与风洞喷管(3)喷出的主流来流混合；

双流体喷流装置采用整体式设计，为一体化结构；支撑体(1)与喷流结构(2)通过一体成型制成；

喷流结构(2)由金属材料将内部掏空形成依序连通的主气体稳定腔(20)、喷流收缩部(21)、喷流喉部(22)和喷流扩张部(23)的轮廓，并在顶壁(201)和底壁(202)之间的两侧分别焊接连接一块侧板(203)，以将主气体稳定腔(20)和喷管两侧面密封，形成一个不能泄露气体的、只能从扩张部流出的方形腔室；扰动腔(24)位于主气体稳定腔(20)的上部，其底部及四周由隔板(243)与主气体稳定腔(20)隔离，其顶部的壁板(240)即为主气体稳定腔(20)的顶壁(201)；扰动腔(24)通过进气管(25)与扰动气源连接；进气管(25)的上端焊接于扰动腔(24)的底部隔板(243)，其下端穿越主气体稳定腔(20)接到腔外扰动气源；扰动气源往扰动腔(24)喷气，或者对扰动腔(24)真空抽吸；

为减小扰动腔(24)对主气体稳定腔(20)的影响，扰动腔(24)的容积≤0.1×主气体稳定腔(20)的容积。

2.根据权利要求1所述的可改变来流状态的双流体喷流装置，其特征在于，所述扰动腔(24)的数量为多个，且多个所述扰动腔(24)彼此相互隔离。

3.根据权利要求1所述的可改变来流状态的双流体喷流装置，其特征在于，所述扰动通道(241)为设置于所述壁板(240)的长条形狭缝；

或者所述扰动通道(241)包括设置于所述壁板(240)的一排通孔。

4.根据权利要求1所述的可改变来流状态的双流体喷流装置，其特征在于，所述扰动通道(241)与所述壁板(240)垂直设置；

或者所述扰动通道(241)与所述壁板(240)呈夹角设置，所述夹角为15°～145°。

5.根据权利要求1所述的可改变来流状态的双流体喷流装置，其特征在于，所述主气体稳定腔(20)的顶壁(201)上开设有通槽，于所述通槽的侧壁设置有嵌槽；

所述扰动腔(24)位于所述主气体稳定腔(20)的上部，其由位于底部及四周的隔板与嵌入式装配于所述通槽内的所述壁板(240)围成，所述壁板(240)的周缘可拆地嵌入于所述嵌槽内。

6.根据权利要求5所述的可改变来流状态的双流体喷流装置，其特征在于，所述嵌槽内设置有用于密封所述壁板(240)与所述嵌槽之间装配间隙的密封圈。

7.根据权利要求1所述的可改变来流状态的双流体喷流装置，其特征在于，所述主气体稳定腔(20)的底壁(202)包括位于后段且朝所述喷流收缩部(21)倾斜渐缩的倾斜段(2020)；

所述扰动腔(24)为带斜角(242)的方形腔体，所述斜角(242)朝向所述喷流收缩部(21)，且所述斜角(242)与所述倾斜段(2020)的倾斜角度相同。

8.根据权利要求7所述的可改变来流状态的双流体喷流装置，其特征在于，所述斜角(242)与所述倾斜段(2020)的倾斜角度为30°～45°。

说明书

可改变来流状态的双流体喷流装置

技术领域

[0001] 本发明涉及风洞实验领域，特别地，涉及一种可改变来流状态的双流体喷流装置。

背景技术

[0002] 超声速喷流装置，用于在(高)超声速风洞中进行试验，以实现高速双喷管流动。风洞内超声速流动或高超声速流动为主流流动，而超声速喷流装置放置于风洞内，试验时，两股高速流动会发生剪切混合，形成高速双喷管流动。

[0003] 目前的超声速喷流装置仅包括：气体稳定腔、收缩部、喷管喉道、扩张部、进气口。由于目前的超声速喷流装置仅仅在出口处喷流与主流流动发生混合，而主流的来流状态不可变化，来流实验状态不可调整，现有的超声速喷流装置无法满足不同的实验目标需求。

发明内容

[0004] 本发明提供了一种可改变来流状态的双流体喷流装置，以解决现有的超声速喷流装置无法改变来流状态导致无法满足不同的实验目标需求的技术问题。

[0005] 本发明采用的技术方案如下：

[0006] 一种可改变来流状态的双流体喷流装置，用于置于风洞内，包括支撑体和支撑连接于支撑体上方的喷流结构，支撑体设置有气体接头、与气体接头连通的气流通道；喷流结构内部形成有与气流通道连通的主气体稳定腔，主气体稳定腔后依序连接喷流收缩部、喷流喉部和喷流扩张部；喷流结构内部还形成有与主气体稳定腔相互隔离的扰动腔，扰动腔连接有用于供入扰动气源的进气管，扰动腔的其中一个壁板贯穿设置有连通扰动腔与外界的扰动通道，扰动通道用于供扰动腔中气体喷出与风洞喷管喷出的主流来流混合。

[0007] 进一步地，扰动腔的容积小于主气体稳定腔的容积。更进一步地，扰动腔的容积≤0.1×主气体稳定腔的容积。

[0008] 可选地，扰动腔的数量为多个，且多个扰动腔彼此相互隔离。

[0009] 作为上述方案的一种实施方式，扰动通道为设置于壁板的长条形狭缝。作为上述方案的另一种实施方式，扰动通道包括设置于壁板的一排通孔。

[0010] 可选地，扰动通道与壁板垂直设置；或者可选地，扰动通道与壁板呈夹角设置，夹角为15°～145°。

[0011] 可选地，主气体稳定腔的顶壁上开设有通槽，于通槽的侧壁设置有嵌槽；扰动腔位于主气体稳定腔的上部，其由位于底部及四周的隔板与嵌入式装配于通槽内的壁板围成，壁板的周缘可拆地嵌入于嵌槽内。进一步地，嵌槽内设置有用于密封壁板与嵌槽之间装配间隙的密封圈。

[0012] 进一步地，主气体稳定腔的底壁包括位于后段且朝喷流收缩部倾斜渐缩的倾斜段；扰动腔为带斜角的方形腔体，斜角朝向喷流收缩部，且斜角与倾斜段的倾斜角度相同。

[0013] 进一步地，斜角与倾斜段的倾斜角度为30°～45°。

[0014] 本发明具有以下有益效果：对于目前单喷管为主的超声速风洞，只要配上本发明的双流体喷流装置，即可实现双喷管剪切流动，不需要对来流喷管和风洞进行改造；本发明的可改变来流状态的双流体喷流装置，通过与主气体稳定腔相互隔离的扰动腔，扰动气源从进气管进入扰动腔，并经扰动通道喷出与风洞喷管喷出的主流来流混合，从而改变风洞喷管来流的状态，满足更多种情况的实验需求。采用本发明的结构不需要改变风洞喷管状态，能够节省投资、设计工作和风洞设备更换等，可以实现超声速双流体流动，同时来流状态品质可以改变。

[0015] 除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照附图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

[0016] 构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

[0017] 图1是本发明第一实施例的可改变来流状态的双流体喷流装置的立体结构示意图；

[0018] 图2是图1中双流体喷流装置未示出侧板时的示意图；

[0019] 图3是图1中双流体喷流装置的主视图；

[0020] 图4是喷流结构的示意图；

[0021] 图5是扰动腔的示意图；

[0022] 图6是本发明第二实施例的可改变来流状态的双流体喷流装置未示出侧板时的示意图；

[0023] 图7是本发明第三实施例的可改变来流状态的双流体喷流装置未示出侧板时的示意图；

[0024] 图8是本发明的双流体喷流装置置于风洞内的示意图；

[0025] 图9是用于正压扰动时的扰动气源装置的示意图；

[0026] 图10是本发明的双流体喷流装置进行正压扰动调节来流状态的示意图；

[0027] 图11是用于负压扰动时的扰动气源装置的示意图；

[0028] 图12是本发明的双流体喷流装置进行负压扰动调节来流状态的示意图。

[0029] 附图标号说明：

[0030] 1、支撑体；10、气体接头；11、气流通道；12、固定部；2、喷流结构；20、主气体稳定腔；201、顶壁；202、底壁；203、侧板；2020、倾斜段；21、喷流收缩部；22、喷流喉部；23、喷流扩张部；24、扰动腔；240、壁板；241、扰动通道；242、斜角；243、隔板；25、进气管；26、尖劈前体；3、风洞喷管；40、储气瓶；41、压力调节阀；42、气体管路；43、电磁阀；44、软管；50、真空泵；
51、气体管路；52、抽吸电磁阀；53、抽吸软管。

具体实施方式

[0031] 需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

[0032] 参照图1和图8，本发明的优选实施例提供了一种可改变来流状态的双流体喷流装置，用于置于风洞内，包括支撑体1和支撑连接于支撑体1上方的喷流结构2。

[0033] 如图1至图3中所示，支撑体1设置有气体接头10、与气体接头10连通的气流通道11。喷流结构2内部形成有与气流通道11连通的主气体稳定腔20，主气体稳定腔20后为喷管，喷管包括依序连接的喷流收缩部21、喷流喉部22和喷流扩张部23。喷流结构2内部还形成有与主气体稳定腔20相互隔离的扰动腔24，扰动腔24连接有用于供入扰动气源的进气管
25，扰动腔24的其中一个壁板240贯穿设置有连通扰动腔24与外界的扰动通道241，扰动通道241用于供扰动腔24中气体喷出与风洞喷管3喷出的主流来流混合。

[0034] 对于目前单喷管为主的超声速风洞，只要配上本发明的双流体喷流装置，即可实现双喷管剪切流动，不需要对来流喷管和风洞进行改造。本发明的双流体喷流装置，通过与主气体稳定腔20相互隔离的扰动腔24，扰动气源从进气管25进入扰动腔24，并经扰动通道241喷出与风洞喷管3喷出的主流来流混合，从而改变风洞喷管3来流的状态，满足更多中情况的实验需求。采用本发明的结构不需要改变风洞喷管3状态，能够节省投资、设计工作和风洞设备更换等，可以实现超声速双流体流动，同时来流状态品质可以改变。

[0035] 本发明的双流体喷流装置采用整体式设计，为一体化结构。支撑体1与喷流结构2通过一体成型制成，或者通过焊接等制造工艺连接成整体，相互干扰少，模型的加工、维修、维护方便，外形简洁。本发明由于是一体化的整体式结构，在保证喷流品质的前提下，本发明的双流体喷流装置尺寸上可以做成更小，长度上可以更短，从而满足(高)超声速风洞堵塞度的要求，以及尾部模型必须放置于(高)超声速风洞实验的菱形区域的要求。

[0036] 支撑体1用于支撑其上方的喷流结构2。支撑体1的整体呈竖直设置。气流通道11设置于支撑体1的前侧，气流通道11的后侧设置有固定部12，且固定部12的截面小于的其前侧部分的截面。固定部12上开设有的多个通孔，用于与支撑装置(未图示)连接固定，固定部12的设置使得本发明的装置在风洞内的安装容易，拆卸方便。气体接头10可通过螺纹连接的方式与外界气体供应装置相连，用于往气流通道11内供入气体。

[0037] 参照图2和图3，本优选实施例中，喷流结构2由金属材料将内部掏空形成依序连通的主气体稳定腔20、喷流收缩部21、喷流喉部22和喷流扩张部23的轮廓，并在顶壁201和底壁202之间的两侧分别焊接连接一块侧板203，以将主气体稳定腔20和喷管两侧面密封，形成一个不能泄露气体的、只能从扩张部流出的方形腔室。

[0038] 喷流结构2还包括位于主气体稳定腔20前端、用于正对风洞喷管3的出口的尖劈前体26，尖劈前体26的尖锐端位于整个装置的最前端。支撑体1的前缘在前后方向上位于喷流结构2前端尖劈前体26的后方。尖劈前体26的尖锐端位于整个装置的最前端，也是最早接触到(高)超声速气流的部分。如此设计，可以避免来流出现正激波，确保来流压力准确，以提(高)实验的准确性。

[0039] 本实施例中，扰动腔24位于主气体稳定腔20的上部，其底部及四周由隔板243与主气体稳定腔20隔离，其顶部的壁板240即为主气体稳定腔20的顶壁201。

[0040] 扰动腔24通过进气管25与扰动气源连接。进气管25的上端焊接于扰动腔24的底部隔板243，其下端穿越主气体稳定腔20接到腔外扰动气源。扰动气源往扰动腔24喷气，或者对扰动腔24真空抽吸。

[0041] 进一步地，为减小扰动腔24对主气体稳定腔20的影响，本发明中，扰动腔24的容积小于主气体稳定腔20的容积。优选地，扰动腔24的容积≤0.1×主气体稳定腔20的容积，如此设计，扰动腔24的体积远远小于主气体稳定腔20的容积，因此不会对主气体稳定腔20稳压效果造成任何影响。

[0042] 进一步地，主气体稳定腔20的底壁202包括位于后段且朝喷流收缩部21倾斜渐缩的倾斜段2020。扰动腔24是一个带斜角242的方形腔体。斜角242位于喷流收缩部21的前方。斜角242朝向喷流收缩部21，且斜角242与倾斜段2020的倾斜角度相同。参照图4，本实施例中，主气体稳定腔20的高度为h1、宽度为w1、其后部倾斜段2020的夹角为a1。扰动腔24的为高度h2、宽度为w2、后部斜角242的夹角为a2。主气体稳定腔20高度h1、宽度w1受模型尺寸限制基本确定。本发明中，为防止扰动腔24对主气体稳定腔20的影响，对于扰动腔24，设计扰动腔24的宽度w2≤0.3w1，h2≤0.35w1。为保证主气体稳定腔20气流平稳流动到喷管入口，本发明中，设计斜角242与倾斜段2020的倾斜角度相同：30°≤a1＝a2≤45°。

[0043] 本发明中，扰动通道241既可以与壁板240垂直设置，也可以设计为与壁板240呈夹角设置。

[0044] 参照图1和图5，本实施例中，扰动通道241为设置于壁板240的长条形狭缝。扰动狭缝的宽度为w3，扰动狭缝与水平线的夹角为a3。正压扰动的气体是从扰动狭缝喷出，负压扰动从扰动狭缝抽吸。为保证不破坏主流来流的基本流动状态，同时确保可靠的加工制造，本发明优选W3的取值范围0.3mm≤w3≤3mm。优选地，a3取值范围15°≤a3≤145°。

[0045] 参照图6，作为本发明的第二实施例，其与第一实施例基本原理相同，不同之处在于，本实施例中，围成扰动腔24的壁板240为可拆式结构。

[0046] 本实施例中，主气体稳定腔20的顶壁201上开设有通槽，于通槽的侧壁设置有嵌槽。扰动腔24位于主气体稳定腔20的上部，其由位于底部及四周的隔板243与嵌入式装配于通槽内的壁板240围成，壁板240的周缘可拆地嵌入于嵌槽内。为保证扰动腔24的密封性能，在嵌槽内设置有用于密封壁板240与嵌槽之间装配间隙的密封圈。例如，可以在通槽的侧壁开设U型嵌槽，并在嵌槽内装配U型的密封圈，且密封圈具备弹性，通过将壁板240的周缘卡入U型密封圈内，通过壁板240周缘对密封圈的挤压实现壁板240与顶壁201的固定和密封配合。或者，也可以通过斜插导入的方式将壁板240装配于嵌槽内。本实施例中，扰动狭缝开在嵌入式的壁板240上面，如此可通过更换不同的壁板240，以改变狭缝形状、狭缝尺寸、狭缝角度，从而改变壁板240上面流动气体状态，即改变风洞喷管3来流的状态。此种设计只需要依据实验要求更换具有不同扰动通道241的壁板240即可，不需要改变风洞喷管3的状态，节省了大量投资、设计工作及风洞设备更换等，只需要一个小模型，就可以实现超声速双流体流动，同时来流状态品质可以改变。

[0047] 参照图7，作为本发明的第三实施例，其与第一实施例基本原理相同，不同之处在于，扰动通道241包括设置于壁板240的一排通孔。

[0048] 本实施例中，在扰动腔24上表面即壁板240上布置一排圆形的通孔。正压扰动的气体是从圆孔阵列喷出，负压扰动从圆孔阵列抽吸，从而改变主流的运行状态。为保证不破坏主流来流的基本流动状态，同时确保可靠的加工制造，本实施例中，通孔的直径d的取值范围优选为0.5mm≤d≤2mm。相邻两个圆形通孔之间的中心距离L的取值范围优选为1.5W3≤L≤3W3。通孔与水平面的夹角a3的取值范围同样为30°≤a3≤145°最佳。

[0049] 参照图1和图8，本发明的双流体喷流装置置于风洞内实验时，气体流向如下:

[0050] 外界气体通过气体接头10进入气流通道11，然后进入主气体稳定腔20，由于主气体稳定腔20室的体积远远大于喷流喉部22及喷流出口，因此主气体稳定腔20室内的气体压力将非常平稳，不会出现气体波动、脉动。稳定后的气体进入喷流收缩部21，在喷流收缩部21作用下加速，至喷流喉部22达到声速，喷流喉部22是喷流装置最小部分，通过喷流喉部22后的气体在喷流扩张部23的作用下进一步加速成超声速气流V2，并从出口喷出。出口喷出的超声速气流V2与前方来流主流V1混合剪切，形成双喷管流动，达到图8所示的基本效果。
该装置的重要意义是对于目前单喷管为主的超声速风洞，只要配上这一装置，即可实现双喷管剪切流动，不需要对来流喷管和风洞进行改造。

[0051] 采用本发明的双流体喷流装置对来流状态的调节分两种情况，一是正压扰动，二是负压扰动。

[0052] 正压扰动需另外配置如图9中所示的扰动气源装置：储气瓶40、压力调节阀41、气体管路42、电磁阀43、软管44。基本原理是从储气瓶40出来的气体通过压力调节阀41调节到合适压力，电磁阀43打开后，气体通过软管44进入进气管25，再进入扰动腔24，通过扰动通道241喷射出去，从而影响改变(高)超声速主流运行状态，如图10中所示。

[0053] 负压扰动需另外配置如图11中所示的扰动气源装置：真空泵50、气体管路51、抽吸电磁阀52、抽吸软管53。基本原理是真空泵50启动，抽吸电磁阀52打开通过抽吸软管53连接进气管25对扰动腔24进行抽吸，让扰动腔24达到负压状态，扰动通道241内部的压力小于外部超声速主流的气体压力，(高)超声速主流会收到负压抽吸作用，从而改变(高)超声速主流运行状态，如图12中所示。

[0054] 在其它实施例中，扰动腔24的数量也可以为多个，例如两个甚至三个，且多个扰动腔24彼此相互隔离。各腔室相互隔离，用于实现不同功能。

[0055] 本发明的双流体喷流模型，不但可以实现超声速气流与前方来流主流混合剪切形成双喷管流动，同时还可以改变来流状态，满足更多的实验需求，实际应用效果更佳，性能稳定，使用可靠。

[0056] 以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。