一种改善高超声速风洞直角拐弯管道气流速度分布的装置

技术领域

本发明属于高超声速风洞试验设备领域，具体涉及一种改善高超声速风洞直角拐弯管道气流速度分布的装置。

背景技术

高压气源管道是高超声速风洞的重要部件，需要从高压气源一直连接到高超声速风洞的喷管/稳定段之前，为高超声速风洞持续供应试验所需的高速气流，保障高超声速风洞的正常运行。同时，高压气源管道内高速气流的速度分布对于高超声速风洞流场品质具有显著影响，应尽量提高高压气源管道内高速气流的均匀性。

一般情况下，高超声速风洞的高压气源管道需要经过多次的转向才能满足高超声速风洞的布局需要，同时把高速气流输送到高超声速风洞的喷管/稳定段入口，沿程存在若干直角拐弯管道。高速气流在经过直角拐弯管道时，发生90°偏转，同时受到离心力的作用，导致拐弯处外壁的气流附面层以及拐弯下游内壁的气流附面层均处于逆压梯度条件下，容易发生流动分离，进而导致管道内的高速气流流经过拐弯后，位于拐弯外侧区域的气流速度高，拐弯内侧区域的气流速度低，产生了同一截面气流速度分布的不均匀，影响高超声速风洞下游稳定段和喷管的流场品质，进而对高超声速风洞试验数据产生干扰。

因此，有必要对经过直角拐弯管道的高速气流进行整流，降低直角拐弯对气流速度分布带来的不利影响，改善直角拐弯下游气流的流场品质。通常，高超声速风洞直角拐弯管道的整流方式是安装蜂窝器和延长下游稳定段的长度，利用蜂窝器将拐弯后的气流方向调整到管道轴线方向，并在较长的稳定段内实现高速气流与低速气流的自然对流，达到改善气流速度分布不均匀性的目的。

常规的高超声速风洞直角拐弯管道的整流方式存在以下不足之处：

a.蜂窝器只起到减小管道气流旋涡，使气流流向与管道轴线方向趋于一致的作用，但没有改善管道内速度分层的问题；

b.安装蜂窝器导致管道的流通面积减小，气流速度加快，会带来一定的压力损失；若管道内为高温气流，蜂窝器自身的热沉还会带走一部分气流的热量，产生温度损失；

c.稳定段内气流静压分布很快能够实现平衡，但速度分布的均匀性通过自然对流进行调节，效率较低，需要较长的稳定段长度才能达到目的；

d.高超声速风洞蜂窝器和稳定段的造价成本高，并且要改变风洞的气动布局和设备规模，代价较大。

当前，亟需发展一种改善高超声速风洞直角拐弯管道气流速度分布的装置。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种改善高超声速风洞直角拐弯管道气流速度分布的装置，用以解决降低直角拐弯对管道内气流速度分布带来的不利影响。

本发明的改善高超声速风洞直角拐弯管道气流速度分布的装置，其特点是，所述的装置由弯管段、直管段、导流锥体、可拆卸式活动连接件和管道连接附件组成；直管段位于弯管段的下游，直管段与弯管段采用管道连接附件连接；导流锥体位于弯管段下游气流高速区一侧管道内壁面，导流锥体与弯管段采用可拆卸式活动连接件连接；导流锥体与弯管段内壁面共同形成过流气体通道；

弯管段的口径为管道内径D，呈90°布局，流经管道的气流方向发生90°偏转，弯管段下游开有多个螺纹孔，用于固定导流锥体，同时通过螺纹孔的不同组合调整导流锥体的位置；

直管段的口径为管道内径D；

导流锥体采用型面结构，材质为耐高温材料，适于承受1100K高温来流，分为外侧壁面、压缩锥面和膨胀锥面，导流锥体的外侧壁面直径D

进一步地，所述的导流锥体与弯管段进口中心线之间的距离d取值与来流状态、管道内径D，以及压缩锥面半锥角θ

进一步地，所述的压缩锥面半锥角θ

进一步地，所述的管道连接附件由法兰、螺栓、螺母和密封垫组成；弯管段和直管段的接触端面设置有法兰，法兰内嵌密封垫；弯管段和直管段通过沿法兰周向分布的螺栓，以及固定螺栓的螺母实现固定连接，通过密封垫实现密封。

进一步地，所述的可拆卸式活动连接件由螺钉、密封圈、堵头组成；螺钉和堵头均与螺纹孔匹配，螺钉和堵头均套装密封圈后安装在螺纹孔中；螺钉用于固定导流锥体，堵头用于封堵剩余的螺纹孔。

进一步地，所述的密封圈和密封垫的密封压力等级为12MPa。

本发明的改善高超声速风洞直角拐弯管道气流速度分布的装置具有以下优点：

1.采用导流锥体强制管道内的高速区气流流向低速区，即高速区气流流经导流锥体时先受到压缩并流向低速区，然后再膨胀填满整个管道流道，使得不同速度的气流掺混，能够有效改善直角拐弯下游气流的速度均匀性；

2.采用可拆卸式活动连接件，使得导流锥体连接方式简单、可靠，还能够根据需要进行拆装、调整和更换；

3.通过配套多个规格的导流锥体，实现不同流量状态直角拐弯管道内气流速度分布的有效控制；

4.采用管道连接附件能够降低直角拐弯管道气流整流装置的投资成本，缩短安装周期。

本发明的改善高超声速风洞直角拐弯管道气流速度分布的装置，在直角拐弯下游气流高速区一侧管道内壁面的安装导流锥体，高速区气流流经导流锥体时先受到压缩并流向低速区，然后再膨胀填满整个管道流道，实现了不同速度气流的强制掺混，降低了直角拐弯对管道内气流速度分布带来的不利影响，改善了直角拐弯下游气流的速度均匀性，提高了直角拐弯管道下游风洞的流场品质，并降低了研制成本。还能够通过更换不同规格的导流锥体以及调整导流锥体安装位置，实现不同流量状态管道内气流速度分布的优化控制。

本发明的改善高超声速风洞直角拐弯管道气流速度分布的装置既能够有效提升管道内气流通过直角拐弯后的速度均匀性，又能够降低装置的成本和复杂性，可推广应用于不同截面形状直角拐弯流道内气流的整流，具有工程实用价值。

附图说明

图1为高速气流通过带直角拐弯管道的气流分布示意图；

图2为高速气流通过安装导流锥体的带直角拐弯管道的气流分布示意图；

图3a为导流锥体构型示意图（主视剖面图）；

图3b为导流锥体构型示意图（侧视剖面图）；

图4为导流锥体安装示意图。

图中，1.弯管段；2.直管段；3.拐弯处外壁附面层流动分离；4.拐弯下游内壁附面层流动分离；5.导流锥体；6.外侧壁面；7.压缩锥面；8.膨胀锥面；9.螺钉；10.密封圈；11.堵头；12.螺栓；13.法兰；14.螺母；15.密封垫。

具体实施方式

下面结合附图和实施例详细说明本发明。

实施例1：

如图1、图2所示，本实施例的改善高超声速风洞直角拐弯管道气流速度分布的装置，其特征在于，所述的装置由弯管段1、直管段2、导流锥体5、可拆卸式活动连接件和管道连接附件组成；直管段2位于弯管段1的下游，直管段2与弯管段1采用管道连接附件连接；导流锥体5位于弯管段1下游气流高速区一侧管道内壁面，导流锥体5与弯管段1采用可拆卸式活动连接件连接；导流锥体5与弯管段1内壁面共同形成过流气体通道；

弯管段1的口径为管道内径D，呈90°布局，流经管道的气流方向发生90°偏转，弯管段1下游开有多个螺纹孔，用于固定导流锥体5，同时通过螺纹孔的不同组合调整导流锥体5的位置；

直管段2的口径为管道内径D；

如图3a、图3b、图4所示，导流锥体5采用型面结构，材质为耐高温材料，适于承受1100K高温来流，分为外侧壁面6、压缩锥面7和膨胀锥面8，导流锥体5的外侧壁面直径D

进一步地，所述的导流锥体5与弯管段1进口中心线之间的距离d取值与来流状态、管道内径D，以及压缩锥面半锥角θ

进一步地，所述的压缩锥面半锥角θ

进一步地，所述的管道连接附件由法兰13、螺栓12、螺母14和密封垫15组成；弯管段1和直管段2的接触端面设置有法兰13，法兰13内嵌密封垫15；弯管段1和直管段2通过沿法兰13周向分布的螺栓12，以及固定螺栓12的螺母14实现固定连接，通过密封垫15实现密封。

进一步地，所述的可拆卸式活动连接件由螺钉9、密封圈10、堵头11组成；螺钉9和堵头11均与螺纹孔匹配，螺钉9和堵头11均套装密封圈10后安装在螺纹孔中；螺钉9用于固定导流锥体5，堵头11用于封堵剩余的螺纹孔。

进一步地，所述的密封圈10和密封垫15的密封压力等级为12MPa。

从图1、图2可以看出，安装导流锥体5前，高速气流的截面气流分布V经过弯管段1后，由于存在拐弯处外壁附面层流动分离3和拐弯下游内壁附面层流动分离4，得到的截面气流分布U明显存在气流分层，靠外壁的流速高于靠内壁的流速；安装导流锥体5后，明显改善了截面气流分布U的气流分层现象，流速更加均匀。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅限于说明书和实施方式中所列运用，对于熟悉本领域的人员而言，在不脱离本发明原理的前提下，本发明公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。