超声速风洞喷管冷却结构的多目标优化设计

针对某风洞喷管提出了一种水冷结构,即在喷管前后段壁内设置了24组流道,而在喉部区域壁内错排布置扰流柱阵列。采用气热耦合-结构热分析的数值模拟方法对喷管整体结构的流动、换热、刚度性能进行了计算和分析。计算结果表明:冷却水量为1 kg/s时,与基础件相比,提出的冷却结构的概念件平均冷却效率提升0.68%,喉部等效应变减小5%左右。采用了响应面模型近似方法和多岛遗传算法对概念件进行了多目标优化计算,结果表明:冷却水量为2.142 9 kg/s时,与概念件对比,优化件壁面最高温度可以降低1.6 K左右,喉部等效应变减小约10%。喷管冷却结构设计及其多目标优化方法为风洞喷管型面有效的热防护设计提供一定的参考。

Ludwieg管向超声速流域拓展的设计技术

Ludwieg管风洞能低成本、高效率地产生低湍流度的高超声速气流,被广泛用于高超声速(马赫数6及以上)基础空气动力学实验研究。尽管Ludwieg管式高超声速风洞逐渐普及,但是基于Ludwieg管风洞管原理建设的超声速风洞并不多见,制约了实验人员对超声速空气动力学问题的研究。本文以拓展德国不伦瑞克工业大学马赫数6Ludwieg管风洞到马赫数3流域为例,详细介绍了串列式喷管Ludwieg式超声速风洞的设计技术。串列式喷管Ludwieg式超声速风洞在传统Ludwieg管风洞的结构基础上额外引入一个Laval喷管(第一段Laval喷管)和稳定段,并重新设计试验段对应的Laval喷管(第二段Laval喷管),最终获得超声速流动。文章首先介绍了串列式喷管Ludwieg式超声速风洞的空气动力设计原理;之后分别介绍了不同部件在这种风洞上的优化设计方法;最后,针对这种风洞的独特设计特点,对其将来的发展方向以及科研应用背景进行了展望。串列式喷管Ludwieg式超声速风洞基于常规的Ludwieg式管风洞改建而成,在继承原Ludwieg管风洞优点的同时,以极低的成本拓展了原风洞的运行速域,极其适合高校和科研机构用于开展超声速空气动力学的基础实验研究。