Influence of shock attenuation on tailored operation in free piston shock tunnels

The free piston shock tunnel is a type of shock tunnel with high performance. For this type of tunnel, the influence mechanism of shock wave attenuation on tailored operation is explored by numerical simulation and theoretical analysis. By introducing the normalized velocity, the simple constraint equation for shock wave under the tailored operation is deduced. Moreover, the real gas effect is also taken into account in this equation. Based on the equation, the tailored operation of shock tunnels can be predicted with very few calculations. The present study shows that the change rate of the thermodynamic state of the gas behind the shock wave is inconsistent with the attenuation rate of the shock wave, which is the fundamental reason why the wind tunnel achieves tailored operation at a lower Mach number of shock waves. This lower Mach number of shock waves differs from the corresponding ideal value by a factor, which is about the square root of shock attenuation rate.

大尺寸自由活塞激波风洞自由流参数诊断方法

高焓激波风洞自由流具有一定程度的热化学非平衡,使得流场参数的确定存在困难。针对大尺寸自由活塞高焓激波风洞的总温2 700~4 700 K、总压5.6~20.3 MPa条件,采用非接触吸收光谱技术、接触测量技术等测试技术,结合多温度多组分数值模拟方法,共同诊断喷管名义马赫数10出口自由流的参数。结果显示,温度测量值与计算值最大偏差小于7.5%,速度测量值与计算值最大偏差小于5%,NO浓度测量值与计算中最大偏差小于12%。

自由活塞激波风洞

自由活塞激波风洞是一种使用自由活塞压缩器驱动的高焓脉冲型激波风洞。这种风洞是由R J Stalker提出并在澳大利亚国立大学首先建成和逐渐发展起来的高焓实验设备。经过30多年的改进与发展,日趋完善,现已成为研究高超声速气动加热、计及真实气体效应的气体动力学现象、特别是超声速或高超声速燃氢冲压发动机(scamjet)的重要设备之一,受到国际上航空航天界的重视。本文概述了自由活塞激波风洞的发展过程,系统地阐述了这种设备的结构特点和运行原理,给出了性能参数的计算方法和算例,及其性能指标,并讨论了这类风洞的优缺点。

高焓激波风洞自由活塞速度测量系统

为解决在瞬时高温高压环境中获取自由活塞运行速度且不影响活塞运行的问题,本文通过应用活塞表面处理、光纤传感器灵敏度调整、压力传感器复核校对、激光传感器防护测距、同步数据采集系统搭建等方法,设计了一种多传感器融合的活塞速度监测系统,使得测试的活塞最大速度检测误差小于3%。系统投入运行后,获取了丰富的活塞整体运行信息,尤其是末端运行规律,为风洞运行调试提供了有力支撑。

高超声速激波风洞研究进展

回顾了高超声速激波风洞的研制与发展,并依据高超声速实验研究对地面实验模拟技术的要求,分别介绍了应用轻气体、自由活塞和爆轰驱动技术研制的主要激波风洞的性能、特点和存在问题.重点介绍了爆轰驱动高焓激波风洞的3种主要运行模式:反向、正向爆轰驱动与双爆轰驱动.根据这些运行模式的工作原理,分析了应用这些驱动技术产生的高温、高压气源的特点,探讨了不同驱动技术可能影响激波风洞性能的关键问题与解决方法.目前发展的激波风洞已经能够用于开展马赫数3～30的高超声速流动的试验模拟研究,但是试验气流的品质还不能满足高超声速科技研究的需求.为了获得可靠的实验结果,通过不断改进、完善、提高激波风洞的性能,尽可能复现高超声速飞行条件是今后主要的研究方向.

膜片非理想打开行为对自由活塞激波风洞运行的影响

在自由活塞激波风洞中,主膜片非理想打开行为可能对活塞运动和激波形成产生不同程度的影响。基于膜片的剪切-应变模型和活塞动力学模型,得到了膜片打开-活塞运动的耦合方程组,完成了膜片动态打开过程对活塞运动和常压力驱动时间影响的刻画。研究显示:由于活塞前脸压力和活塞速度之间存在博弈,膜片打开行为的差异性对活塞末端速度影响不大,活塞在压缩管末端可以实现"软着陆"。此结论得到试验证实。试验结果还显示:主膜片非理想打开行为对激波形成的影响较大,但是随着激波的传播,这种影响逐渐减弱。

自由活塞激波风洞压缩管非等熵流动分析

在自由活塞驱动的高超声速地面试验设备中,自由活塞压缩器的运行状态对于试验气流状态参数、试验时间及设备安全性起到决定性的作用.研究基于FD-21自由活塞激波风洞结构参数,针对典型的活塞压缩器运行状态展开数值模拟和等熵理论预测,分析压缩管中的波系结构和非等熵效应引起的流动参数变化.进一步地,将压缩管中的总熵变来源分解为激波和黏性两部分;改变驱动压力、活塞质量、压缩管初始压力和压缩管长度进行数值模拟,分析熵变变化规律,并进行参数影响的归一化分析,结果表明归一化后的熵变仅与压缩比有关;最后,对等熵理论进行修正,修正后的压缩管压力与实验和数值结果更为吻合.

重活塞压缩器性能参数的数值解法

给出了一种精确计算重活塞压缩器性能参数的新方法，利用该方法可得到不同运行条件下自由重活塞运动的全过程和被压缩气体状态参数变化的全过程．该方法是对自由活塞激波风洞运行理论的发展，形成的计算软件可直接应用于自由活塞激波风洞的设计和状态调试．算例表明，活塞运动速度和被压缩气体特性主要依赖于活塞的单位面积质量。和活塞两侧的初始压力ｐ０和ｐ１；活塞与管壁之间的滑动摩擦力是次要因素，在滑动摩擦系数ｆ＝０．４～１．２范围内，摩擦力对活塞运动速度的影响很小．

2.0m高能脉冲风洞研制及其关键技术

中国航天空气动力技术研究院建设的2.0 m高能脉冲风洞(FD–21)是一座自由活塞激波风洞,该风洞拓展了中国航天空气动力技术研究院原有的试验能力。主要介绍了这座风洞的研制过程和若干关键技术。在吸收国外相关理论和经验的同时,独立解决了诸多关键性的气动问题,并通过逆向设计流程完成了风洞的气动设计。基于这些努力,高能脉冲风洞在建造过程中,逐步克服了活塞发射、活塞止停和全浮动风洞支撑等工程技术难点。FD–21的成功研制标志着自由活塞驱动技术的全面掌握,缩小了我国高焓地面模拟设备与国外的差距,对提升我国高超声速领域的研究水平具有重要意义。

自由活塞激波风洞定压驱动时间研究

自由活塞激波风洞是一种高焓值的高超声速地面试验设备,其运行时间十分短暂。提高自由活塞激波风洞有效试验时间的一个可行途径是延长定压驱动时间。以此为目的,本文探索了活塞压缩器中活塞速度对定压驱动时间的影响。研究结果表明,在不同的初始参数下,定压驱动时间关于活塞速度存在极大值,这些极大值形成了一条脊线(局部极值曲线)。随后,通过数值计算的结果归纳出脊线的若干性质。这些结果表明,在活塞压缩器的理论设计中,设计参数应选择在靠近这条脊线的区域,并且该处的定压驱动时间关于参数的梯度应该相对较小。

自由活塞激波风洞的入射激波衰减

自由活塞激波风洞产生的入射激波在行进过程中存在较大衰减,这种现象不仅降低了风洞喷管贮室的焓值、压力的量值和平稳性,而且也制约了风洞有效试验时间。针对自由活塞激波风洞结构特点,试图揭示入射激波衰减的主导原因。在忽略一些偶然性随机性因素后,重点对黏性衰减和反射膨胀波作用两个因素的影响进行了分析和比较。结果表明,在风洞主膜片打开时刻,活塞前脸与主膜片之间的短促距离,加剧了反射膨胀波的影响,在很多情况下,这是导致激波衰减的更为主要的因素。出于降低激波衰减和延长风洞有效试验时间的实际工程需要,提出了变截面活塞压缩器的设计构型。随后的理论研究显示,该构型能够实现活塞充分减速并达到安全速度,被压缩气体(驱动气体)能够形成平稳的压力/温度平台,满足激波管驱动需要。