留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

2.0 m高能脉冲风洞研制及其关键技术

朱浩 毕志献 陈星 宫建 蒋博 张冰冰 江海南 李辰 吴健 宋可卿 谌君谋 孙日明

朱浩,毕志献,陈星,等. 2.0 m高能脉冲风洞研制及其关键技术[J]. 实验流体力学,2022,36(1):77-88 doi: 10.11729/syltlx20210090
引用本文: 朱浩,毕志献,陈星,等. 2.0 m高能脉冲风洞研制及其关键技术[J]. 实验流体力学,2022,36(1):77-88 doi: 10.11729/syltlx20210090
ZHU H,BI Z X,CHEN X,et al. The development and key technologies of 2.0 m high energy shock tunnel[J]. Journal of Experiments in Fluid Mechanics, 2022,36(1):77-88. doi: 10.11729/syltlx20210090
Citation: ZHU H,BI Z X,CHEN X,et al. The development and key technologies of 2.0 m high energy shock tunnel[J]. Journal of Experiments in Fluid Mechanics, 2022,36(1):77-88. doi: 10.11729/syltlx20210090

2.0 m高能脉冲风洞研制及其关键技术

doi: 10.11729/syltlx20210090
基金项目: 国家自然科学基金(11572303)
详细信息
    作者简介:

    朱浩:(1977—),男,江苏邳州人,博士,研究员。研究方向:高超声速空气动力学。通信地址:北京市丰台区云岗西路17号中国航天空气动力技术研究院(100074)。E-mail:zhuhao1977@hotmail.com

    通讯作者:

    E-mail:zhuhao1977@hotmail.com

  • 中图分类号: V211.751

The development and key technologies of 2.0 m high energy shock tunnel

  • 摘要: 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。
  • 图  1  T4自由活塞激波风洞轮廓[6]

    Figure  1.  Sketch of T4 free piston shock tunnel[6]

    图  2  自由活塞激波风洞的运行过程

    Figure  2.  Operation process of free piston shock tunnels

    图  3  HIEST自由活塞激波风洞单位Re和滞止焓的关系[12]

    Figure  3.  Reynolds number vs. enthalpy in the HIEST shock tunnel[12]

    图  4  从事真实气体研究的不同高超声速地面设备[13]

    Figure  4.  Different hypersonic facilities for real gas research[13]

    图  5  活塞压缩器验证性研究平台

    Figure  5.  Photographic view of the free piston compression tube

    图  6  活塞速度位移曲线[22]

    Figure  6.  Velocity and displacement of piston[22]

    图  7  FD−21风洞子系统

    Figure  7.  Subsysytems of FD−21 tunnel

    图  8  FD−21风洞照片

    Figure  8.  Photographic view of FD−21 tunnel

    图  9  活塞速度的试验值与计算值对比(第11车次)[27]

    Figure  9.  Comparison of piston velocity (Shot 11)[27]

    图  10  压力传感器布置

    Figure  10.  Placement of pressure sensors

    图  11  FD−21风洞推进试验的模拟点

    Figure  11.  Propulsion test simulation points of FD−21 tunnel

    图  12  FD−21风洞的燃料控制系统

    Figure  12.  Fuel supply system for FD−21 tunnel

    图  13  自由活塞激波风洞气动设计流程图[11]

    Figure  13.  The aerodynamic design process for free piston shock tun-nels[11]

    图  14  发射机构结构原理

    Figure  14.  Structure of piston launching device

    图  15  高压储气室部件总装调试照片

    Figure  15.  Photographic view of high pressure chamber

    图  16  活塞止停装置结构图

    Figure  16.  Structure of piston and stop device

    图  17  止停结构图

    Figure  17.  Structure of stop device

    图  18  FD−21风洞的轴向冲击载荷[21]

    Figure  18.  Axial impact load of FD−21 tunnel[21]

    图  19  FD−21风洞的轨道&压缩管支架结构图

    Figure  19.  Structure of track and support for FD−21 tunnel

    图  20  调节完成的轨道系统

    Figure  20.  Photographic view of the adjusted tract system

    图  21  FD−21风洞的试验段结构图

    Figure  21.  Structure of test section for FD−21 tunnel

    图  22  FD−21风洞的攻角机构

    Figure  22.  Structure of attack angle system for FD−21 tunnel

    表  1  FD−21风洞主要部件参数

    Table  1.   Parameters of FD−21 tunnel

    部件参数
    高压储气室容积24 m3、耐压20.0 MPa
    压缩管总长72.5 m、内径668 mm、耐压70.0 MPa
    激波管总长36.0 m、内径290 mm、耐压100.0 MPa
    试验段总容积230 m3、耐压0.3 MPa、最大真空度1 Pa
    型面喷管出口直径1.2 m或2.0 m
    活塞重量205、275、400、600 kg
    高压储气室容积24 m3、耐压20.0 MPa
    下载: 导出CSV

    表  2  FD−21风洞的运行状态

    Table  2.   Flow conditions of FD−21 tunnel

    Casepr/MPapc/kPaMp/kgp1/kPap0/MPaT0/Kp/PaT/K v/(m·s-1Ma
    1-12.8530.0205619.2270024016124179.78
    1-22.8530.0205105.7470019136233759.10
    1-37.5038.52758020.3405057830131609.29
    下载: 导出CSV
  • [1] MELANSON M, CHANG M, BAKER W. Wind tunnel test-ing's future: a vision of the next generation of wind tunnel test requirements and facilities[C]//Proc of the 48th AIAA Aerospace Sciences Meeting Including the New Horizons For-um and Aerospace Exposition. 2010. doi: 10.2514/6.2010-142
    [2] CANDLER G, MAVRIPLIS D, TREVINO L. Current status and future prospects for the numerical simulation of hyper-sonic flows[C]//Proc of the 47th AIAA Aerospace Sciences Meeting including The New Horizons Forum and Aerospace Exposition. 2009. doi: 10.2514/6.2009-153
    [3] MELANSON M. An assessment of the increase in wind tun-nel testing requirements for airvehicle development over the last 50 years[C]//Proc of the 46th AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit. 2008. doi: 10.2514/6.2008-830
    [4] KEGELMAN J, DANEHY P, SCHWARTZ R. Advanced capabilities for wind tunnel testing in the 21st century[C]// Proc of the 48th AIAA Aerospace Sciences Meeting Includ-ing the New Horizons Forum and Aerospace Exposition. 2010. doi: 10.2514/6.2010-1304
    [5] GU S D,OLIVIER H. Capabilities and limitations of exist-ing hypersonic facilities[J]. Progress in Aerospace Sciences,2020,113:100607. doi: 10.1016/j.paerosci.2020.100607
    [6] HANNEMANN K, ITOH K, MEE D J, et al. Free piston shock tunnels HEG, HIEST, T4 and T5[M]//Experimental Methods of Shock Wave Research. Cham: Springer Interna-tional Publishing, 2015: 181-264. doi: 10.1007/978-3-319-23745-9_7
    [7] GLASS I I, HALL J G. Shock tubes: Handbook of Super-sonic Aerodynamic Section18[R]. NAVORD Report 1488, 1959.
    [8] LUKASIEWICZ J. Experiment Methods of Hypersonic[M]. New York: Marcel Dekker INC, 1973.
    [9] GAI S L. Free piston shock tunnels: developments and capabilities[J]. Progress in Aerospace Sciences,1992,29(1):1-41. doi: 10.1016/0376-0421(92)90002-Y
    [10] STALKER R J. Modern developments in hypersonic wind tunnels[J]. The Aeronautical Journal,2006,110(1103):21-39. doi: 10.1017/s0001924000004346
    [11] 朱浩. 自由活塞激波风洞理论[M]. 北京: 科学出版社, 2019.

    ZHU H. The theory of free piston shock tunnels[M]. Beijing: Science Press, 2019.
    [12] TANNO H, KOMURO T, SATO K, et al. Aeroheating measurement of Apollo shaped capsule with boundary layer trip in the free-piston shock tunnel HIEST[C]//Proc of the 52nd Aerospace Sciences Meeting. 2014. doi: 10.2514/6.2014-0434
    [13] HOLDEN M S. Aerothermal and propulsion ground testing that can be conducted to increase chances for successful hy-pervelocity flight experiments[R]. RTO-EN-AVT-130, 2005.
    [14] 朱浩,江海南,张冰冰. 自由活塞激波风洞的入射激波衰减[J]. 航空学报,2017,38(12):121328.

    ZHU H,JIANG H N,ZHANG B B. Attenuation of incident shock waves in free piston shock tunnels[J]. Acta Aeronau-tica et Astronautica Sinica,2017,38(12):121328.
    [15] HORNUNG H G,SUDANI N,VALIFERDOWSI B. Test time increase by delaying driver gas contamination for reflec-ted shock tunnels[J]. AIAA Journal,2000,38:1497-1503. doi: 10.2514/3.14574
    [16] 朱浩,江海南,张冰冰. 自由活塞驱动的双模式风洞[C]//力学大会论文集. 2019.
    [17] 郑永熙. FD−20风洞设备[R]. 中国航空气动力技术研究院技术报告No. 1003 FD 20-01-02,1970.
    [18] 李明智. FD−22重活塞炮风洞实施论证报告[R]. 中国航空气动力技术研究院技术报告No. 1003 FD22-04-02,1995.
    [19] 朱浩. 自由活塞激波风洞理论设计与运行模拟[R]. 中国航空气动力技术研究院博士后研究工作报告, 2012.
    [20] 朱浩,沈清,宫建. 自由活塞激波风洞定压驱动时间研究[J]. 空气动力学学报,2014,32(1):45-50,56. doi: 10.7638/kqdlxxb-2012.0048

    ZHU H,SHEN Q,GONG J. The constant pressure time of piston driver in free piston shock tunnel[J]. Acta Aerody-namica Sinica,2014,32(1):45-50,56. doi: 10.7638/kqdlxxb-2012.0048
    [21] 朱浩, 江海南, 张冰冰. 高能脉冲风洞总体设计方案[R]. 中国航空气动力技术研究院技术报告No. 0204-16-01, 2016.
    [22] 张冰冰, 朱浩, 李辰. 活塞压缩器验证性平台试验报告[R]. 中国航空气动力技术研究院技术报告No. 0204-15-05, 2015.
    [23] 谌君谋, 张冰冰. FD−21高能脉冲风洞试验实施大纲(模拟点3活塞调试)[R]. 中国航空气动力技术研究院技术报告No. 0204-17-12, 2017.
    [24] 易翔宇, 陈星, 毕志献, 等. 自由活塞激波风洞压缩管: 激波管流动分析及4000 K状态调试[C]//首届中国空气动力学大会论文集. 2018.
    [25] 谌君谋, 陈星, 毕志献, 等. FD−21高焓激波风洞最新进展[C]//第19届全国激波与激波管学术会议论文集. 2020.
    [26] 卢洪波,陈星,谌君谋,等. 新建高焓激波风洞Ma=8飞行模拟条件的实现与超燃实验[J]. 气体物理,2019,4(5):13-24. doi: 10.19527/j.cnki.2096-1642.0782

    LU H B,CHEN X,SHEN J M,et al. Flight condition achievement of Mach number 8 in a new shock tunnel of CAAA and its scramjet experimental investigation[J]. Physics of Gases,2019,4(5):13-24. doi: 10.19527/j.cnki.2096-1642.0782
    [27] 张冰冰,谌君谋. 高能脉冲风洞状态三调试第二阶段试验报告: 活塞极限运行及止停机构性能试验报告[R]. 中国航空气动力技术研究院技术报告No. 0204-17-15,2017.
    [28] 朱浩, 宫建. 自由活塞激波风洞理论设计撮要[C]//第16届全国激波与激波管学术会议论文集. 2015.
    [29] HORNUNG H G. The piston motion in a free piston driver for shock tubes and tunnels[R]. GALCIT Report FM 88-1, 1988.
    [30] 朱浩,张冰冰,余亦甫. 膜片非理想打开行为对自由活塞激波风洞运行的影响[J]. 实验流体力学,2020,34(1):55-59. doi: 10.11729/syltlx20190023

    ZHU H,ZHANG B B,YU Y F. Effect of non-ideal opening behavior of diaphragm on the operation of free piston shock tunnels[J]. Journal of Experiments in Fluid Mechanics,2020,34(1):55-59. doi: 10.11729/syltlx20190023
    [31] ALPHER R A,WHITE D R. Flow in shock tubes with area change at the diaphragm section[J]. Journal of Fluid Mecha-nics,1958,3(5):457-470. doi: 10.1017/s0022112058000124
    [32] 陈强. 激波管流动的理论和试验技术[M]. 中国科学技术大学出版社, 1979.
    [33] ZHU H,JIANG H N. Influence of shock attenuation on tailored operation in free piston shock tunnel[J]. Chinese Journal of Aeronautics,2021,34(2):279-287. doi: 10.1016/j.cja.2020.08.025
    [34] EGGERS A J. One dimensional flows of an imperfect diatomic gas[R]. NACA TN-1681, 1949.
    [35] MARINEAU E, HORNUNG H. High-enthalpy nonequilib-rium nozzle flow of air: experiments and computations[C]// Proc of the 39th AIAA Fluid Dynamics Conference. 2009. doi: 10.2514/6.2009-4216
    [36] TAKAHASHI M, KODERA M, ITOH K, et al. Influence of thermal non-equilibrium on nozzle flow condition of high enthalpy shock tunnel HIEST[C]//Proc of the 16th AIAA/ DLR/DGLR International Space Planes and Hypersonic Systems and Technologies Conference. 2009. doi: 10.2514/6.2009-7267
    [37] MATSUZAKI R. Design of contoured nozzle for arc-heated wind tunnels[C]//Proc of the 25th Plasmadynamics and Lasers Conference. 1994. doi: 10.2514/6.1994-2593
    [38] LASTER M, JORDAN J, MERKLE C, et al. Remarks on the design of hypersonic high Reynolds number nozzles with energy addition[C]//Proc of the 25th AIAA Aerodynamic Measurement Technology and Ground Testing Conference. 2006. doi: 10.2514/6.2006-2957
  • 加载中
图(22) / 表(2)
计量
  • 文章访问数:  1549
  • HTML全文浏览量:  189
  • PDF下载量:  84
  • 被引次数: 0
出版历程
  • 收稿日期:  2021-08-11
  • 修回日期:  2021-10-20
  • 录用日期:  2021-11-22
  • 刊出日期:  2022-03-17

目录

    /

    返回文章
    返回

    重要公告

    www.syltlx.com是《实验流体力学》期刊唯一官方网站,其他皆为仿冒。请注意识别。

    《实验流体力学》期刊不收取任何费用。如有组织或个人以我刊名义向作者、读者收取费用,皆为假冒。

    相关真实信息均印刷于《实验流体力学》纸刊。如有任何疑问,请先行致电编辑部咨询并确认,以避免损失。编辑部电话0816-2463376,2463374,2463373。

    请广大读者、作者相互转告,广为宣传!

    感谢大家对《实验流体力学》的支持与厚爱,欢迎继续关注我刊!


    《实验流体力学》编辑部

    2021年8月13日