[发明专利]一种模拟喷管中高超声速凝结过程的装置及诊断方法

说明书

本发明公开了一种模拟喷管中高超声速凝结过程的装置及诊断方法，包括模拟喷管装置和测量系统；所述模拟喷管装置包括试验段(1)、连接段(9)和真空段(11)；所述测量系统包括TDLAS测量系统、压力测量系统和高速摄影系统。所述装置基于稀疏波原理，利用稀疏波在壁面与高压段和低压段气体接触面反射，造成测点位置压力持续下降，进而增大过冷度，导致物质凝结，该装置保证了试验段流场的均匀性，同时实现了在较小时间尺度(1ms)上实现物质的高超声速凝结过程。所述测量方法基于TDLAS测量原理，采用了多激光器信号耦合与一种新型基线拟合方法，保证了测量的多样性且时间分辨率在100kHz及以上。

技术领域

本发明涉及物质的高超声速凝结领域，特别设计一种模拟喷管中高超声速凝结过程的装置及诊断方法。

背景技术

燃烧加热式风洞中，无论是采用氢燃料或是碳氢燃料，产物中均存在水蒸气，产物气体通过设备喷管进入风洞试验段之前，由于沿喷管扩张段气体急速膨胀，温度降低，可能会导致燃烧产物中的水蒸气发生急剧的凝结。同时，当气流通过被实验发动机压缩面时，由于激波压缩使温度与压强突然升高，可能导致凝结的水滴发生再次蒸发等相变现象。从已有的文献来看，水蒸气在风洞中的凝结相变可能会对喷管出口参数、流场品质及测量精度造成多方面的影响。所以在采用燃烧加热的高超声速风洞中，水蒸气组分会在地面模拟试验过程中发生强非定常相变过程，造成试验流场的改变，并影响地面模拟试验结果，对高速飞行器的性能评估、气动设计等带来影响。

目前，国内外有关凝结的实验研究中，大多数是通过移动喷管设备在沿喷管流向不同位置结合相关测量方法进行检测，然后将不同位置处的测量结果最终组合起来作为凝结现象的描述。但是这样一来，在不同组次的测量实验之间，流场的重复性要求很高，对实验设备提出了较高的要求。其次，针对喷管中水蒸气非平衡凝结的定量试验，目前已开展的诸多的试验研究中，多关注总压和流场结构等综合性信息，定量测量多集中在凝结液滴尺寸方面。而对于相变的流场，气体温度和组分浓度的定量实时测量是研究相变现象的重要手段。近红外可调谐半导体激光器吸收光谱(TDLAS)技术作为一种非接触式测量方法，凭借其高灵敏度、响应快、非接触等特点能够对凝结过程中气体温度和组分浓度进行定量测量。但是当前利用TDLAS技术测量流场关键参数时多采用多激光器并行测量的方法，这种方法需要使用多个测量通道，同时不能有效的同步各测量结果，处理过程十分繁杂。而当前对TDLAS技术信号处理时所采用的基线拟合方法需要吸收信号两端均有一段较长的基线，但是由于激光器输出波长有限，在高温高压条件下，吸收谱线展宽与激光器输出波长相近，当前的基线拟合方法不能获得有效的基线，此时只能通过降低扫描频率来增大激光器输出波长，这也就限制了测量的时间分辨率一般在10kHz以下。

鉴于此，有必要设计一种可以模拟喷管中高超声速凝结过程的装置及诊断方法，能够在较小时间尺度上(1ms)实现高超声速凝结过程、保证流场的均匀性，同时还可以实现测量的连续性、测量的高时间分辨率(≥100kHz)。

发明内容

本发明的目的是提供一种模拟喷管中高超声速凝结过程的装置及诊断方法，使之可以实现如下功能和指标：

(1)能够保证试验段流场的均匀性。

(2)能够实现在较小时间尺度(1ms)上实现物质的高超声速凝结过程。

(3)能够保证测量的多样性且时间分辨率在100kHz及以上。

本发明采用以下技术方案：

一种模拟喷管中高超声速凝结过程的装置，包括模拟喷管装置与测量系统。

所述模拟喷管装置包括试验段、连接段和真空段，其中试验段与连接段连接，连接段固定在真空段开口处。所述试验段为矩形内腔结构，且完全对称；通过调整试验段长度能够改变稀疏波传播速度。