基于双喉道Ludwieg管风洞稳定段的匀流加热融合设计

doi:10.7527/S1000-6893.2024.30906

流体力学与飞行力学

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基于双喉道Ludwieg管风洞稳定段的匀流加热融合设计

荣国梁¹, 杨逸帆², 李创创¹, 李志远¹, 李学良¹, 赵家权¹, 吴杰¹()

^1.华中科技大学航空航天学院，武汉 430074
^2.布里斯托大学工程系，布里斯托 BS8 1QU

收稿日期:2024-07-04 修回日期:2024-07-24 接受日期:2024-08-19 出版日期:2024-08-27 发布日期:2024-08-26
通讯作者: 吴杰 E-mail:jiewu@hust.edu.cn

Integrated design of homogeneous mixing and heating of flow based on dual-throat Ludwieg tube wind tunnel settling chamber

Guoliang RONG¹, Yifan YANG², Chuangchuang LI¹, Zhiyuan LI¹, Xueliang LI¹, Jiaquan ZHAO¹, Jie WU¹()

^1.School of Aerospace Engineering，Huazhong University of Science and Technology，Wuhan 430074，China
^2.Department of Engineering，University of Bristol，Bristol BS8 1QU，UK

Received:2024-07-04 Revised:2024-07-24 Accepted:2024-08-19 Online:2024-08-27 Published:2024-08-26
Contact: Jie WU E-mail:jiewu@hust.edu.cn

摘要/Abstract

摘要：

双喉道Ludwieg管风洞能够有效消除由快开阀开启带来的扰动，但会导致风洞的有效运行时间大幅降低。此外，受限于快开阀的材料，Ludwieg管风洞储气段加热温度提升困难。为了解决以上问题，提出一种在稳定段内放置环状加热器的改进方案，以实现风洞匀流与加热的融合设计。首先，采用非定常数值模拟的方法验证该气动布局的可行性；然后，分析风洞的非定常启动过程，并定量研究风洞运行过程中不同位置处马赫数与压强的变化特征；最后，探究加热器对风洞启动过程与稳定运行流场的影响。结果表明，带有稳定段加热的双喉道Ludwieg管风洞有效运行时间可达80 ms，与传统双喉道布局相比风洞的有效运行时间提高了23%。同时，当加热器温度从434 K提高到1 234 K时，喷管出口流场核心区域马赫数的最大偏差降低了0.21%，均方根偏差降低了0.005，总温提高了约270 K，该方案有效提高了Ludwieg管风洞的试验能力。

关键词: 高超声速风洞, Ludwieg管风洞, 双喉道布局, 稳定段加热, 有效运行时间

Abstract:

The dual-throat Ludwieg tube wind tunnel can effectively eliminate the disturbances caused by the opening process of the fast-acting valve， but will significantly reduce the effective running time of wind tunnel. Additionally， due to the limitations of the material of the fast-acting valve， it is difficult to further increase the heating temperature of the storage section of the Ludwieg tube wind tunnel. To solve this problem， this paper proposes a novel design for the dual-throat Ludwieg tube wind tunnel by placing the annular heater in the settling chamber to achieve an integrated design of homogeneous mixing and heating of flow. Firstly， unsteady numerical simulation is used to verify the feasibility of the dual-throat Ludwieg wind tunnel with the new layout. Then， the start-up characteristics of the wind tunnel is analyzed， and the variation of Mach number and pressure at different stations during the running of the wind tunnel is quantitatively studied. Finally， the effect of the heater on the running process of the tunnel is explored. The results show that the effective operating time of dual-throat Ludwieg tube wind tunnel with a heater in the settling chamber is up to 80 ms， an increase of 23% compared to that of the traditional dual-throat layout. Additionally， when the heater temperature is increased from 434 K to 1 234 K， the maximum deviation of Mach number in the core region at the exit of the second nozzle can be decreased by 0.21%， the root mean square deviation can be decreased by 0.005， and the stagnation temperature can be increased by nearly 270 K， and the testing capability of the wind tunnel is enhanced effectively.

Key words: hypersonic wind tunnel, Ludwieg tube wind tunnel, dual-throat layout, settling chamber heating, effective operating time

中图分类号:

V211.751

荣国梁, 杨逸帆, 李创创, 李志远, 李学良, 赵家权, 吴杰. 基于双喉道Ludwieg管风洞稳定段的匀流加热融合设计[J]. 航空学报, 2025, 46(9): 130906.

Guoliang RONG, Yifan YANG, Chuangchuang LI, Zhiyuan LI, Xueliang LI, Jiaquan ZHAO, Jie WU. Integrated design of homogeneous mixing and heating of flow based on dual-throat Ludwieg tube wind tunnel settling chamber[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2025, 46(9): 130906.

图/表 23

图 1

图 2

图 3

图 4

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图 10

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表 1

图 14

图 15

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表 2

图 18

图 19

图 20

图 21

参考文献 28

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主管单位：中国科学技术协会主办单位：中国航空学会北京航空航天大学

布局	均值	最大偏差/%	均方根偏差
有加热器	6.010	1.24	0.026
无加热器	6.006	0.91	0.019

加热器温度/K	均值	最大偏差/%	均方根偏差
434	6.010	1.24	0.025 9
534	6.004	1.16	0.024 5
634	5.998	1.15	0.023 5
734	5.993	1.13	0.022 9
834	5.989	1.10	0.022 2
934	5.984	1.07	0.021 7
1 034	5.980	1.05	0.021 3
1 134	5.977	1.04	0.021 1
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