一种矩形强制偏流喷管变结构试验台

1.本发明属于喷管模拟实验技术领域，具体涉及一种矩形强制偏流喷管变结构试验台。


背景技术：

2.喷管是火箭发动机产生推力的关键装置。相较于传统拉瓦尔喷管，因其受高度变化影响，喷管内流体流动不适应外界环境改变而产生非适应性损失，而强制偏流喷管具有高度补偿的特点，能够有效降低喷管的非适应性损失。
3.进行流场观测实验的实验条件要求苛刻，难度大，实验周期长。目前对于强制偏流喷管的特性研究主要为对温度、压力等物理参数的测量辅以数值仿真，而强制偏流喷管的内部流场结构则主要通过数值仿真模拟，而无法直接观测。强制偏流喷管的扩张段壁面相较传统喷管更复杂，加工难度更大，传统的一体式结构还存在加工成本高的问题，拆装费时费力。中心塞体需要更换时通常将其整个取下后更换，成本高。


技术实现要素：

4.为了解决上述无法直接观测强制偏流喷管内部流场结构、扩张段无法拆卸而制造难度高的问题，本发明提供一种矩形强制偏流喷管变结构试验台。本发明的具体技术方案如下。
5.一种矩形强制偏流喷管变结构试验台，包括相连通的连接段和喷管段，内部通气道的横截面和喷管段的横截面均为矩形；喷管段包括由底板、两侧板和顶部的变结构的扩张段相连并围成的管壳、安装在管壳内的中心塞体、压板，其中扩张段为可拆卸连接，压板可拆卸地安装在侧板与扩张段连接的接缝处用于密封，在两侧板上分别设有玻璃视窗；管壳的内顶面、两侧板的内侧面和中心塞体的上表面共同组成喷管段的通气道。
6.进一步地，在连接段和管壳相对的一端均设有法兰，连接段和管壳通过法兰连接，连接段内为通气道，连接段的通气道、各法兰孔道、喷管段的通气道中与连接段连接的端部的通气道大小均相同且同轴光滑过渡，连接段远离法兰的一端设有用于与进气道连接的外螺纹。
7.进一步地，两侧板与底板焊接，侧板顶面形状与扩张段顶面形状一致，在每个侧板两端部位于上侧的位置各开设一个横贯侧板的贯穿孔，在扩张段两端部的两侧面各开设一个与贯穿孔相对应的螺孔，使用螺钉穿过侧板的贯穿孔并螺进扩张段的螺孔而将扩张段与侧板可拆卸连接，并且侧板顶面与扩张段顶面齐平。
8.进一步地，在每个侧板的顶面从一端起向另一端开设一排螺孔，在扩张段的顶面从一端起向另一端开设两排相对应的螺孔，在每个压板上从一端起向另一端开设两排相对应的贯穿孔，压板上的两排贯穿孔中的一排贯穿孔与侧板上的一排螺孔相对应，压板上的另一排贯穿孔与扩张段上的其中一排螺孔相对应；使用螺钉穿过压板的两排贯穿孔并分别螺进侧板顶面的一排螺孔及扩张段顶面的一排螺孔而将压板可拆卸地安装在侧板与扩张
段上，在压板与侧板及扩张段之间还设有橡胶垫片。
9.进一步地，玻璃视窗包括开设在每个侧板上的安装口、石英玻璃和用于压住石英玻璃边缘的环形压条，安装口边缘设为台阶状，石英玻璃为面积一大一小的边缘也呈台阶状的双层玻璃，安装口边缘的台阶与石英玻璃边缘的台阶相配合；将石英玻璃放置在安装口并与安装口台阶配合，将环形压条压住石英玻璃的边缘并固定在侧板外侧面，双层石英玻璃的内侧面与其所在侧板的内侧面齐平；在石英玻璃与安装口之间还设有橡胶垫片，在石英玻璃与环形压条之间还设有橡胶垫片。
10.进一步地，在环形压条上设有若干贯穿孔，在侧板的外壁上围绕安装口设置若干与环形压条上的贯穿孔相对应的螺孔，使用螺钉穿过环形压条上的贯穿孔并螺进侧板外壁的螺孔而将环形压条固定在侧板外侧面。
11.进一步地，中心塞体包括塞座和塞头，塞座固定在两侧板之间，塞头和塞座为可拆卸连接。
12.进一步地，在中心塞体的塞座一侧面设置两个螺孔，在管壳的一侧板设置两个与螺孔相对应的贯穿孔，使用螺钉穿过侧板的贯穿孔并螺进塞座的螺孔而将塞座固定，塞座下表面紧贴底板且一端紧靠法兰，在塞座上远离法兰的另一端开设两个螺孔，并在塞头上开设两个相对应的贯穿孔，使用螺钉穿过塞头的贯穿孔并螺进塞座的螺孔而将塞头可拆卸地安装在塞座上。
13.有益效果：本发明的矩形强制偏流喷管变结构试验台通过将以往的圆形通道改为横截面为矩形，且将喷管段的横截面也设置成矩形，从而方便安装玻璃视窗，进而可以通过纹影法透过玻璃视窗直接观测强制偏流喷管内部流场结构，能有效地解决圆柱式强制偏流喷管无法观察内部流场结构的问题；本发明的喷管段采用分离式结构，将复杂的扩张段与其他壁面分开，能有效降低加工的难度，同时也为不同结构扩张段的拆卸提供便利，大大降低加工成本。
附图说明
14.图1为本发明矩形强制偏流喷管变结构试验台的立体结构示意图；图2为图1的中间平面剖视图；图3为图1的分解示意图；图4为本发明中的管壳的部分分解示意图；图5为本发明中的中心塞体的立体结构示意图；图中：1、连接段；11、连接段主体；12、第一方法兰；2、喷管段；21、管壳；211、底板；212、侧板；213、扩张段；2131、测量孔；214、第二方法兰；22、中心塞体；221、塞座； 222、塞头；23、压板；3、玻璃视窗；31、石英玻璃；32、环形压条。
实施方式
15.现在结合附图通过实施例对本发明作进一步详细的说明，但本发明并不限定于实施例。
16.如图1-5所示，一种矩形强制偏流喷管变结构试验台，包括相连通的连接段1和喷管段2，内部通气道的横截面和喷管段2的横截面均为矩形；喷管段2包括由底板211、两侧板
212和顶部的变结构的扩张段213相连并围成的管壳21、安装在管壳21内的中心塞体22、压板23，其中扩张段213为可拆卸连接，压板23可拆卸地安装在侧板212与扩张段213连接的接缝处用于密封，在两侧板212上分别设有玻璃视窗3。管壳21的内顶面、两侧板的内侧面和中心塞体22的上表面共同组成喷管段2的通气道。
17.连接段1具有连接段主体11，连接段主体11上与管壳21相对的一端焊接有第一方法兰12；管壳21的两侧板212与底板211焊接并在与连接段1相对的一端焊接有第二方法兰214，扩张段213可拆卸安装在两侧板212上并紧贴第二方法兰214；连接段1和管壳21通过第一方法兰12和第二方法兰214连接，连接段主体11内为通气道，连接段主体11的通气道、各方法兰孔道、喷管段2的通气道中与连接段1连接的端部的通气道大小均相同且同轴光滑过渡，连接段主体11远离第一方法兰12的一端设有用于与进气道连接的外螺纹，在外螺纹的靠近第一方法兰12的一侧设有定位凸环。上述管壳21的两侧板212与底板211的焊接具体来说是两侧板212焊接在底板211的两侧面，焊缝位于管壳21的外壁面，从而保证不破坏通气道。
18.侧板212顶面形状与扩张段213顶面形状一致为变结构，沿内部通气道的轴线方向在扩张段213上依次设有上下贯通的三个测量孔2131用于采集内部壁面的温度和压力，在每个侧板212两端部位于上侧的位置各开设一个横贯侧板212的贯穿孔，在扩张段213两端部的两侧面各开设一个与贯穿孔相对应的螺孔，使用螺钉穿过侧板212的贯穿孔并螺进扩张段213的螺孔而将扩张段213与侧板212可拆卸连接，并且侧板212顶面与扩张段213顶面齐平。
19.在每个侧板212的顶面从一端起向另一端开设一排螺孔，在扩张段213的顶面从一端起向另一端开设两排相对应的螺孔，压板23为两个，在每个压板23上从一端起向另一端开设两排相对应的贯穿孔，压板23上的两排贯穿孔中的一排贯穿孔与侧板212上的一排螺孔相对应，压板23上的另一排贯穿孔与扩张段213上的其中一排螺孔相对应；使用螺钉穿过压板23的两排贯穿孔并分别螺进侧板212顶面的一排螺孔及扩张段213顶面的一排螺孔而将压板23可拆卸地安装在侧板212与扩张段213上，在压板23与侧板212及扩张段213之间还设有橡胶垫片确保不漏气。
20.玻璃视窗3包括开设在每个侧板212上的安装口、石英玻璃31和用于压住石英玻璃31边缘的环形压条32，安装口边缘设为台阶状，石英玻璃31为面积一大一小的边缘也呈台阶状的贴合在一起的双层玻璃，安装口边缘的台阶与石英玻璃31边缘的台阶相配合便于定位；在环形压条32上设有若干贯穿孔，在侧板212的外壁上设置围绕安装口若干与环形压条32上的贯穿孔相对应的螺孔；将石英玻璃31放置在安装口并与安装口台阶配合后，将环形压条32压住石英玻璃31的边缘，使用螺钉穿过环形压条32上的贯穿孔并螺进侧板212外壁的螺孔而将环形压条32固定在侧板212外侧面，双层石英玻璃31的内侧面与其所在侧板212的内侧面齐平；在石英玻璃31与环形压条32之间还设有橡胶垫片，防止石英玻璃31受损；在石英玻璃31与安装口之间还设有橡胶垫片，在安装时通过调节该橡胶垫片来确保双层石英玻璃31的内侧面与其所在侧板212的内侧面齐平。
21.中心塞体22包括塞座221和塞头222，塞座221固定在两侧板212之间，塞头222和塞座221为可拆卸连接。具体来说，在中心塞体22的塞座221一侧面设置两个螺孔，在管壳21的一侧板212设置两个与螺孔相对应的贯穿孔，使用螺钉穿过侧板212的贯穿孔并螺进塞座
221的螺孔而将塞座221固定，塞座221下表面紧贴底板211且一端紧靠第二方法兰214，在塞座上远离第二方法兰214的另一端开设两个螺孔，并在塞头222上开设两个相对应的贯穿孔，使用螺钉穿过塞头222的贯穿孔并螺进塞座221的螺孔而将塞头222可拆卸地安装在塞座221上。本发明的中心塞体22采用两段式结构，不同尺寸的中心塞体22的更换时只需更换不同结构的塞头222即可，能有效降低加工成本。
22.本发明矩形强制偏流喷管变结构试验台的工作原理为：当进行强制偏流喷管冷气试验时，气体首先进入连接段，之后通过喷管段和中心塞体形成的通气道将气体先压缩再膨胀，产生超声速流场。喷管段内部流场通过玻璃视窗采用纹影仪实时观察；同时三个测量孔采集矩形强制偏流喷管变结构试验台的内部壁面压力和温度；矩形喷管的扩张段和中心塞体的塞头可以快速更换。
23.上述未特别提及的技术均参照现有技术。
24.以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

技术特征：
1.一种矩形强制偏流喷管变结构试验台，包括相连通的连接段（1）和喷管段（2），其特征在于，内部通气道的横截面和喷管段（2）的横截面均为矩形；喷管段（2）包括由底板（211）、两侧板（212）和顶部的变结构的扩张段（213）相连并围成的管壳（21）、安装在管壳（21）内的中心塞体（22）、压板（23），其中扩张段（213）为可拆卸连接，压板（23）可拆卸地安装在侧板（212）与扩张段（213）连接的接缝处用于密封，在两侧板（212）上分别设有玻璃视窗（3）；管壳（21）的内顶面、两侧板（212）的内侧面和中心塞体（22）的上表面共同组成喷管段（2）的通气道。2.根据权利要求1所述的矩形强制偏流喷管变结构试验台，其特征在于，在连接段（1）和管壳（21）相对的一端均设有法兰，连接段（1）和管壳（21）通过法兰连接，连接段（1）内为通气道，连接段（1）的通气道、各法兰孔道、喷管段（2）的通气道中与连接段（1）连接的端部的通气道的大小均相同且同轴光滑过渡，连接段（1）远离法兰的一端设有用于与进气道连接的外螺纹。3.根据权利要求2所述的矩形强制偏流喷管变结构试验台，其特征在于，两侧板（212）与底板（211）焊接，侧板（212）顶面形状与扩张段（213）顶面形状一致，在每个侧板（212）两端部位于上侧的位置各开设一个横贯侧板（212）的贯穿孔，在扩张段（213）两端部的两侧面各开设一个与贯穿孔相对应的螺孔，使用螺钉穿过侧板（212）的贯穿孔并螺进扩张段（213）的螺孔而将扩张段（213）与侧板（212）可拆卸连接，并且侧板（212）顶面与扩张段（213）顶面齐平。4.根据权利要求3所述的矩形强制偏流喷管变结构试验台，其特征在于，在每个侧板（212）的顶面从一端起向另一端开设一排螺孔，在扩张段（213）的顶面从一端起向另一端开设两排相对应的螺孔，在每个压板（23）上从一端起向另一端开设两排相对应的贯穿孔，压板（23）上的两排贯穿孔中的一排贯穿孔与侧板（212）上的一排螺孔相对应，压板（23）上的另一排贯穿孔与扩张段（213）上的其中一排螺孔相对应；使用螺钉穿过压板（23）的两排贯穿孔并分别螺进侧板（212）顶面的一排螺孔及扩张段（213）顶面的一排螺孔而将压板（23）可拆卸地安装在侧板（212）与扩张段（213）上，在压板（23）与侧板（212）及扩张段（213）之间还设有橡胶垫片。5.根据权利要求4所述的矩形强制偏流喷管变结构试验台，其特征在于，玻璃视窗（3）包括开设在每个侧板（212）上的安装口、石英玻璃（31）和用于压住石英玻璃（31）边缘的环形压条（32），安装口边缘设为台阶状，石英玻璃（31）为面积一大一小的边缘也呈台阶状的双层玻璃，安装口边缘的台阶与石英玻璃（31）边缘的台阶相配合；将石英玻璃（31）放置在安装口并与安装口台阶配合，将环形压条（32）压住石英玻璃（31）的边缘并固定在侧板（212）外侧面，双层石英玻璃（31）的内侧面与其所在侧板（212）的内侧面齐平；在石英玻璃（31）与安装口之间还设有橡胶垫片，在石英玻璃（31）与环形压条（32）之间还设有橡胶垫片。6.根据权利要求5所述的矩形强制偏流喷管变结构试验台，其特征在于，在环形压条（32）上设有若干贯穿孔，在侧板（212）的外壁上围绕安装口设置若干与环形压条（32）上的贯穿孔相对应的螺孔，使用螺钉穿过环形压条（32）上的贯穿孔并螺进侧板（212）外壁的螺孔而将环形压条（32）固定在侧板（212）外侧面。7.根据权利要求6所述的矩形强制偏流喷管变结构试验台，其特征在于，中心塞体（22）
包括塞座（221）和塞头（222），塞座（221）固定在两侧板（212）之间，塞头（222）和塞座（221）为可拆卸连接。8.根据权利要求7所述的矩形强制偏流喷管变结构试验台，其特征在于，在中心塞体（22）的塞座（221）一侧面设置两个螺孔，在管壳（21）的一侧板（212）设置两个与螺孔相对应的贯穿孔，使用螺钉穿过侧板（212）的贯穿孔并螺进塞座（221）的螺孔而将塞座（221）固定，塞座（221）下表面紧贴底板（211）且一端紧靠法兰，在塞座（221）上远离法兰的另一端开设两个螺孔，并在塞头（222）上开设两个相对应的贯穿孔，使用螺钉穿过塞头（222）的贯穿孔并螺进塞座（221）的螺孔而将塞头（222）可拆卸地安装在塞座（221）上。

技术总结
本发明公开一种矩形强制偏流喷管变结构试验台，包括相连通的连接段和喷管段，内部通气道的横截面和喷管段的横截面均为矩形；喷管段包括由底板、两侧板和顶部的变结构的扩张段相连并围成的管壳、安装在管壳内的中心塞体、压板，其中扩张段为可拆卸连接，压板可拆卸地安装在侧板与扩张段连接的接缝处进行密封，在两侧板上分别设有玻璃视窗；管壳的内顶面、两侧板的内侧面和中心塞体的上表面共同组成喷管段的通气道。本发明具有能够直接观测强制偏流喷管内部流场结构、扩张段拆卸方便、中心塞体更换方便的优点。体更换方便的优点。体更换方便的优点。


技术研发人员：蔡文祥 袁亿 王禄浩 陈雄
受保护的技术使用者：南京理工大学
技术研发日：2023.07.31
技术公布日：2023/9/9