本發(fā)明涉及流體力學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種激波管。

背景技術(shù)：

激波管是產(chǎn)生激波并利用運(yùn)動(dòng)激波壓縮被驅(qū)動(dòng)段氣體以模擬所需工況的一種實(shí)驗(yàn)裝置。當(dāng)前，無(wú)論是利用激波壓縮獲得高速飛行器所需的高焓流動(dòng)，還是利用激波開展燃料自點(diǎn)火特性研究等科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，都會(huì)遇到如何產(chǎn)生和準(zhǔn)確控制強(qiáng)激波的問(wèn)題。

在現(xiàn)有中，有些學(xué)者指出：在激波管中提高激波強(qiáng)度的方法主要是增大驅(qū)動(dòng)段與被驅(qū)動(dòng)段氣體的壓比或聲速比。然而，單純的依靠增大壓比和聲速比，在激波管中所能產(chǎn)生的激波強(qiáng)度有限，特別是當(dāng)被驅(qū)動(dòng)段不能抽真空時(shí)，這種限制尤為突出。

除此之外，還有些學(xué)者根據(jù)激波動(dòng)力學(xué)理論，設(shè)計(jì)的壁面能夠使較小強(qiáng)度的入射平面激波在收縮管道中連續(xù)增強(qiáng)，然后仍然以平面形狀進(jìn)入較小截面直管段傳播，從而得到強(qiáng)度增大的平面激波。然而，這種壁面僅在管道高度方向上進(jìn)行匯聚，對(duì)激波管的空間利用率較低，其激波增強(qiáng)的能力也受到一定的限制。特別是，當(dāng)作為實(shí)驗(yàn)段的較小截面直管段的管道高度不能縮小時(shí)，就需要大幅提高收縮段的初始管道高度。如果被驅(qū)動(dòng)段采用軸對(duì)稱或者三維的壁面收縮型線，首先需要嚴(yán)格地推導(dǎo)出軸對(duì)稱或者三維激波動(dòng)力學(xué)理論，其過(guò)程復(fù)雜而且難度較大；即使得到了軸對(duì)稱或者三維激波動(dòng)力學(xué)理論，由于軸對(duì)稱或者三維收縮管道固有的聚焦效應(yīng)對(duì)擾動(dòng)很敏感，在壁面收縮型線的設(shè)計(jì)和實(shí)際加工過(guò)程中，一旦激波面上出現(xiàn)不理想的擾動(dòng)，很容易在管道中心匯聚增強(qiáng)為強(qiáng)擾動(dòng)間斷，甚至出現(xiàn)馬赫反射等復(fù)雜干擾現(xiàn)象，導(dǎo)致激波增強(qiáng)過(guò)程難以控制。因此，需要挖掘二維壁面收縮型線的潛力，進(jìn)一步提升其激波增強(qiáng)的能力。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種激波管，該激波管可以準(zhǔn)確且高效地提高初始入射激波的強(qiáng)度，使激波管能夠較容易的模擬強(qiáng)激波和高溫高壓環(huán)境。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種激波管，包括被驅(qū)動(dòng)段中供實(shí)驗(yàn)氣體流通的矩形管道，所述矩形管道在寬度和高度方向上分別設(shè)置有相互連通的寬度收縮段和高度收縮段。

相對(duì)于上述背景技術(shù)，本發(fā)明提供的激波管，在被驅(qū)動(dòng)段的矩形管道中，在寬度和高度方向上分別設(shè)置寬度收縮段和高度收縮段；寬度收縮段和高度收縮段作為相互連通的兩段，能夠大幅度地增加矩形管道的面積收縮比，準(zhǔn)確且高效地提高激波的增強(qiáng)效果；如此設(shè)置的激波管，其空間利用率高，可行性好，使激波管能夠較容易的模擬強(qiáng)激波和高溫高壓環(huán)境。

優(yōu)選地，所述寬度收縮段靠近所述矩形管道的進(jìn)口端，且所述高度收縮段靠近所述矩形管道的出口端；或者，

所述寬度收縮段靠近所述矩形管道的出口端，并且所述高度收縮段靠近所述矩形管道的進(jìn)口端。

針對(duì)具有矩形管道的激波管，可以首先在寬度方向上收縮，然后在高度方向上進(jìn)行收縮；除此之外，還可以先在高度方向上收縮，然后在寬度方向上收縮；可以根據(jù)實(shí)際需要選擇上述的兩種方式之一。

優(yōu)選地，所述寬度收縮段和所述高度收縮段分別至少設(shè)置一段，使所述的矩形管道在寬度上和高度上分別至少進(jìn)行一次收縮；所述的收縮段都具有基于激波動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)的二維收縮型線，使平面激波經(jīng)過(guò)一段收縮段的可控增強(qiáng)之后，恢復(fù)為平面波面形狀，并且波后沒(méi)有明顯擾動(dòng)；增強(qiáng)后的平面激波在下一段收縮段，仍然可以進(jìn)行可控增強(qiáng)，最后得到激波強(qiáng)度顯著增加的平面激波。

優(yōu)選地，還包括：

用以與上游法蘭相連的第一矩形壁，包括位于左右兩側(cè)的第一側(cè)壁以及位于上下兩端的第一上下壁；

與所述第一矩形壁相連、且具有所述寬度收縮段的寬度收縮管壁，且所述上游法蘭、所述第一矩形壁、與所述寬度收縮段的管道同軸；

與所述寬度收縮管壁相連、且具有所述高度收縮段的高度收縮管壁，所述寬度收縮段末端連接所述高度收縮段的入口；并且所述寬度收縮段末端的尺寸與所述高度收縮段的入口尺寸相同；

設(shè)置于所述高度收縮段末端、且與下游法蘭相連的第二矩形壁，且所述下游法蘭、所述第二矩形壁、與所述高度收縮段末端的管道同軸；

所述第二矩形壁包括位于左右兩側(cè)的第二側(cè)壁以及位于上下兩端的第二上下側(cè)壁。

優(yōu)選地，所述寬度收縮段包括截面尺寸恒定的寬度收縮緩沖段以及寬度收縮型線段，且所述緩沖段靠近所述上游法蘭；所述高度收縮段包括靠近所述寬度收縮型線段的高度收縮型線段，所述高度收縮型線段的末端設(shè)置截面尺寸恒定的高度收縮緩沖段。

優(yōu)選地，所述寬度收縮型線段上下或者左右對(duì)稱，所述高度收縮型線段上下或者左右對(duì)稱。

優(yōu)選地，所述寬度收縮段和所述高度收縮段同軸設(shè)置。

優(yōu)選地，所述寬度收縮管壁與所述第一矩形壁之間可拆卸連接；所述高度收縮管壁與所述第二矩形壁之間可拆卸連接。

優(yōu)選地，所述第一矩形壁的外周設(shè)置寬度收縮段蓋板，所述第二矩形壁的外周設(shè)置高度收縮段蓋板。

附圖說(shuō)明

為了更清楚地說(shuō)明本發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡(jiǎn)單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來(lái)講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)提供的附圖獲得其他的附圖。

圖1為本發(fā)明實(shí)施例所提供的激波管的原理圖；

圖2為本發(fā)明實(shí)施例所提供的激波管的展向剖視結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為本發(fā)明實(shí)施例所提供的激波管的法向剖視結(jié)構(gòu)示意圖。

其中：

附圖1中：1-入口截面、2-寬度收縮管道、3-中間截面、4-高度收縮管道、5-出口截面；

附圖2中：101-上游法蘭、102-第一側(cè)壁、104-寬度收縮管壁、105-寬度收縮段蓋板、106-寬度收縮型線段、111-第二側(cè)壁、113-下游法蘭；

附圖3中：101-上游法蘭、103-第一上下壁、107-高度收縮型線段、108-高度收縮管壁、109-高度收縮段蓋板、110-觀察窗、112-第二上下側(cè)壁、113-下游法蘭。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例。基于本發(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒(méi)有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

為了使本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員更好地理解本發(fā)明方案，下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。

請(qǐng)參考圖1、圖2和圖3，圖1為本發(fā)明實(shí)施例所提供的激波管的原理圖；圖2為本發(fā)明實(shí)施例所提供的激波管的展向剖視結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為本發(fā)明實(shí)施例所提供的激波管的法向剖視結(jié)構(gòu)示意圖。

本發(fā)明提供的一種激波管，包括被驅(qū)動(dòng)段中供實(shí)驗(yàn)氣體流通的一段矩形管道，如現(xiàn)有技術(shù)。

本發(fā)明的核心在于，矩形管道設(shè)置有寬度收縮段和高度收縮段；如說(shuō)明書附圖1所示，激波管包括尺寸較大的入口截面1，寬度收縮管道2，中間截面3，高度收縮管道4，尺寸較小的出口截面5。

尺寸較大的入口截面1是被驅(qū)動(dòng)段管道的初始尺寸，寬度和高度都較大，可以為40mm×70mm；中間截面3是第一次收縮后的管道尺寸為4mm×70mm；尺寸較小的出口截面5是再次收縮后的管道尺寸為4mm×8mm；寬度收縮管道2和高度收縮管道4都包含二維壁面收縮型線，分別使矩形管道的寬度和高度不斷減小。寬度收縮管道2即為寬度收縮段，高度收縮管道4即為高度收縮段；上述管道尺寸還可以根據(jù)實(shí)際需要而定，并不限于本文所述。

其工作原理為：初始入射激波由入口截面1進(jìn)入寬度收縮管道2中，隨著管道寬度的不斷縮小，激波的強(qiáng)度逐步增加，然后以平面形狀傳播到中間截面3；增強(qiáng)后的平面激波進(jìn)入高度收縮管道4中，隨著管道高度的不斷縮小，激波也隨之進(jìn)一步增強(qiáng)，最終以平面形狀進(jìn)入到寬度和高度都較小的出口截面5，從而得到強(qiáng)度顯著增大的平面激波。

上述僅僅給出先進(jìn)行寬度收縮再進(jìn)行高度收縮的一種具體實(shí)施方式；除此之外，本發(fā)明還可以先對(duì)矩形管道的高度進(jìn)行收縮再對(duì)寬度收縮，本發(fā)明不再贅述。即，上文給出了寬度收縮段靠近矩形管道的進(jìn)口端，且高度收縮段靠近矩形管道的出口端這一實(shí)施方式，還可以將寬度收縮段靠近矩形管道的出口端，并且高度收縮段靠近所述矩形管道的進(jìn)口端。

上述給出了利用一次寬度收縮段以及一次高度收縮段進(jìn)行激波的情形；針對(duì)不同實(shí)際需要，還可以設(shè)置兩段或兩段以上的寬度收縮段，對(duì)氣流進(jìn)行兩次寬度方向的收縮；與之類似地，高度收縮段的個(gè)數(shù)也可以設(shè)置為兩段或兩段以上；如此設(shè)置，實(shí)現(xiàn)了三維收縮的激波增強(qiáng)效果，進(jìn)一步利用管道空間，大幅度提高矩形管道的面積收縮比。

說(shuō)明書附圖2與附圖3分別示出了激波管的展向剖視結(jié)構(gòu)示意圖和法向剖視結(jié)構(gòu)示意圖；可以看出，上游法蘭101與第一矩形壁連接，寬度收縮管壁104連接第一矩形壁，并且寬度收縮管壁104內(nèi)具有寬度收縮段；上游法蘭101、第一矩形壁、與寬度收縮段的管道同軸；高度收縮管壁108與寬度收縮管壁104連接，且高度收縮管壁108具有高度收縮段；寬度收縮段末端連接高度收縮段的入口；并且寬度收縮段末端的尺寸與高度收縮段的入口尺寸相同；還包括設(shè)置于高度收縮段末端、且與下游法蘭113相連的第二矩形壁，下游法蘭113、高度收縮段的管道同軸。

矩形管道的初始寬度和高度分別為40mm和70mm。入射激波馬赫數(shù)為4.3，經(jīng)過(guò)寬度收縮管壁104的匯聚增強(qiáng)，激波馬赫數(shù)增加到6.7，矩形管道的寬度減小到4mm；接著，增強(qiáng)后的平面激波進(jìn)入高度收縮管壁108，進(jìn)一步匯聚增強(qiáng)到激波馬赫數(shù)10.2，矩形管道的高度減小到8mm。管道在高度上的收縮比為8.75，在寬度上的收縮比為10，兩者共同作用實(shí)現(xiàn)了收縮比為87.5的激波增強(qiáng)效果，由此可見，本發(fā)明方法大幅度提高了激波的增強(qiáng)效果。觀察窗110可以用來(lái)觀察高度收縮段中的激波運(yùn)動(dòng)和氣流變化；除此之外，寬度收縮管壁104與第一矩形壁之間還可以可拆卸連接；高度收縮管壁108與第二矩形壁之間可以可拆卸連接。

其工作原理為：上游法蘭101與激波管的被驅(qū)動(dòng)段連接，激波管實(shí)驗(yàn)開始后，被驅(qū)動(dòng)段中產(chǎn)生一道平面激波并向下游傳播。接著激波傳播到第一側(cè)壁102，進(jìn)入寬度收縮管壁104，使初始平面運(yùn)動(dòng)激波經(jīng)過(guò)收縮段的平滑變形和強(qiáng)度逐步增加后，再以平面形狀進(jìn)入高度收縮管壁108，使激波再次平滑變形同時(shí)強(qiáng)度繼續(xù)增強(qiáng)，最后進(jìn)入寬度和高度都減小的第二上下側(cè)壁112，得到強(qiáng)度顯著增大的平面激波。

寬度收縮段包括截面尺寸恒定的寬度收縮緩沖段以及寬度收縮型線段106，且緩沖段靠近上游法蘭101；高度收縮段包括靠近寬度收縮型線段106的高度收縮型線段107，高度收縮型線段107的末端設(shè)置截面尺寸恒定的高度收縮緩沖段。

針對(duì)寬度收縮段和高度收縮段的末端矩形管道的尺寸，其寬度和高度根據(jù)實(shí)際實(shí)驗(yàn)的需要而定，但是都不宜太小以削弱和避免出現(xiàn)明顯的壁面粘性效應(yīng)；矩形管道的寬度也不宜太大，以免流場(chǎng)顯示中有明顯的三維效應(yīng)。

矩形管道在寬度和高度上設(shè)置寬度收縮段和高度收縮段，兩個(gè)收縮段都采用二維壁面收縮型線，即寬度收縮型線段106和高度收縮型線段107，使矩形管道在寬度和高度分別進(jìn)行收縮；上述寬度收縮型線段106可以為上下或者左右對(duì)稱，高度收縮型線段107上下或者左右對(duì)稱。上述兩個(gè)收縮型線段對(duì)初始激波馬赫數(shù)的變化不應(yīng)太敏感，在精度要求不高時(shí)，同一條壁面收縮型線可以適用于一系列的初始激波馬赫數(shù)。

基于激波動(dòng)力學(xué)理論，可以設(shè)計(jì)出寬度收縮型線段106和高度收縮型線段107，設(shè)計(jì)方法參考下文所述；收縮型線段的上下壁面收縮型線對(duì)稱，單側(cè)壁面包括凹形曲線段，斜直線段和凸形曲線段，線段之間平滑連接。激波的形狀在收縮段起始位置和終點(diǎn)位置是平直形，斜直線段上是圓弧形。在凹形曲線段管道中先是兩個(gè)對(duì)稱單波區(qū)，之后是雙波區(qū)，它們的邊界是第一個(gè)擾動(dòng)與中軸線的交點(diǎn)到斜直線段的兩個(gè)端點(diǎn)；斜直線段管道中都是雙波區(qū)；在凸形曲線段先是雙波區(qū)，然后是兩個(gè)對(duì)稱單波區(qū)，它們的邊界是斜直線段的兩個(gè)端點(diǎn)到最后一個(gè)擾動(dòng)與中軸線的交點(diǎn)。

給定起始位置的初始運(yùn)動(dòng)激波馬赫數(shù)，激波管初始高度，終點(diǎn)位置的出口高度，斜直線段與水平方向的匯聚角，以及實(shí)驗(yàn)氣體的比熱比；最終得到壁面的二維收縮型線上各點(diǎn)的坐標(biāo)。二維收縮型線的具體設(shè)計(jì)步驟為：1)得到收縮段的出口位置激波馬赫數(shù)；2)從收縮段的起點(diǎn)到斜直線段，以及從收縮段的終點(diǎn)到斜直線段，兩個(gè)方向同時(shí)進(jìn)行分析，在單波區(qū)得到斜直線段兩個(gè)端點(diǎn)處的激波馬赫數(shù)和坐標(biāo)；3)進(jìn)一步得到斜直線段兩個(gè)端點(diǎn)處圓柱形激波面上各點(diǎn)的激波馬赫數(shù)、坐標(biāo)位置和激波角；4)求出雙波區(qū)任一點(diǎn)的激波馬赫數(shù)、坐標(biāo)位置以及激波角；5)在單波區(qū)迭代求出凹形曲線段和凸形曲線段上任一點(diǎn)的坐標(biāo)，從而得到收縮段的壁面收縮型線；6)取前一收縮段的出口位置激波馬赫數(shù)作為新的初始激波馬赫數(shù)，并根據(jù)前一收縮段的幾何參數(shù)，再次執(zhí)行上述1)至5)的設(shè)計(jì)步驟，即可獲得后一收縮段的壁面收縮型線。當(dāng)然，對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，上述二維收縮型線還可以采用其他設(shè)置方式，本文不再贅述。

本發(fā)明的寬度收縮段和所述高度收縮段同軸設(shè)置，如說(shuō)明書附圖2與附圖3所示。針對(duì)收縮段在矩形管道外側(cè)的連接方式，第一矩形壁的外周設(shè)置寬度收縮段蓋板105，第二矩形壁的外周設(shè)置高度收縮段蓋板109。第一矩形壁可以包括位于左右兩側(cè)的第一側(cè)壁102以及位于上下兩端的第一上下壁103；第二矩形壁包括位于左右兩側(cè)的第二側(cè)壁111以及位于上下兩端的第二上下側(cè)壁112。當(dāng)然，根據(jù)實(shí)際需要，收縮段在矩形管道外側(cè)還可以有其他的連接方式，本發(fā)明不再贅述。

本發(fā)明提供的激波管，矩形管道的寬度和高度方向分別進(jìn)行面積收縮，空間利用率高，大幅度提高了激波管被驅(qū)動(dòng)段的面積收縮比；在寬度方向和高度方向的收縮段都采用二維壁面收縮型線，可行性較高；本發(fā)明提供的激波管實(shí)現(xiàn)了三維收縮的激波增強(qiáng)效果，準(zhǔn)確且高效地提高入射激波強(qiáng)度，使激波管能夠較容易的模擬強(qiáng)激波和高溫高壓環(huán)境；矩形管道便于進(jìn)行流場(chǎng)顯示，特別是后一收縮段的展向距離較小，流場(chǎng)顯示中的三維效應(yīng)明顯減弱。

需要說(shuō)明的是，在本說(shuō)明書中，諸如第一和第二之類的關(guān)系術(shù)語(yǔ)僅僅用來(lái)將一個(gè)實(shí)體與另外幾個(gè)實(shí)體區(qū)分開來(lái)，而不一定要求或者暗示這些實(shí)體之間存在任何這種實(shí)際的關(guān)系或者順序。

以上對(duì)本發(fā)明所提供的激波管進(jìn)行了詳細(xì)介紹。本文中應(yīng)用了具體個(gè)例對(duì)本發(fā)明的原理及實(shí)施方式進(jìn)行了闡述，以上實(shí)施例的說(shuō)明只是用于幫助理解本發(fā)明的方法及其核心思想。應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以對(duì)本發(fā)明進(jìn)行若干改進(jìn)和修飾，這些改進(jìn)和修飾也落入本發(fā)明權(quán)利要求的保護(hù)范圍內(nèi)。