一种加热超高压氢气驱动激波风洞及其工作流程制造技术

本发明专利技术属于高超声速试验设备技术领域，公开了一种加热超高压氢气驱动激波风洞及其工作流程。加热超高压氢气驱动激波风洞包括结构本体，以及为结构本体服务的功能保障系统和安全保障系统；结构本体包括从前至后顺序密封连接的驱动段、膜片Ⅰ、被驱动段、膜片Ⅱ、喷管、试验段和真空舱；功能保障系统包括加热器系统、供气系统、真空系统和总控系统；安全保障系统包括监控运行状态的管体应变监测系统、泄漏监测系统、应力波监测系统和氢损伤监测系统。工作流程包括试验流程、扩氢流程和风险处置流程。本发明专利技术的加热超高压氢气驱动激波风洞及其工作流程，通过综合措施，降低了使用风险，提供了可行的技术方案和技术储备。了可行的技术方案和技术储备。了可行的技术方案和技术储备。

【技术实现步骤摘要】
一种加热超高压氢气驱动激波风洞及其工作流程


[0001]本专利技术属于高超声速试验设备
，具体涉及一种加热超高压氢气驱动激波风洞及其工作流程。

技术介绍

[0002]激波风洞是利用激波压缩试验气体，然后通过定常膨胀方法产生高超声速试验气流的脉冲型试验装置。
[0003]激波风洞通常由依次驱动段、被驱动段、喷管、试验段等部段组成。其中驱动段与被驱动段、被驱动段与喷管之间分别用膜片隔开，驱动段充入高压驱动气体，被驱动段充入较低压力的试验气体，喷管和试验段内抽成真空模拟空中环境，试验模型位于喷管出口的试验段内。然后控制驱动段与被驱动段膜片瞬间打开，形成强激波，压缩被驱动段的低压试验气体使其升温升压，激波压缩形成的高温高压试验气体打开被驱动段与喷管之间的膜片（二道膜），并喷管膨胀加速形成高马赫数试验气流。
[0004]激波强度是表征激波风洞驱动性能的参数之一，采用轻气体作为驱动气体、提高驱动气体压力和温度是提高风洞驱动性能的主要方式。氢气作为分子量密度最小的气体，对氢气进行加热加压后，作为驱动气体可以有效提高风洞驱动性能。但是，氢气易燃、易爆、易泄漏，还会因“氢脆”导致材料性能下降，并且随着压力和温度的升高，上述风险更是急剧上升。因此，安全风险一直限制建设加热超高压氢气驱动激波风洞的主要因素。
[0005]当前，亟需发展一种具有工程实用价值的加热超高压氢气驱动激波风洞及其工作流程。

技术实现思路

[0006]本专利技术所要解决的一个技术问题是提供一种加热超高压氢气驱动激波风洞，本专利技术所要解决的另一个技术问题是提供一种加热超高压氢气驱动激波风洞的工作流程，降低加热超高压氢气使用风险。
[0007]本专利技术的加热超高压氢气驱动激波风洞，其特点是，所述的加热超高压氢气驱动激波风洞包括结构本体，为结构本体服务的功能保障系统和安全保障系统；结构本体包括从前至后顺序密封连接的驱动段、膜片Ⅰ、被驱动段、膜片Ⅱ、喷管、试验段和真空舱；功能保障系统包括供气系统、加热器系统、真空系统和总控系统；驱动段上安装加热器系统；驱动段和被驱动段分别连接供气系统；驱动段、被驱动段和试验段分别连接的真空系统；总控系统通过线缆连接结构本体、功能保障系统和安全保障系统中的各部件，用于加热超高压氢气驱动激波风洞的总体控制，包括流程控制、运行状态监测、预警及处置；安全保障系统包括监控加热超高压氢气驱动激波风洞运行状态的管体应变监测系统、泄漏监测系统、应力波监测系统和氢损伤监测系统。
[0008]进一步地，所述的结构本体中的驱动段采用超高压圆筒结构，位于结构本体的上
游，用于储存作为驱动气体的超高压氢气，前端采用封头封堵，后端通过膜片Ⅰ与被驱动段分隔；被驱动段采用超高压圆筒结构，位于驱动段下游，用于储存初始试验气体，前端通过膜片Ⅰ与驱动段分隔，后端通过膜片Ⅱ与喷管分隔；喷管采用轴对称结构，内型面为收缩
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扩张型面，位于被驱动段下游；喷管前端通过膜片Ⅱ与被驱动段分隔，后端与试验段连通；被驱动段的初始试验气体，在喷管内经激波反复压缩形成高温高压试验气体，经收缩
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扩张型面膨胀加速，在喷管后端出口形成高超声速气流；试验段为方形或圆筒形真空容器，位于喷管下游，后端与真空舱连通；试验段内安装试验模型进行测量试验；真空舱为球形或圆筒形真空容器，位于试验段下游，用于增大试验段的真空容积。
[0009]进一步地，所述的功能保障系统中的供气系统为加热超高压氢气驱动激波风洞提供驱动气体和试验气体；加热器系统用于加热驱动段，提高驱动段和驱动气体温度；真空系统用于抽出加热超高压氢气驱动激波风洞内的气体；试验前抽空驱动段和被驱动段的余气，达到驱动气体和试验气体的纯净要求；试验前还将喷管、试验段和真空舱抽空至低压真空环境，达到喷管形成高超声速试验气流的参数要求。
[0010]进一步地，所述的安全保障系统中的管体应变监测系统布置在驱动段上，用于实时在线监测驱动段服役过程中应变状态，避免驱动段由于承压状态异常、材料失效导致的超高压圆筒爆炸风险；泄漏监测系统布置在驱动段上，对驱动段因密封损伤、管体裂纹导致的氢气泄漏，进行监测、定位、收集和安全排放，通过及时发现氢气泄漏，防止氢气泄露到空气环境中，避免燃爆风险；氢损伤监测系统布置在驱动段上，对驱动段材料中的氢浓度进行监测、评估，及时提示材料氢损伤风险，避免驱动段因氢损伤突发脆性断裂，引发重大安全事故；应力波监测系统布置在加热超高压氢气驱动激波风洞的各部段上，监测服役过程中发生的各部段故障，故障包括裂纹萌生、泄漏、连接松弛以及各部段之间的密封失效。
[0011]进一步地，所述的驱动段的内壁优选采用抗氢合金制造，用于隔离和抵抗高压氢气腐蚀。
[0012]本专利技术的加热超高压氢气驱动激波风洞的工作流程，包括试验流程、扩氢流程和风险处置流程。
[0013]试验流程包括以下步骤：S11.安装膜片Ⅰ和膜片Ⅱ；在驱动段与被驱动段之间安装膜片Ⅰ、被驱动段与喷管之间安装膜片Ⅱ，并将膜片夹紧；S12.抽真空；通过真空系统将驱动段、被驱动段和试验段分别抽真空至设定压力；S13.加热驱动段；通过加热器系统将驱动段加热至设定温度；S14.被驱动段充入试验气体；通过供气系统向被驱动段内充入试验气体至设定压力；S15.驱动段充入试验气体；通过供气系统向驱动段内充入氢气；S16.进行激波风洞试验；驱动段内的氢气压力、温度均达到设定值后，总控系统控制膜片Ⅰ瞬间打开并产生
激波，激波在被驱动段内高速运动，压缩被驱动段的试验气体升温升压；激波运行至被驱动段后端时，发生反射，进一步提高被驱动段内试验气体的压力和温度，同时，激波后的高压试验气体使膜片Ⅱ瞬间打开，试验气体从喷管流出，进入试验段，流经试验模型后，进入真空舱；S17.试验后续工作；待加热超高压氢气驱动激波风洞的气体压力平衡后，通过真空系统，将气体全部抽空，再置换为常压空气；试验流程运行过程中，管体应变监测系统、泄漏监测系统、应力波监测系统、氢损伤监测系统在线同步运行，同时，将监测信息实时上传给总控系统；试验参数设置、工艺流程控制、运行状态监测、预警及处置均由总控系统统一汇总、调度。
[0014]扩氢流程包括以下步骤：S21.安装膜片Ⅰ；在驱动段与被驱动段之间安装膜片Ⅰ，并将膜片Ⅰ夹紧；S22.抽真空；通过真空系统将驱动段抽空至设定压力；S23.加热驱动段；通过加热器系统将驱动段加热至设定的扩氢温度后保温至设定的时间；S24.二次抽真空；在驱动段保温过程中，当驱动段内的气体压力超过1kPa，继续通过真空系统将驱动段内的气体抽空至设定压力；S25.结束；当驱动段的保温时间大于等于2小时，且驱动段气体压力升高不超过100Pa时，扩氢过程结束；风险处置流程包括以下步骤：试验流程运行过程中，管体应变监测系统、泄漏监测系统、应力波监测系统、氢损伤监测系统在线同步运行，当管体应变监测系统、泄漏监测系统、应力波监测系统、氢损伤监测系统中的一个或者一个以上的故障报警灯闪烁时，工作人员立即中止试验，转入风险处置流程；S31.收到预警信息；本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种加热超高压氢气驱动激波风洞，其特征在于，所述的加热超高压氢气驱动激波风洞包括结构本体，为结构本体服务的功能保障系统和安全保障系统；结构本体包括从前至后顺序密封连接的驱动段（1）、膜片Ⅰ（2）、被驱动段（3）、膜片Ⅱ（4）、喷管（5）、试验段（6）和真空舱（7）；功能保障系统包括供气系统（8）、加热器系统（9）、真空系统（10）和总控系统（11）；驱动段（1）上安装加热器系统（9）；驱动段（1）和被驱动段（3）分别连接供气系统（8）；驱动段（1）、被驱动段（3）和试验段（6）分别连接的真空系统（10）；总控系统（11）通过线缆连接结构本体、功能保障系统和安全保障系统中的各部件，用于加热超高压氢气驱动激波风洞的总体控制，包括流程控制、运行状态监测、预警及处置；安全保障系统包括监控加热超高压氢气驱动激波风洞运行状态的管体应变监测系统（12）、泄漏监测系统（13）、应力波监测系统（14）和氢损伤监测系统（15）。2.根据权利要求1所述的加热超高压氢气驱动激波风洞，其特征在于，所述的结构本体中的驱动段（1）采用超高压圆筒结构，位于结构本体的上游，用于储存作为驱动气体的超高压氢气，前端采用封头封堵，后端通过膜片Ⅰ（2）与被驱动段（3）分隔；被驱动段（3）采用超高压圆筒结构，位于驱动段（1）下游，用于储存初始试验气体，前端通过膜片Ⅰ（2）与驱动段（1）分隔，后端通过膜片Ⅱ（4）与喷管（5）分隔；喷管（5）采用轴对称结构，内型面为收缩
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扩张型面，位于被驱动段（3）下游；喷管（5）前端通过膜片Ⅱ（4）与被驱动段（3）分隔，后端与试验段（6）连通；被驱动段（3）的初始试验气体，在喷管（5）内经激波反复压缩形成高温高压试验气体，经收缩
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扩张型面膨胀加速，在喷管（5）后端出口形成高超声速气流；试验段（6）为方形或圆筒形真空容器，位于喷管（5）下游，后端与真空舱（7）连通；试验段（6）内安装试验模型进行测量试验；真空舱（7）为球形或圆筒形真空容器，位于试验段（6）下游，用于增大试验段（6）的真空容积。3.根据权利要求1所述的加热超高压氢气驱动激波风洞，其特征在于，所述的功能保障系统中的供气系统（8）为加热超高压氢气驱动激波风洞提供驱动气体和试验气体；加热器系统（9）用于加热驱动段（1），提高驱动段（1）和驱动气体温度；真空系统（10）用于抽出加热超高压氢气驱动激波风洞内的气体；试验前抽空驱动段（1）和被驱动段（3）的余气，达到驱动气体和试验气体的纯净要求；试验前还将喷管（5）、试验段（6）和真空舱（7）抽空至低压真空环境，达到喷管（5）形成高超声速试验气流的参数要求。4.根据权利要求1所述的加热超高压氢气驱动激波风洞，其特征在于，所述的安全保障系统中的管体应变监测系统（12）布置在驱动段（1）上，用于实时在线监测驱动段（1）服役过程中应变状态，避免驱动段（1）由于承压状态异常、材料失效导致的超高压圆筒爆炸风险；泄漏监测系统（13）布置在驱动段（1）上，对驱动段（1）因密封损伤、管体裂纹导致的氢气泄漏，进行监测、定位、收集和安全排放，通过及时发现氢气泄漏，防止氢气泄露到空气环境中，避免燃爆风险；氢损伤监测系统（15）布置在驱动段（1）上，对驱动段（1）材料中的氢浓度进行监测、评估，及时提示材料氢损伤风险，避免驱动段（1）因氢损伤突发脆性断裂，引发重大安全事故；应力波监测系统（14）布置在加热超高压氢气驱动激波风洞的各部段上，监测服役过程中发生的各部段故障，故障包括裂纹萌生、泄漏、连接松弛以及各部段之间的密封失效。5.根据权利要求1所述的加热超高压氢气驱动激波风洞，其特征在于，所述的驱动段
（1）的内壁优选采用抗氢合金制造，用于隔离...

【专利技术属性】
技术研发人员：廖振洋，李国志，孔荣宗，吴里银，钟涌，
申请(专利权)人：中国空气动力研究与发展中心超高速空气动力研究所，
类型：发明
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