CN101221086A - 飞行载荷作用下两相流地面模拟测试方法及装置 - Google Patents
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Abstract
一种飞行载荷作用下两相流地面模拟测试方法及装置，属于两相流测量技术领域。该方法利用飞行动载模拟平台模拟飞机动载状态，通过调整转盘的旋转速度获得不同的向心加速度，以模拟飞行载荷状态。该装置由飞行动载模拟平台及两相流测试系统组成；其中两相流测试系统由流动水循环系统、流体参数测量系统及数据采集保存系统组成。本方法及装置可以实现在地面上进行飞行载荷作用下两相流地面模拟测试。
Description
技术领域
飞行载荷作用下两相流地面模拟测试方法及装置，属于两相流测量技术领域，涉及到飞行载荷状态的地面模拟平台、流体参数测量方法的新技术。
背景技术
气液两相流是气、液两种流体混合或沸腾、凝结热流体的流动过程，通常也是一种伴随着气液相变的热量和质量传递过程。水平管内流动沸腾换热，广泛应用于动力、核能、化学、航空航天以及各种加工工业的换热设备和制冷空调中，它对于节约能源、减少贵重金属的消耗、减少设备体积以及降低生产成本等有着重要的实用价值。
航空工业领域中，大功率高集成电子电器设备的装机，虽然提高了飞行器的总体性能和作战能力，但却给机身带来了几十千瓦的发热载荷，其发热量是原先热载荷的几十倍，致使空气循环系统难以达到其设备的冷却要求，需要更好的能量管理和制冷系统；航天工业领域中，空间科学技术的进步使空间飞行器越来越向大功率和高精细化方向发展，进而对空间飞行器的流体与热管理、动力供应、环境控制与生命保障系统的要求也将越来越高，这也要求设计和建造具有更大功率、更为先进的能源供应和热量传输与控制系统。蒸发制冷循环中两相流介质的热量传递和能量供应能力充分满足这一需求。
飞行器的加速飞行或急速转弯势必会给机身带来较大的运动载荷，机身承受的过载在数值上可达6～9g。当蒸发制冷循环系统应用于航空航天技术中时，机载蒸发制冷循环系统中制冷剂的凝结、蒸发及流动和传热过程都会受到动载作用的影响，进而影响制冷部件和系统的性能。这样，蒸发制冷循环系统的设计和运行的可靠性，将在很大程度上依赖于对动载作用下气液两相流机理的充分认识。因此，动载作用下两相流的流动及传热特性的研究就显得尤为重要。
现阶段两相流方面的实验研究大多停留在地面静止状态，这样得到的实验结果不能满足飞机做加速、减速、高速转弯、横滚、快速俯冲拉起等危险动作中产生动载状态的要求，动载的出现，使得地面上的很多研究成果在飞机上并不一定仍然成立，静止方式的实验方法的缺陷是无法实现动载对于两相流的影响，因此我们要得到在飞机上仍然适合的实验结果，实验环境必须要有动载作用。对于飞行动载作用下的沸腾传热和气液两相流的研究方面，鲜见相关的研究报道。这主要是因为飞行动载状态的实现有一定的困难。
为了实现动载状态，现今许多包含飞行载荷状态的实验往往需要把整套设备和测量仪器都安装到飞机上进行跟机实验。因为飞行载荷是由飞机高速机动飞行时转弯所产生的向心力造成的，所以在进行飞行载荷状态下的实验时，飞机只有长时间地做加速、减速、高速转弯、横滚、快速俯冲拉起等危险动作才会获得持续的过载。这种情况下进行实验的安全性比较差，容易发生飞行事故和损坏实验设备。此外由于只有适合飞行条件的天气出现时飞机才能上天飞行，导致跟机实验受天气的影响较大；还有就是跟机实验次数越多，飞行次数也就越多，实验成本就会相应很高。
虽然现在已经有人设想在地面利用长直轨道加速以模拟飞行动载状态，可以不必进行跟机实验，但是由于这种方法需要上千米长的加速轨道，占用了很大的实验空间，实现起来很不容易，而且动载的大小也很难依据实验的要求进行实时调节。动载作用下两相流的地面模拟方法还没有实现，能够在动载条件下有效地进行两相流数据采集和实时检测的方法仍在探索中。
发明内容
本发明的目的在于提供一种在地面上建立并可以实现飞行载荷作用下两相流地面模拟测试方法及装置。
一种飞行载荷作用下两相流地面模拟测试方法，其特征在于包括以下过程：
(1)利用飞行动载模拟平台模拟飞机动载状态，其中通过调整转盘的旋转速度获得不同的向心加速度，以模拟飞机加速、减速、高速转弯、横滚、快速俯冲拉起动作下的飞行载荷状态；
(2)两相流测试系统安装于飞行动载模拟平台上，以实时测量流体参数和保存实验数据。
一种飞行载荷作用下两相流地面模拟测试装置，其特征在于：由飞行动载模拟平台及安装于飞行动载模拟平台上的两相流测试系统组成；其中飞行动载模拟平台由转盘、电动机、调速装置、机架组成；其中两相流测试系统由流动水循环系统、流体参数测量系统及数据采集保存系统组成；其中流动水循环系统包括水箱、水泵、预加热器、二次加热器、透明测试管，其中水箱出水口通过管路依次与水泵、预加热器、二次加热器相连，二次加热器另一端伸入透明测试管中，透明测试管另一端通过管路与水箱回水口相连；其中流体参数测量系统包括空隙率测试仪、流量计、压力计、压差计、温度传感器；其中数据采集保存系统由与传感器相连的数据采集模块及笔记本电脑组成。
工作原理：流动水被水泵从水箱里抽出后流经预加热器加热，再流入两相流透明测试管，由于预加热器的加热量不足以把水加热到沸腾状态，因此在透明测试管内设有二次加热器，水在透明测试管被二次加热到沸腾气液两相流状态，然后通过管路流回水箱，形成一个循环水系统。透明测试管段前后安装压力、压差、流量、空隙率、温度的传感器。所有测量流体参数的传感器通过3个数据模块和笔记本电脑连接，这样实验数据就可以实时的保存下来。实验过程中通过调整旋转台的转动速度，获得不同的水平向心加速度，以模拟不同的飞行过载。两相流流动及其测试系统均固定在旋转平台上，进而实现动载作用两相流的流动和换热性能的实验。
上述流动水循环系统中在水泵和预加热器之间还可以接有一个三通阀式气液混合器，该三通阀式气液混合器的一个入口与所述水泵连接，另一入口与空压机相连，其出口与所述预加热器连接。这样组成一条进气支路。它的作用在于当预加热器和二次加热器关闭时，由于该进气支路引入部分气体，和循环系统内的水混合达到混合气液两相状态。
上述飞行载荷作用下两相流地面模拟测试装置，透明测试管段可径向或周向布置，并可调节其倾斜的角度。径向时流体流动方向与转台直径方向一致，与过载方向相同或相反，可模拟飞行器直线加速或减速时的情形。周向时实验测试管段沿圆周方向布置，流体流动方向沿管段与转台的圆周切线方向一致，与过载方向垂直，可模拟飞行器快速转弯、俯冲或拉起时的情形。
上述飞行载荷作用下两相流地面模拟测试装置，在透明测试管附近设置有数码摄像机，可以拍摄记录透明管中两相流的流动状态。
利用旋转平台可以在地面模拟飞行载荷。将其与两相流系统相结合，实现了飞行动载下的两相流流动和传热性能的地面实验。
利用旋转平台可以在地面模拟飞行载荷，解决了飞行载荷实验必须上飞机做的问题，与通过飞机长时间地做高机动的危险动作来产生动载状态的方法相比，安全性要好，不容易损坏实验设备，不会发生飞行事故。相对于飞行实验的很高的实验费用，节约了很大的成本，动载大小可以根据实验要求改变转速而进行调节，动载大小可以控制，动载方向可以通过改变透明测试管段的摆放位置而调节，而且实验在室内就可以进行，不受天气状况的影响。
利用旋转平台模拟动载状态相对于用直轨道加速运动的动载模拟方法有很大的优点。转动平台的动载模拟可以在普通实验室进行，不需要很长的加速轨道，相对于直线加速上千米长的轨道，旋转平台节省了空间和费用，比较容易实现且受环境影响较小。
动载下的两相流测试装置可以在动载变化过程中很好地实现控制与测量，进行实时的数据采集与保存，通过实验结果和静止状态对比可以得到动载状态对于两相流的影响，解决了动载状态条件下难以实现的电力传递、循环流动、加热和实时监控测试问题。该系统具有两相流生成和测试功能。可以实时测量气液两相流动空隙率并将测试的数据实时保存在笔记本电脑中。实验测试管采用透明有机玻璃管，可以看到内部流体的流动情况，通过高清晰数码摄像机可以拍摄记录透明管中两相流的流动状态。
综上所述，与直轨道加速和飞行实验相比，该项发明使得动载作用下两相流流动和传热特性实验更容易控制、更经济、更安全。两相流测试装置可控性强，实时性好。
附图说明
图1是飞行动载模拟平台示意图。其中图1(a)为主视图，图1(b)为俯视图。
图2是两相流测量系统示意图。
图3是透明测试管段示意图。
图中标号名称：1、机架；2、防护网；3、转盘；4、电刷装置；5、电动机；9、护栏； 12、水箱；13、水泵；14、流量计；15、三通阀式气液混合器；16、预加热器；17、二次加热器；18、测温面；19、透明测试管；20、压差计；21、压力计；22、空压机；23、油分离器；24、数据采集模块；25、笔记本电脑；26、空隙率测试仪；27、配电箱；28、阀门；29、摄像机； 32、温度传感器；33、空隙率测试面；34、背景屏；35、水箱回水口；36、水箱出水口。
具体实施方案
结合图1进一步介绍飞行动载模拟实验平台的组成。实验平台的高速旋转要求实验装置要有很牢固的水泥地基。电动机5和转盘3都固定在机架1上，这样才可以保证整个平台在运行的时候牢固、平稳。转盘3通过轴承与机架1连接，转盘3的中轴通过皮带和电动机5连接起来，电动机5通过皮带带动平台高速旋转，电动机5的转速由变频器来控制和调节，变频器安装在平台的外面。由于电动机5用的是三相动力线，所以整个平台的电线要有接地保护。由于转盘3高速旋转，实验不可避免的带有一定的危险性。为保障实验过程的安全，在建有防护墙的情况下，安装了不锈钢制的防护网。
结合图2进一步介绍两相流地面模拟测试装置的组成。流动水被水泵13从水箱12里抽出后流经预加热器16加热，再流入两相流透明测试管19。由于预加热器16的加热量不足以把水加热到沸腾状态，因此在透明测试管19内设有二次加热器17，水在透明测试管19被二次加热到沸腾气液两相流状态，然后通过管路流回水箱12，形成一个循环水系统。透明测试管19前后安装压力、压差、流量、空隙率、温度的传感器。所有测量流体参数的传感器通过3个数据模块和笔记本电脑25连接，这样实验数据就可以实时的保存下来。实验过程中通过调整转盘3的转动速度，获得不同的水平向心加速度，以模拟不同大小的飞行过载。透明测试管段可径向或周向布置，并可调节其倾斜的角度。径向时流体流动方向与转台直径方向一致，与过载方向相同或相反，可模拟飞行器直线加速或减速时的情形。周向时实验测试管段沿圆周方向布置，流体流动方向沿管段与转台的圆周切线方向一致，与过载方向垂直，可模拟飞行器快速转弯、俯冲或拉起时的情形。
两相流流动及其测试系统均固定在飞行动载模拟实验平台上，进而实现动载作用两相流的流动和换热性能的实验。
上述流动水循环系统中在水泵和预加热器之间还可以接有一个三通阀式气液混合器15，该三通阀式气液混合器15的一个入口与所述水泵13连接，另一入口与空压机22相连，其出口与所述预加热器16连接。这样组成一条进气支路。它的作用在于当预加热器16和二次加热器17关闭时，由该进气支路引入部分气体，和循环系统内的水混合达到混合气液两相状态。所有设备用电均由配电箱供给。
结合图2及3所示，进一步介绍透明测试管19内传感器位置。如图所示在透明测试管19的内壁分别设有4个测温面18，温度传感器32的探头伸入透明测试管19内壁。4个测温面第一个用来测量沸腾前的流体温度，第二个用来测量沸腾中的流体温度，其余两个用来测量沸腾后的流体温度。
Claims (5)
1.一种飞行载荷作用下两相流地面模拟测试方法，其特征在于包括以下过程：
(1)利用飞行动载模拟平台模拟飞机动载状态，其中通过调整转盘的旋转速度获得不同的向心加速度，以模拟飞机加速、减速、高速转弯、横滚、快速俯冲拉起动作下的飞行动载状态；
(2)两相流测试系统安装于飞行动载模拟平台上，以实时测量流体参数和保存实验数据。
2.一种飞行载荷作用下两相流地面模拟测试装置，其特征在于：由飞行动载模拟平台及安装于飞行动载模拟平台上的两相流测试系统组成；
其中飞行动载模拟平台由转盘(3)、电动机(5)、调速装置、机架(10)组成；
其中两相流测试系统由流动水循环系统、流体参数测量系统及数据采集保存系统组成；
其中流动水循环系统包括水箱(12)、水泵(13)、预加热器(16)、二次加热器(17)、透明测试管(19)，其中水箱出水口(36)通过管路依次与水泵(13)、预加热器(16)、二次加热器(17)相连，二次加热器(17)另一端伸入透明测试管(19)中，透明测试管(19)另一端通过管路与水箱回水口(35)相连；
其中流体参数测量系统包括空隙率测试仪(26)、流量计(14)、压力计(21)、压差计(20)、温度传感器(32)；
其中数据采集保存系统由与传感器相连的数据采集模块(24)及笔记本电脑(25)组成。
3.根据权利要求2所述的飞行载荷作用下两相流地面模拟测试装置，其特征在于：所述的流动水循环系统中在水泵(13)和预加热器(16)之间还接有一个三通阀式气液混合器(15)，该三通阀式气液混合器(15)的一个入口与所述水泵(13)连接，另一入口与空压机(22)相连，其出口与所述预加热器(16)连接。
4.根据权利要求2-3所述的飞行载荷作用下两相流地面模拟测试装置，其特征在于：所述的透明测试管(19)在转盘(3)上径向或周向或任意角度布置。
5.根据权利要求2-3所述的飞行载荷作用下两相流地面模拟测试装置，其特征在于：在所述透明测试管(19)附近设置有用于拍摄记录透明管中两相流的流动状态的数码摄像机(29)。
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