CN102129806B - 大气环境模拟装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大气环境模拟装置，模拟内容包括：大气环境中的横向风速、压力、湿度、温度、湍流、光学吸收以及这些参数随高度的变化。其包括单节模拟装置、真空装置、配气装置、参数控制器、数据采集器、加湿装置和制冷系统；单节模拟装置包括气密的单节管道和装在单节管道内部的单向风模拟发生器、湍流效应模拟发生器及温度传感器、湿度传感器、压力传感器。本发明通过仿真设计得到各个模拟参数的取值和控制范围，当激光在管道内传输时，其受到的影响如同在大气环境中传输的效果，可用于激光大气传输物理问题的研究，也可作为环境大气化学反应研究的环境模拟装置。

Description

大气环境模拟装置

[技术领域]

本发明涉及大气环境模拟技术领域，尤其涉及一种光大气传输环境的模拟装置。

[背景技术]

在进行激光大气传输物理问题研究时，需要有一个在一定范围内可调可控的大气传输环境的模拟环境。而在室内条件下模拟典型大气环境本身是一个挑战性课题，其模拟的主要内容包括：横向风速、光学吸收、湍流、温、湿、压以及这些参数随高度的变化等。而所有这种模拟方法和装置基本没有先例可以借鉴。

[发明内容]

本发明要解决的技术问题是提供一种利用机电、光学等设备在密闭的人造空间内模拟由微弱到较强的稳定横向风、大气湍流强度变化、不同的光吸收能力和不同大气压力下的光大气传输环境的模拟装置。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是，一种大气环境模拟装置，包括单节模拟装置、真空装置、配气装置、参数控制器、数据采集器、加湿装置和制冷系统，单节模拟装置包括气密的单节管道和装在单节管道内部的侧向风模拟发生器、湍流效应模拟发生器及温度传感器、湿度传感器、压力传感器；侧向风模拟发生器包括风道、灌流风机和蜂窝导风器，灌流风机与蜂窝导风器通过风道连接；湍流效应模拟发生器包括光传输通道、高温板和低温板，高温板装在低温板的下方，高温板与低温板之间所留间距为光传输通道；湍流效应模拟器装在灌流风机与蜂窝导风器之间的循环风道中，光传输通道与循环风道相交重叠，风道内装有风速传感器；灌流风机的调速器与参数控制器连接，风速传感器、温度传感器、湿度传感器和气压传感器与数据采集器连接；真空装置、配气装置、参数控制器、数据采集器、加湿装置和制冷系统设置在单节模拟装置的外部。

作为优选，高温板为矩形板，一端与灌流风机进风口的下侧连接，另一端与蜂窝器出口的下侧连接；低温板为矩形板，一端与灌流风机进风口上侧连接，另一端与蜂窝器出口的上侧连接；高温板与低温板相互平行安装，高温板的平面、低温板的平面均与过管道中轴线的水平面相互平行。

作为优选，高温板内装电热元件，电热元件与参数控制器连接；低温板内装冷水循环管道，冷水循环管道与水冷系统连接，水冷系统包括制冷机、水泵和蓄水箱，制冷机的冷凝盘管装在蓄水箱中，蓄水箱内的低温水通过水泵连续不断地流入低温板内的冷水循环管道后再回到蓄水箱中。

作为优选，单节管道两边的端口装有法兰，可由1个或复数个单节模拟装置组成模拟段，复数个单节模拟装置组成的模拟段通过单节管道两端的法兰连接；在模拟段的两边端口用盲板法兰封闭，盲板法兰上开有通光窗口，通光窗口高低位置与光传输通道的高度一致；通光窗口的封闭材料可依照不同的光波段透光要求进行选择。

作为优选，真空装置包括真空泵、真空管路和阀门，真空泵通过真空管路和阀门与单节模拟装置连接；

作为优选，配气装置包括配气管路、配气阀门和气瓶，气瓶装有光可吸收的气体源，气瓶通过配气管路的配气阀门与单节模拟装置连接。

作为优选，加湿装置包括存水密封容器、管路和节流阀门，存水密封容器通过管路和节流阀门连接到单节模拟装置。

作为优选，单节模拟装置装在带有滚轮和升降支脚的支架上，通过升降支脚可调节支架的高低，在单节模拟装置移动时升降支脚可脱离与地面接触，固定时升降支脚可调整到让滚轮离地。

本发明的有益效果是，根据实际激光大气传输的情况，在单节模拟装置内模拟出空间某处大气环境的主要参数(大气的温、湿、压和风、湍流以及大气吸收以及这些参数随高度的变化等)。将若干个单节模拟装置连接成模拟段，则可以模拟不同高度的大气环境的主要参数。通过仿真设计得到各个模拟参数的取值和控制范围，当激光在管道内传输时，其受到的影响如同在大气环境中传输的效果，可方便地用于激光大气传输物理问题的研究，也可作为环境大气化学反应研究的环境模拟装置。

[附图说明]

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1是本发明大气传输模拟装置实施例单节模拟装置的立体结构示意图。

图2是本发明大气传输模拟装置实施例单节模拟装置的内部结构示意图。

图1和图2中，1-法兰，2-管道，3-低温板，4-灌流风机，5-通光窗口，6-风道，7-高温板，8-蜂窝导风器，9-光传输通道。

图3是本发明大气传输模拟装置实施例外部设备连接示意图。

图4是本发明大气传输模拟装置实施例的外形结构示意图。

[具体实施方式]

本实施例是用于激光的大气传输物理问题研究的大气模拟装置。大气环境模拟装置的主体是由若干个单节模拟装置连接而成。为了模拟不同高度范围的大气条件，可由1个单节模拟装置或若干个单节模拟装置连接构成模拟段，段内空间气密，模拟段可模拟某高度范围的大气环境。段与段之间有通光窗口5，既保证光的通过，又起到段之间的密封隔离作用。段与段之间的窗口材料可根据激光波长选择。段与段的拼接构成整层大气的模拟装置。

在图1中，单节模拟装置的外壳是圆形的单节管道，长度为1m、直径为1m，在单节管道的内部装有灌流风机、风道、蜂窝导风器、高温板、低温板，另外还装有风速、温度、湿度、压力传感器。在单节管道的两端装有连接用的法兰。另外如图3所示：真空装置、配气装置、参数控制器、数据采集器、加湿装置和制冷系统均装在单节模拟装置的外部并与单节模拟装置连接。

单节模拟装置的内部结构如图2所示，其模拟的内容及其结构分述如下：

1)湍流的形成大气中的湍流时时变化是不可重复的，但在其强度上可以仿真。当地面被阳光加热后，表面的气体变热，热空气上升，低层大气形成对流从而构成湍流现象。根据湍流形成的这一过程，采用相对平行安置的高温板7和低温板3，低温板3处于高温板7的上方，中间有间距，形成类似大气环境的地面与上空不同的温度条件。因此，在两板之间的气体形成湍流效应。湍流的强度通过高温板7与低温板3两者间的温差来调控。高温板7是通过电加热方式产生高温，低温板3是在其表面盘有冷水循环管道并通过与水冷系统连接来达到降温目的。需要注意的问题是高温板和低温板对周围材料的隔热处理。

2)横向风的产生在有限的空间内产生较稳定可调的风速是极其困难的一件事情，受边界环境的影响，很容易受阻而产生乱流。在高温板7和低温板3的横向两侧分别安装了灌流风机4和蜂窝导风器8，灌流风机4产生的风沿着风道6抵达蜂窝导风器8，当风经过蜂窝导风器8时形成了稳定的横向风，穿过光传输通道9回到风机。灌流风机4的转速可调，由此改变风速。

在图2所示的内部结构中，将由高温板7与低温板3与蜂窝导风器8流向灌流风机4的组合在一起，形成湍流效应发生区与横向风的风道垂直相交，同时，光传输通道9沿单节管道的轴向在高温板7与低温板3之间通过，形成了一试验区，可以在此区域观察湍流效应、横向风风速变化对光传输的影响。

3)大气吸收首先通过真空泵将气密的单节模拟装置或模拟段中的大气抽出，然后通过配气装置将气瓶中的光可吸收气体充入配气管路内(根据实验的要求通入不同的气体种类并控制充入单节模拟装置或模拟段的分压强，如不需要可采用氮气作为本底气体)，使之达到光在大气中传输时产生的吸收效果。因单节模拟装置或模拟段是独立密封的，并符合真空技术要求。通过阀门可以分别控制和切换真空管路和配气管路的关或通。

4)制冷系统制冷系统包括制冷机、水泵和冷水箱，制冷机的冷凝管盘在冷水箱的蓄水中，水被降温后，水泵将冷水通过冷水输出管路输送到低温板3上的冷水循环管道，使低温板3的温度维持在较低的温度下，经过冷水循环管道回流的水经回水管路回到冷水箱里。输送的冷水温度是通过制冷机对温度控制实现的，实验期间冷水循环运行(图3)。

5)温度、湿度和气压的形成和观测单节管道内装有温度、湿度和压力传感器，其中温度只是实时测量，压力是通过抽真空和充入气体来控制，湿度是通过操控密封的水罐以及对应的控制阀门实现的。当需要调节某单节管道的湿度时，打开通往水罐管路上的阀门，让该水罐内的存水通过自然蒸发进入单节管道并达到要求的湿度(图3)。

6)参数控制器用于各项可控参数的设定和调节，是人机操作的平台。数据采集器是计算机自动数据采集系统，可将管道内的各种实时测量数据汇集后形成数据记录文件，并实时存储这些数据，以供激光传输分析工作使用。

7)光传输通道制作时将各个单节模拟装置内的光传输通道都统一在相同的高度上，并且与模拟段两端的盲板法兰上开的通光窗口5的高度一致。另外还可以通过升降支脚调节单节模拟装置的高度来使得光传输通道高度的一致。进行实验时，将激光从整个连接好的大气模拟装置的一端射入后，激光穿过所有单节模拟装置内的光传输通道，最后到达大气模拟装置的另一端。

在图4中，由于整个模拟系统有一定的体积和重量，为了方便移动和调试，采用以单节模拟装置为基本单元的结构，节与节可以相互连接成一密封长段，各段可有独立的大气参数。

Claims (9)

1.一种大气环境模拟装置，其特征在于，包括单节模拟装置、真空装置、配气装置、参数控制器、数据采集器、加湿装置和制冷系统；所述的单节模拟装置包括气密的单节管道和装在单节管道内部的单向风模拟发生器、湍流效应模拟发生器及温度传感器、湿度传感器、气压传感器；所述的单向风模拟发生器包括风道、灌流风机和蜂窝导风器，灌流风机与蜂窝导风器通过风道连接；所述的湍流效应模拟发生器包括光传输通道、高温板和低温板，高温板装在低温板的下方，高温板与低温板之间所留间距为光传输通道；湍流效应模拟器装在灌流风机与蜂窝导风器之间的循环风道中，光传输通道与循环风道相交重叠，风道内装有风速传感器；所述的灌流风机的调速器与参数控制器连接，所述的风速传感器、温度传感器、湿度传感器和气压传感器与数据采集器连接，所述的真空装置、配气装置、参数控制器、数据采集器、加湿装置和制冷系统设置在单节模拟装置的外部。

2.根据权利要求1所述的大气环境模拟装置，其特征在于，所述的高温板为矩形板，一端与灌流风机进风口的下侧连接，另一端与蜂窝导风器出口的下侧连接；所述的低温板为矩形板，一端与灌流风机进风口上侧连接，另一端与蜂窝导风器出口的上侧连接；高温板与低温板相互平行安装，高温板的平面、低温板的平面均与过单节管道中轴线的水平面相互平行。

3.根据权利要求2所述的大气环境模拟装置，其特征在于，所述的高温板内装电热元件，电热元件与参数控制器连接。

4.根据权利要求1所述的大气环境模拟装置，其特征在于，所述的低温板内装冷水循环管道，冷水循环管道与水冷系统连接，所述的水冷系统包括制冷机、水泵和蓄水箱，制冷机的冷凝盘管装在蓄水箱中，蓄水箱内的低温水通过水泵连续不断地流入低温板内的冷水循环管道后再回到蓄水箱中。

5.根据权利要求1所述的大气环境模拟装置，其特征在于，所述单节管道两边的端口装有法兰，由1个或复数个单节模拟装置组成模拟段，复数个单节模拟装置组成的模拟段通过单节管道两端的法兰连接；在模拟段的两边端口用盲板法兰封闭，盲板法兰上开有通光窗口，通光窗口高低位置与光传输通道的高度一致；所述通光窗口的封闭材料依照不同的光波段透光要求进行选择。

6.根据权利要求1所述的大气环境模拟装置，其特征在于，所述的真空装置包括真空泵、真空管路和阀门，真空泵通过真空管路和阀门与单节模拟装置连接。

7.根据权利要求1所述的大气环境模拟装置，其特征在于，所述的配气装置包括配气管路、配气阀门和气瓶，气瓶装有光可吸收的气体源，气瓶通过配气管路和配气阀门与单节模拟装置连接。

8.根据权利要求1所述的大气环境模拟装置，其特征在于，所述的加湿装置包括存水密封容器、管路和节流阀门，所述的存水密封容器通过管路和节流阀门连接到单节模拟装置。

9.根据权利要求1所述的大气环境模拟装置，其特征在于，单节模拟装置装在带有滚轮和升降支脚的支架上，通过升降支脚可调节支架的高低，在单节模拟装置移动时升降支脚可脱离与地面接触，固定时升降支脚可调整到让滚轮离地。

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