CN103471804B - 控制水雾均匀性的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种以目标反馈式方式控制水雾均匀性的方法，水雾由喷雾装置的多个喷嘴所形成，方法包括如下步骤：（1）将包括网格的测试板放入水雾经过的通道中，使水雾经过网格，测试板具有所需要的面积；（2）在水雾经过网格的一段时间后，从水雾中取出测试板，对网格的不同部位上的结冰厚度进行测量，从而判断不同部位上的结冰厚度的均匀性是否满足要求；（3）如果均匀性测量结果超出了允许值，进行调整步骤，调整步骤是降低风洞速度、对喷雾系统的供水和供气参数重新进行调整的至少一项，然后使用测试板继续作均匀性检查；（4）均匀性测量结果还不符合要求就重复步骤（1）至（3），直至水雾的均匀性符合要求。还提供用上述方法的测试系统。

Description

控制水雾均匀性的方法和装置

技术领域

本发明涉及控制水雾均匀性的方法和装置，尤其涉及，用目标反馈式方式控制水雾均匀性的方法和装置。

背景技术

飞机设计研制的全过程一般包括预发展、工程发展、详细设计、全面试制、适航取证等五个阶段。适航取证后，意味着飞机的安全性设计被认可，也就获得了“准生证”。拿到此证后，飞机便可以进入批量生产的实质阶段。

民用飞机适航取证时，需要进行一个结冰条件下的地面试验，以表明对适航条款CCAR/FAR25.1093(b)(2)的符合性，该条款要求的结冰环境为液态水含量(LWC)不小于0.3g/m3，水滴平均直径(MVD)不小于20μm。

在自然界中寻找满足条款要求的结冰条件周期长代价大，为此，航天航空领域采用室内风洞试验来解决试验环境的寻找问题。简单地讲，就是依据运动的相对性原理，将飞行器的模型或实物固定在室内人工环境中，人为制造气流流过，以此模拟空中各种复杂的飞行状态，获取试验数据。在室内风洞实验室中，各种参数都可以根据试验要求进行控制，以到达试验要求。

这种风洞实验室可以有效解决寻找自然结冰条件所带来的周期进度长，自然结冰条件不完全与试验要求匹配的问题。但室内风洞实验室的建设周期长而且造价与运行费用都极其昂贵。

为此，航天航空领域的科研人员对自然条件接近试验要求的场地进行改造，以人工模拟结冰环境，这样既可以有效解决寻找自然结冰条件所带来的周期进度长的问题，又解决了利用室内风洞实验室进行试验的费用上的高成本的问题。但这种利用室外自然环境进行人工模拟结冰条件时，有难以控制的参数，从而导致试验不稳定，最终影响试验结果。

为了避免试验件不同部位因为感受到的结冰条件不同而影响试验结果，并且保证结冰参数测试位置处的测试结果能够代表试验件附近的真实结冰条件，需要对人工模拟的结冰条件均匀性进行控制。人工模拟结冰条件产生过程中，需要对从喷嘴飞离的液滴进行快速冷却达到过冷状态，液滴的冷却依赖于与风洞气流的对流换热，为了达到水滴快速冷却的目的，需要加大风洞的气流速度，但风洞的速度太大会导致水雾均匀性变差，在保证水滴过冷的同时并保证水雾均匀是一个难点。

如图6所示，目标LWC(液态水含量)是供水压力、供气压力和风洞速度的函数，在该适航取证的试验中，供水压力、供气压力和风洞速度中的任何一个参数的改变都会影响水雾的目标LWC数值。因此，目标LWC会随三个参数中任何一个的改变而改变。

如图6所示，目标MVD(水滴平均直径)是供水压力、供气压力和测量位置的函数，因此，水雾的目标MVD数值除了供水压力、供气压力外还受到测试位置的影响。

为此，试验人员首先要知道试验件不同部位的水雾状况才能对各个可控制的参数进行合适的调整，从而使水雾既能够达到目标LWC数值和目标MVD数值，又能够使水雾的均匀性满足试验要求。因此，获得试验件不同部位的水雾状况的参数是解决水雾均匀性的问题的关键。

发明内容

因此，为了提供符合试验要求的试验环境，解决上述的技术问题，根据本发明的一个方面，提供一种以目标反馈式方式控制水雾均匀性的方法，所述水雾由喷雾系统的喷雾装置所形成，所述喷雾装置包括纵横排列的多个喷嘴，所述方法包括如下步骤：(1)将包括网格的测试板放入由喷雾装置所形成的水雾经过的通道中，使水雾经过所述测试板中的所述网格，所述测试板具有所需要的面积；(2)在水雾经过所述测试板中的所述网格的一段时间后，从水雾中取出所述测试板，对所述测试板中的所述网格的不同部位上的结冰厚度进行测量，从而判断所述网格的不同部位上的结冰厚度的均匀性是否满足要求；(3)如果均匀性测量结果超出了允许值，则进行调整步骤，所述调整步骤是降低风洞速度、对喷雾系统的供水和供气参数重新进行调整的至少一项，然后使用所述测试板继续作均匀性检查；(4)如果均匀性测量结果还不符合要求，重复步骤(1)至(3)，直至水雾的均匀性符合要求。

在上述的控制水雾均匀性的方法中，所述步骤(2)的一段时间包括5分钟，以使所述水雾在所述测试板的所述网格上结冰。

在上述的控制水雾均匀性的方法中，所述喷嘴包括工作的喷嘴和不工作的喷嘴，所述步骤(3)的调整步骤包括调整工作的喷嘴数量,以有选择性地关闭部分工作的喷嘴或开启部分不工作的喷嘴，从而在所述测试板的所述面积上形成均匀的水雾。

在上述的控制水雾均匀性的方法中，在有选择性地关闭或开启部分喷嘴时，错排和/或错列地关闭工作的喷嘴或开启不工作的喷嘴。

在上述的控制水雾均匀性的方法中，所述测试板的网格由纵条和横条所形成且排列均匀。

在上述的控制水雾均匀性的方法中，所述测试板的所述面积对应于需要在所述水雾中做结冰试验的试验件的横截面的面积。

在上述的控制水雾均匀性的方法中，在所述步骤(1)之前还包括如下步骤：

(a)将包括格栅板的结冰条件测量设备放置在所述喷雾系统的喷雾装置所喷射出的水雾经过的通道中，使格栅板的面与喷雾装置的喷雾面平行；(b)打开风洞，将风洞风速调整至目标值，启动喷雾装置，产生水雾，该水雾经过设置在喷射通道中的结冰条件测量设备；(c)通过结冰条件测量设备读取水雾的LWC和MVD实时数值，查看LWC和MVD数值是否满足测试要求，待LWC和MVD数值与试验要求值接近时，开始步骤(1)。

在上述的控制水雾均匀性的方法中，在所述步骤(4)中，当均匀性测量结果符合要求时，此时结冰条件测量设备所获得的LWC和MVD参数代表整个水雾环境的参数。

根据本发明的另一个方面，提供一种用于控制水雾均匀性的方法中的测试板，所述测试板具有所需的面积并包括在所述面积上形成的网格，从而从形成在该面积区域的网格上的结冰状态来判断形成结冰的水雾的均匀性。

在上述的测试板中，所述测试板的网格由纵条和横条所形成。

在上述的测试板中，所述测试板的所述面积对应于需要在所述水雾中做结冰试验的试验件的横截面的面积。

根据本发明的又一个方面，提供一种用于控制水雾均匀性的方法的喷雾装置，所述喷雾装置包括多个纵横排列的、间隔开的喷嘴，各个喷嘴可以独立开启和关闭，从而根据所述测试板上的结冰均匀性的反馈控制各个喷嘴的开启和关闭，使喷嘴包括工作的喷嘴和关闭的喷嘴，从而在所述测试板的面积上形成符合要求的均匀水雾。

在上述的喷雾装置中，所述喷雾装置在被有选择性地关闭或开启部分喷嘴时，能够错排和/或错列地关闭工作的喷嘴或开启不工作的喷嘴。

根据本发明的再一个方面，提供一种用于控制水雾均匀性的方法的测试系统，所述系统包括上述的测试板和上述的喷雾装置。

本发明具有如下的优点：该方法和所涉及的装置使得民用飞机在适航取证时进行试验的成本较低，但同时能够满足试验要求。

附图说明

图1是本发明示例性实施例中所采用的喷雾系统的侧视图；

图2是图1所示的喷雾系统的俯视图；

图3是图1和2所示的喷雾系统中所采用的喷雾装置的主视示意图，其中有断裂线；

图4示出本发明示例性实施例中进行水雾均匀性测量的测试板的主视示意图，图中示出了测试板的网格；

图5示出了测试板的网格上的一个测试结果，该结果显示了水雾分布情况；

图6示出了目标LWC(液态水含量)与供水压力、供气压力和风洞速度之间的关系。

具体实施方式

下面通过一个实施例来说明目标反馈式水雾均匀性测试和均匀性控制方法。

如图1所示，该图是喷雾系统1的侧视图，其中喷雾系统1包括喷雾装置10，喷雾装置10喷射出水雾13。

在进行适航取证的试验时所需要的水雾由喷雾装置10所形成。如图3所示，该图示出了喷雾装置10的正面的一部分，在该所示面中，设置了多个喷嘴11和12，见附图中的“○”和“×”的标记。

该方法通过综合调整喷嘴11和12的工作数量、喷嘴供水压力、喷嘴供气压力和风洞速度来控制水雾均匀性，并采用一种如图4所示的网格21和22分布均匀的格栅，即测试板20，对水雾均匀性进行测量。测试板20具有所需要的面积大小，以满足试验件大小的需求。在实现喷雾装置10宽范围模拟所需要的LWC和MVD的同时，对试验件周围的水雾均匀性进行监控，从而反馈到控制系统，进而调整喷嘴数量、喷嘴供水压力、风洞速度等来实现水雾均匀性。

图3所示实施例的喷雾装置10使用11×11个喷嘴布局，喷雾装置的核心目标是模拟出满足试验要求的LWC和MVD，LWC与喷嘴喷出的水量和空气流速直接相关，关系式如下：

MVD与喷嘴的供水压力和供气压力有关，在相同的风速下，通过降低喷水量M可以减小模拟系统的LWC，当LWC低到一定程度后，MVD的值也会发生变化，此时需要调整工作的喷嘴数量而维持MVD值不变，选择性关闭一些喷嘴，在关闭喷嘴时要错排选择，以减少30％的喷嘴为例，工作的喷嘴示意图如图1所示，“×”表示喷嘴关闭。

LWC值在中等或较大时，为了匹配MVD、LWC和水雾均匀性的关系，需要调整风洞速度、喷雾系统的供水和供气压力，实现均匀性调整。为此，首先通过如图4所示的格栅对水雾进行均匀性测量，从而提供水雾均匀性测量结果的反馈。下面根据图3和图4所示来描述水雾均匀性测量方法。

水通过如图3所示的喷雾装置10中的工作的喷嘴11喷射出水雾13，该水雾13在一结冰环境下，而该结冰环境要求其能够使水雾13在该环境中形成过冷水滴，过冷水滴在飘散过程中遇到固体会发生结冰。将一个网格21和22均匀的格栅，即本发明的测试板20，放入水雾13经过的位置或通道中，见图1和2所示，格栅垂直于水雾流放置，使水雾经过该测试板20格栅面，该测试板20通过分隔部分形成网格。在该实施例中，分隔部分包括多个纵横条21，22。测试板20放入5分钟之后对整个网格上的不同位置的结冰高度进行测量，由此来判断在该测试板20范围的水雾均匀性是否满足要求。

图5示出了测试板20的网格上的一个测试结果，该结果显示了水雾分布情况，其中该图右侧的色标从上到下(即从上面的深色过渡到浅灰色再过渡到下面的深色，图中从上到下的灰度标记)指示了水雾均匀性指标(数值代表均匀性的偏差指标，指标为0表示绝对均匀)。由此，对照测试要求，可以判断出该水雾分布是否符合均匀性要求。另一方面，可以根据该分布结果的反馈，来进一步调整可控制的参数，从而使水雾分布均匀性达到试验要求的程度。

图1和2示出了一个水雾均匀性测试的一个具体实施例，其测试过程如下。

(1)首先，按照图1所示将具有格栅板的结冰条件测量设备2放置在喷雾系统1的喷雾装置10所喷射出的水雾13经过的通道中，需要保证结冰条件测量设备2的格栅板与喷雾装置10的喷雾面平行，即，格栅板的面与喷射方向垂直。

(2)打开风洞(图中未示出)，将风洞风速调整至目标值，启动喷雾装置10，产生水雾13，该水雾13经过设置在通道中的结冰条件测量设备2。

(3)通过结冰条件测量设备2读取水雾的LWC和MVD实时数值，查看LWC和MVD数据是否满足测试要求，待LWC和MVD数据与试验要求值接近时，放入测量水雾均匀性的测试板20以进行均匀性测量。

(4)测试板20放入5分钟后从水雾中取出，对测试板20网格的不同部位上的结冰厚度进行测量，从而判断均匀性是否满足要求。

(5)如果均匀性测量结果超出了允许值，则进行降低风洞速度、对喷雾系统的供水和供气参数重新进行调整的至少一项，并使用测试板20继续作检查。

(6)重复步骤(4)和(5)，直至水雾的均匀性符合要求，此时结冰条件测量设备2所获得的LWC和MVD参数可以代表整个水雾环境的参数。

上述示例性的实施例示出了解决本发明要解决的技术问题的技术方案中的一个实施例。在该实施例的示例下，其它符合本发明原理的等效和类似的手段都属于本发明保护的范围中。本发明的发明原理是，在测试场合具有不可控制的因素的情况下，通过用一个测试装置测试所形成的水雾的均匀性，然后通过该测试的反馈来调整形成水雾的各个可调整的参数，以形成均匀性的水雾。

该方法和所涉及的装置使得民用飞机适航取证的成本较低，但同时能够满足当局规定的适航条款CCAR/FAR25.1093(b)(2)。

Claims (14)

1.一种以目标反馈式方式控制水雾(13)均匀性的方法，所述水雾(13)由喷雾系统(1)的喷雾装置(10)所形成，所述喷雾装置(10)包括纵横排列的多个喷嘴，所述方法包括如下步骤：

(1)将包括网格的测试板(20)放入由喷雾装置(10)所形成的水雾(13)经过的通道中，使水雾(13)经过所述测试板(20)中的所述网格，所述测试板(20)具有所需要的面积；

(2)在水雾(13)经过所述测试板(20)中的所述网格的一段时间后，从水雾(13)中取出所述测试板(20)，对所述测试板(20)中的所述网格的不同部位上的结冰厚度进行测量，从而判断所述网格的不同部位上的结冰厚度的均匀性是否满足要求；

(3)如果均匀性测量结果超出了允许值，则进行调整步骤，所述调整步骤是降低风洞速度、对喷雾系统的供水和供气参数重新进行至少一项的调整，然后使用所述测试板(20)继续作均匀性检查；

(4)如果均匀性测量结果还不符合要求，重复步骤(1)至(3)，直至水雾的均匀性符合要求。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(2)的一段时间包括5分钟，以使所述水雾(13)在所述测试板(20)的所述网格上结冰。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于,所述喷嘴包括工作的喷嘴(11)和不工作的喷嘴(12)，所述步骤(3)的调整步骤包括调整工作的喷嘴(11)数量,以有选择性地关闭部分工作的喷嘴(11)或开启部分不工作的喷嘴(12)，从而在所述测试板(20)的所述面积上形成均匀的水雾。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于,在有选择性地关闭或开启部分喷嘴时，错排和/或错列地关闭工作的喷嘴(11)或开启不工作的喷嘴(12)。

5.如权利要求3所述的方法，其特征在于,所述测试板(20)的网格由纵条(21)和横条(22)所形成且排列均匀。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于,所述测试板(20)的所述面积对应于需要在所述水雾(13)中做结冰试验的试验件的横截面的面积。

7.如上述权利要求中的任何一项所述的方法，其特征在于，在所述步骤(1)之前还包括如下步骤：

(a)将包括格栅板的结冰条件测量设备(2)放置在所述喷雾系统(1)的喷雾装置(10)所喷射出的水雾(13)经过的通道中，使格栅板的面与喷雾装置(10)的喷雾面平行；

(b)打开风洞，将风洞风速调整至目标值，启动喷雾装置(10)，产生水雾(13)，该水雾(13)经过设置在喷射通道中的结冰条件测量设备(2)；

(c)通过结冰条件测量设备(2)读取水雾(13)的LWC和MVD实时数值，查看LWC和MVD数值是否满足测试要求，待LWC和MVD数值与试验要求值接近时，开始步骤(1)。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于,在所述步骤(4)中，当均匀性测量结果符合要求时，此时结冰条件测量设备(2)所获得的LWC和MVD参数代表整个水雾环境的参数。

9.一种用于权利要求1所述方法的测试板(20)，所述测试板具有所需的面积并包括在所述面积上形成的网格，从而从形成在该面积区域的网格上的结冰状态来判断形成结冰的水雾的均匀性。

10.如权利要求9所述的测试板，其特征在于，所述测试板(20)的网格由纵条(21)和横条(22)所形成。

11.如权利要求10所述的测试板，其特征在于,所述测试板(20)的所述面积对应于需要在所述水雾(13)中做结冰试验的试验件的横截面的面积。

12.一种用于权利要求1所述方法的喷雾装置，所述喷雾装置包括多个纵横排列的、间隔开的喷嘴，各个喷嘴可以独立开启和关闭，从而根据所述测试板上的结冰均匀性的反馈控制各个喷嘴的开启和关闭，喷嘴包括工作的喷嘴(11)和不工作的喷嘴(12)，从而在所述测试板的面积上形成符合要求的均匀水雾。

13.如权利要求12所述的喷雾装置，其特征在于,所述喷雾装置在被有选择性地关闭或开启部分喷嘴时，能够错排和/或错列地关闭工作的喷嘴(11)或开启不工作的喷嘴(12)。

14.一种用于权利要求1所述方法的测试系统，所述系统包括如权利要求9所述的测试板和如权利要求12所述的喷雾装置。