CN104764578B - 一种结除冰过程测力试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种结除冰过程测力试验装置，包括实验模型、电热除冰装置、外式天平、隔热装置、保护罩和盖板；该装置基于结冰风洞实验平台，通过在实验模型中安装电热除冰装置，以模拟除冰的过程并实现模型表面的除冰，采用在低温高湿环境中校准过的外式测力天平，以测量结/除冰过程中实验模型气动参数的变化；该装置的主要功能是进行飞机部件结/除冰过程的测力实验研究。

Description

一种结除冰过程测力试验装置

技术领域

本发明涉及风洞测力试验领域，尤其是涉及一种用于结冰风洞中进行结/除冰过程测力实验研究的试验装置。

背景技术

目前，结冰对飞机部件气动力/力矩的影响研究通常是在常规低速风洞中开展，前提是必须在结冰风洞中获取真实准确的结冰外形，并将其制作成全尺寸或缩比尺寸的冰模，安装于干净翼型表面进行常规低速风洞实验。因此，结冰外形的精确测量和模拟是关键，但由于实验技术的限制和研究人员水平的差异，并不总能获得完全精确的结冰外形和冰模，这就导致了实验研究结果的差异。鉴于此，在结冰风洞中开展实验模型结冰过程的气动参数测量实验技术，这样可以缩减冰形测量和冰模制作两道环节，减少影响实验结果的误差源，更加真实的模拟结冰对飞机气动特性的影响。

结冰风洞是飞机结冰研究的关键实验设备。目前，国外已有数十座结冰风洞，对飞机结冰进行了几十年的研究，取得了大量研究成果，以美国为例，NASA、AEDC、波音等机构都建有结冰风洞，其中仅波音公司就有3座。发达国家一直想利用结冰风洞探索飞机部件结冰过程的气动力测量实验研究，但是这方面的研究工作还未见公开报道。采用结冰风洞实验的研究方法，在中国空气动力研究与发展中心0.3米×0.2米结冰风洞主实验段中对圆柱模型的结/除冰过程进行了测力实验研究，可以获得圆柱模型结/除冰过程的气动力/力矩变化。

发明内容

本发明的目的是提供一种适合低温高湿环境下的外式天平进行气动参数测量，实现实验模型边结冰、边除冰、边测力的装置。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种结除冰过程测力试验装置，包括实验模型、电热除冰装置、外式天平、隔热装置、保护罩和盖板；所述盖板上设置有通孔，保护罩为圆形罩结构，圆形罩倒扣在通孔上且通过螺钉与盖板固定在一起；所述外式天平为塔式筒状串联结构，且天平内部为空心结构，天平的顶端与保护罩的罩面固定连接，所述天平的下端插入盖板的通孔内且与盖板固定连接；所述天平的下端设置有浮动端，该浮动端通过隔热装置与试验模型的连接；所述实验模型内设置有空腔，且与隔热装置连接的一端设置有开口，所述电热除冰装置通过开口插入到实验模型内的空腔中；所述电热除冰装置的导线与外式天平的信号线从外式天平的空心出导出。

在上述技术方案中，所述电热除冰装置插入在实验模型内的空腔中，电热除冰装置与试验模型的内壁之间有空隙。

在上述技术方案中，所述空隙内设置有填充物，所述填充物或为金属粉末或为导热胶。

在上述技术方案中，所述金属粉末与试验模型的导热率一致。

在上述技术方案中，所述导热胶紧密压缩填充在空隙内。

在上述技术方案中，所述外式天平的应变片表面上设置有一层耐低温的环氧树脂胶。

在上述技术方案中，所述耐低温的环氧树脂胶在零下10℃的低温环境下粘附在应变片表面。

利用上述所述的一种结除冰过程测力试验装置进行试验，该方法包括以下步骤：

步骤一：将调试安装完毕的试验装置固定设置在风洞实验段内，首先开启结冰风洞的轴流风机，开始建立风洞的流场，然后开启制冷系统，对风洞洞体和流场进行制冷，建立来流速度、来流温度等参数均稳定的流场，经历足够的时间后，使实验模型表面温度和流场环境温度达到平衡；

步骤二: 调节喷雾系统的水压、气压和水温、气温等参数，开启喷雾系统进行喷雾，在风洞内建立实验所需要的结冰云雾参数，使得液态水含量和水滴平均直径均达到实验的要求，建立均匀稳定的云雾场;

步骤三：启动天平的数据采集系统，在喷雾的同时，实验模型表面已经开始结冰，采用特殊的外式天平对实验模型结冰过程进行气动力测量，待结冰到实验的规定时间，停止测力天平的数据采集；

步骤四：天平测力结束后，关闭结冰风洞的喷雾系统，保持风洞的运行、制冷系统的运转，也即保持来流风速和来流温度，保持数据采集系统运行，开启电热除冰装置，对实验模型表面所结的冰进行去除，采用外式天平对实验模型的除冰过程进行气动力测量；

步骤五：待实验模型表面的冰全部去除后，停止风洞和制冷系统的运行，停止数据采集系统，清理实验模型表面剩余的冰渣和水膜；

步骤六：重复步骤一到步骤五进行多次数据采集。

在上述过程中，所述步骤三与步骤四的结冰、除冰的数据采集中，采用摄像装置对实验模型表面冰层形态变化进行实时拍摄。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：要获得结冰实验模型的气动特性变化，通常的做法是首先获得实验模型表面的结冰外形，然后制作相同外形的冰模，安装在测力实验模型表面，利用常规低速风洞和常规天平进行表面带冰模实验模型的气动参数测量实验，本发明采用了一种耦合的实验方法和技术，同时进行实验模型表面结冰外形的测量和实验模型气动参数的测量，缩减实验模型表面结冰外形的测量和测力实验模型表面的冰模制作这两道环节，可以降低由于实验环节较多而产生的误差，从而提高实验结果的准度，更加真实的模拟飞行过程中结冰对飞机部件表面气动特性的影响，获得了良好的实验效果。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是实验模型的结构示意图；

图3是天平的安装结构示意图；

其中： 1是实验模型，2是电热除冰装置，3是外式天平，4是隔热装置，5是盖板， 6是保护罩，7是把手。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

如图1 所示，本发明包括实验模型、电热除冰装置、外式天平、隔热装置、保护罩和盖板；所述盖板上设置有通孔，保护罩为圆形罩结构，圆形罩倒扣在通孔上且通过螺钉与盖板固定在一起；所述外式天平为塔式筒状串联结构，且天平内部为空心结构，天平的顶端与保护罩的罩面固定连接，所述天平的下端插入盖板的通孔内且与盖板固定连接；所述天平的下端设置有浮动端，该浮动端通过隔热装置与试验模型的连接；所述实验模型内设置有空腔，且与隔热装置连接的一端设置有开口，所述电热除冰装置通过开口插入到实验模型内的空腔中；所述电热除冰装置的导线与外式天平的信号线从外式天平的空心出导出。

如图2所示，实验模型采用铝合金材料制作而成的圆柱模型，实验模型为一端封闭的空心圆柱。模型外径30mm，内径10mm，长200mm，模型重量约为0.35kg，重心在空心圆柱的轴线上、距端面0.1m左右位置。实验模型安装于0.3米×0.2米结冰风洞第二实验段中心，其轴线垂直于风洞上、下壁面。模型内部装有圆柱形电加热棒，用于模拟电热除冰过程和结冰实验结束后的除冰。

如图2所示，电热除冰装置是细长型的圆柱形电加热棒，直接插入到空心圆柱模型内部，加热棒与实验模型之间填充金属粉末或导热胶，金属粉末与实验模型是同一材质，导热胶应紧密填充，这样可以增强电热除冰装置与实验模型之间的导热，减少热阻的产生。利用该电热除冰装置，可以模拟电热除冰的过程，并将模型表面所结的冰去除。

如图1和图3所示，外式天平是外式五分量微量天平，由高强度马氏体时效钢材料制作而成，该天平为塔式筒状串联结构，中间为空心结构，电热除冰装置的导线和外式天平的信号线可以从空心结构内引出至实验段外部。天平安装于结冰风洞实验段外，两端均采用法兰盘联接，固定端通过天平保护罩安装于结冰风洞实验段上顶盖；浮动端通过隔热装置与实验模型相连，形成完整的测试系统，实现气动特性测量。

天平分三组测量元件设计，来实现对天平各分量测量。升力（Y）、滚转力矩（Mx）采用一组测量元件测量，放在天平中间，用“l”型四柱梁结构实现测量；阻力（X）、偏航力矩（My）采用一组测量元件测量，布置于天平最外侧，用“一”型四柱梁结构进行测量；（俯仰力矩）Mz采用单独一组测量元件测量，放置于最靠近天平校心处，用“十”字形内外双环的轮毂式结构进行测量；三组测量元件各自独立，中间用4mm厚的等直段首尾相接串联在一起，这种形式的优点：每个测量元件都是相对独立的，只对被测分量的载荷敏感，最大限度地减小其它分量干扰。

由于常规的硅胶在这种工作范围下很容易发生硬化，将对天平应变片的弹性变形产生不良的影响，为防止低温高湿环境对应变片的影响，本发明采用耐低温的环氧树脂胶H600对应变片在零下10℃的低温环境下进行覆盖和粘贴。采用静态校准装置在低温高湿环境下对外式天平进行了校准，最低校准温度达到-10℃，获得了低温高湿条件下外式天平电信号和载荷信号之间的转换关系。外式天平主要用于结、除冰过程实验模型气动力测量。

如图3所示，隔热装置是采用树脂材料加工而成的圆形套筒隔热装置，主要是为了增加热阻，防止电加热的热量传递对天平信号的影响。天平置于天平保护罩内，整体安装于结冰风洞实验段外，固定端通过天平保护罩、隔热装置与实验段上顶盖板相连；浮动端通过隔热装置与圆柱模型相连。实验模型内部空腔装有电加热棒，通过隔热装置与外式天平分离开，天平外部完整的隔热装置，将外式天平与外部空间有效隔离，极大限度的降低了天平的温度效应。

实验段的盖板采用铝合金材料制作的实验段上壁面盖板，在盖板的中央区域开设有一个通孔，外式天平和电热除冰装置的信号线可以从该通孔中引出。实验段盖板的主要作用是作为实验段的上壁面，并固定实验模型所用。

天平保护罩采用铝合金材料制作的圆形罩结构，外式天平通过隔热装置与该圆形保护罩固定连接，圆形保护罩再与上顶盖进行固定连接。天平保护罩的作用主要是对外式天平进行保护和固定作用，并且起到防止外式天平在高湿环境下出现潮湿现象。塔式天平中部留有足够的走线空间，天平引线与电加热导线由此通过天平保护罩引至实验段外部。在结冰风洞这种低温高湿环境下，其湿度范围90%～100%，如果天平没有得到隔离和保护，水气特别容易在天平表面附着，如果工作环境温度出现上升，天平表面附着的水气将变成水珠，容易出现潮湿现象，水珠将渗透进入天平应变片内，造成天平应变片的性能下降甚至损坏，因此，本发明采用天平保护罩的方式，将天平和外部环境进行必要的隔绝，这样可以更好的防止天平潮湿的问题。

顶盖把手是铝合金材料制作而成的把手，焊接于实验段上顶盖表面，可以用双手直接将上顶盖提起，方便实验段上洞壁的安装和卸除。

利用本发明的装置进行实验时：

实验前，启动结冰风洞和制冷系统，对结冰风洞进行实验段来流速度和温度的校测。然后，调节喷雾系统的水压、气压和水温达到实验要求。在一定的来流和结冰云雾参数条件下进行结冰风洞实验，同时，利用五分量外式天平对实验模型的结冰过程进行气动力测量实验，并采用摄像装置记录实验模型表面结冰外形的变化过程。完成结冰后，关闭喷雾系统，开启电加热装置对实验模型进行除冰，在除冰过程中利用外式天平对模型气动力进行测量，直至实验模型表面的冰层脱落。最后，整理气动力实验数据，将实验模型表面进行擦干，为下一次实验做准备。

具体实验步骤

a. 首先开启结冰风洞的轴流风机，开始建立风洞的流场，然后开启制冷系统，对风洞洞体和流场进行制冷，建立来流速度、来流温度等参数均稳定的流场，经历足够的时间后，使实验模型表面温度和流场环境温度达到平衡；

b. 调节喷雾系统的水压、气压和水温、气温等参数，开启喷雾系统进行喷雾，在风洞内建立实验所需要的结冰云雾参数，使得液态水含量和水滴平均直径均达到实验的要求，建立均匀稳定的云雾场；

c. 启动天平的数据采集系统，在喷雾的同时，实验模型表面已经开始结冰，采用特殊的外式天平对实验模型结冰过程进行气动力测量，待结冰到实验的规定时间，停止测力天平的数据采集；

d. 天平测力结束后，关闭结冰风洞的喷雾系统，保持风洞的运行、制冷系统的运转，也即保持来流风速和来流温度，保持数据采集系统运行，开启电热除冰装置，对实验模型表面所结的冰进行去除，采用外式天平对实验模型的除冰过程进行气动力测量；

e. 待实验模型表面的冰全部去除后，停止风洞和制冷系统的运行，停止数据采集系统，清理实验模型表面剩余的冰渣和水膜，重复a进行下一个实验。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (8)

1.一种结除冰过程测力试验装置的试验方法，其特征在于该试验装置包括试验模型、电热除冰装置、外式天平、隔热装置、保护罩和盖板；所述盖板上设置有通孔，保护罩为圆形罩结构，圆形罩倒扣在通孔上且通过螺钉与盖板固定在一起；所述外式天平为塔式筒状串联结构，且天平内部为空心结构，天平的顶端与保护罩的罩面固定连接，所述天平的下端插入盖板的通孔内且与盖板固定连接；所述天平的下端设置有浮动端，该浮动端通过隔热装置与试验模型连接；所述试验模型内设置有空腔，且与隔热装置连接的一端设置有开口，所述电热除冰装置通过开口插入到试验模型内的空腔中；所述电热除冰装置的导线与外式天平的信号线从外式天平的空心处导出；

试验装置的试验方法为：

步骤一：将调试安装完毕的试验装置固定设置在风洞实验段内，首先开启结冰风洞的轴流风机，开始建立风洞的流场，然后开启制冷系统，对风洞洞体和流场进行制冷，建立来流速度、来流温度参数均稳定的流场，经历足够的时间后，使试验模型表面温度和流场环境温度达到平衡；

步骤二: 调节喷雾系统的水压、气压和水温、气温参数，开启喷雾系统进行喷雾，在风洞内建立实验所需要的结冰云雾参数，使得液态水含量和水滴平均直径均达到实验的要求，建立均匀稳定的云雾场;

步骤三：启动天平的数据采集系统，在喷雾的同时，试验模型表面已经开始结冰，采用特殊的外式天平对试验模型结冰过程进行气动力测量，待结冰到实验的规定时间，停止测力天平的数据采集；

步骤四：天平测力结束后，关闭结冰风洞的喷雾系统，保持风洞的运行、制冷系统的运转，也即保持来流风速和来流温度，保持数据采集系统运行，开启电热除冰装置，对试验模型表面所结的冰进行去除，采用外式天平对试验模型的除冰过程进行气动力测量；

步骤五：待试验模型表面的冰全部去除后，停止风洞和制冷系统的运行，停止数据采集系统，清理试验模型表面剩余的冰渣和水膜；

步骤六：重复步骤一到步骤五进行多次数据采集。

2.根据权利要求1所述的一种结除冰过程测力试验装置的试验方法，其特征在于所述电热除冰装置插入在试验模型内的空腔中，电热除冰装置与试验模型的内壁之间有空隙。

3.根据权利要求2所述的一种结除冰过程测力试验装置的试验方法，其特征在于所述空隙内设置有填充物，所述填充物或为金属粉末或为导热胶。

4.根据权利要求3所述的一种结除冰过程测力试验装置的试验方法，其特征在于所述金属粉末与试验模型的导热率一致。

5.根据权利要求3所述的一种结除冰过程测力试验装置的试验方法，其特征在于所述导热胶紧密压缩填充在空隙内。

6.根据权利要求1所述的一种结除冰过程测力试验装置的试验方法，其特征在于所述外式天平的应变片表面上设置有一层耐低温的环氧树脂胶。

7.根据权利要求6所述的一种结除冰过程测力试验装置的试验方法，其特征在于所述耐低温的环氧树脂胶在零下10℃的低温环境下粘附在应变片表面。

8.根据权利要求1所述的一种结除冰过程测力试验装置的试验方法，其特征在于所述步骤三与步骤四的结冰、除冰的数据采集中，采用摄像装置对试验模型表面冰层形态变化进行实时拍摄。