CN104897358B - 一种应用于水膜发生与测量的实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应用于水膜发生与测量的实验装置，包括观测平台、低速风洞、水循环系统、温控系统、定位支架。其中,观测平台为产生和观测水膜流动演化过程的核心部件，低速风洞通过离心风机及收缩管道产生高速气流，温控系统为观测平台提供不同的温度环境，水循环系统为观测平台提供净化水并对试验后的液态水进行回收，定位支架则可调节观测平台倾转角度。本发明的优点为:以气液两相剪切流理论为基础，可实现较大范围内多参数条件的控制，旨在为飞机结冰及防除冰表面的流动传热机理研究提供一个观测试验装置。

Description

一种应用于水膜发生与测量的实验装置

技术领域

本发明属于飞机防冰研究技术领域，具体来说，是一种适用于飞行状态下的多变量可控的水膜发生及观测装置

背景技术

飞机在穿过含有过冷水滴的云层时，各部件迎风面上都会迅速覆盖上积冰，此时需要在结冰部位设计相应的防冰系统。不同结冰条件下，防冰表面会单独或同时存在着干表面及湿表面区域，防冰表面的湿表面区域在水滴撞击及外流场空气剪切作用下存在着复杂的流动形态，以水膜、溪流或者水珠的流动形式向后流动，其流动状态对防冰表面结冰热边界的确定存在很大影响。确定防冰表面水膜形态及其与外流场、壁面换热等相互作用的耦合机制，是建立结冰防护表面所需临界热载荷的基础。

飞机表面水膜运动的主要动力来自于高速气流剪切作用，但由于飞机表面存在着曲面，重力的影响需要考虑在内。而在防冰系统工作时，飞机防冰表面温度与气流环境之间存在较大的温差，对水膜运动形态的影响同样不能忽略。目前，兼具考虑飞机飞行条件下的气流剪切力、重力、温度以及表面特性的水膜观测试验装置处于空白。

发明内容

为了解决目前飞机结冰及防冰表面流动传热耦合机理研究的盲点，本发明提出一种应用于水膜发生与测量的实验装置，可实现较大范围内多参数条件的控制。

本发明水膜发生与测量的实验装置包括低速风洞、观测平台、温控系统与水循环系统。

所述低速风洞通过风机作用在内部形成气流；低速风洞的观测段顶面与左右侧面均透明材料，底面为具有观测平台安装口的承力板。观测平台包括试验台、水分配器与弯针头。实验台上表面设计有测试平面；水分配器与水循环系统相连，通过水循环系统供水；水分配器的各出水端安装有弯针头，弯针头的出水段穿过测试平面紧贴测试平面表面设置；观测平台安装在承力板上，使测试平面位于观测段内。上述测试平面的温度通过温控系统进行控制。

应用本发明水膜发生及观测装置进行试验前，首先根据试验所需的水膜倾斜角度，调整试验支架结构；随后根据试验要求选择所需的弯针头直径和不同材料的观测平台。每次试验前，需要开启离心式风机对测试平面进行清洗和烘干。试验时，首先打开离心式风机吹风，确保试验过程中测试平面表面的干燥洁净；通过温控系统控制测试平面温度达到设定的平衡温度；随后，设定水循环系统中动力路与溢流路中水泵流量，控制弯针头出水量，最终在试验板上得到所需的水膜。实验时，通过设定不同倾角、风速、温度、浸润性和水流量条件，可产生不同形态的水膜；最后通过高速相机观测水膜的形态和波纹特征，通过激光位移计记录水膜厚度。

本发明的优点为：

1、本发明水膜发生与测量的实验装置,可实现实验过程中多因素调控，覆盖飞机结冰及防冰研究中所有参数的变化范围；

2、本发明水膜发生与测量的实验装置,通过稳流和加速引导，在测试平面表面产生均匀的高速气流边界层，可真实还原飞行状态下飞机表面水膜的流动状态；

3、本发明水膜发生与测量的实验装置,各部件独立工作又紧密耦合，易于更换、维护与组装；

4、本发明水膜发生与测量的实验装置,整体体积小巧，便于运输，经过回收循环设计，保证实验环境的环保安全。

附图说明

图1为本发明水膜发生与测量的实验装置整体结构示意图；

图2为本发明水膜发生与测量的实验装置中低速风洞结构示意图；

图3为低速风洞中稳定段内部结构示意图；

图4为低速风洞中观测段结构示意图；

图5为本发明水膜发生与测量的实验装置中观测平台结构示意图；

图6为本发明水膜发生与测量的实验装置中观测平台在观测段上的安装方式示意图；

图7为观测平台与观测段间形成的集水槽结构示意图；

图8为本发明水膜发生与测量的实验装置中观测平台倾斜设置方式示意图。

图中：

1-低速风洞 2-观测平台 3-水循环系统

4-温控系统 5-试验支架 6-活动支架

101-稳定段 102-收缩端 103-观测段

104-扩张段 105-离心式风机 106-蜂窝器

107-纱网A 108-纱网B 109-弯管

201-试验台 202-水分配器 203-弯针头

204-测试平面 103a-承力板

具体实施方式

本发明水膜发生与测量的实验装置，包括低速风洞1、观测平台2、水循环系统3与温控系统4，如图1所示；各部分独立设计可方便组装以及升级改造。

所述低速风洞1为矩形截面风洞，如图2所示，由入口至出口依次为稳定段101、收缩段102、观测段103与扩张段104，两两对接形成气流通道，各段通过支撑架支撑在试验支架5上。其中，低速风洞1的入口连接有离心式风机105，采用离心式风机105可避免增加额外的防水防冰部件。离心式风机105位于低速风洞1外部，离心式风机105的风气出口与低速风洞1的入口间通过矩形波纹补偿器相连，降低离心式风机105可能产生的振动对观测段上所安装观测平台2的影响。

如图3所示，上述稳定段101长度设计为500cm；稳定段101内，由稳定段101入口至出口方向依次安装有蜂窝器106、纱网A107、纱网B108；蜂窝器106、纱网A107与纱网B108均与稳定段101垂直设置。其中，蜂窝器106采用D3.2蜂窝器；纱网A107与纱网B108均采用不锈钢纱网。蜂窝器106设置在距离稳定段101入口200cm处，蜂窝器106与稳定段101入口间作为静流段。纱网A107与纱网B108的间距，以及纱网B108与稳定段101出口间距均为80cm。通过蜂窝器106、纱网A107与纱网B108，提高稳定段101内气流的均匀性。

所述收缩段102采用移轴维托-辛斯基曲线作为收缩段曲线，移轴量取0.1m，使得收缩段102出口尽量平缓的对接到观测段103，防止收缩段102中由于截面积剧烈变化引起气流分离，使得在观测段103上安装的观测平台2处获得更加均匀的高速气流。

所述扩压段104用来降低排气损失和噪音，从压力损失和结构紧凑型的角度综合考虑，本发明中扩压段104的扩压角取5.7°，长度为0.25m。

所述观测段103的顶面与左右侧面均采用高透光度的有机玻璃，底面为承力板103a，为中部具有通口的矩形框体结构，通口作为观测平台安装口，如图4所示。承力板103a周向上通过螺钉与观测段103左右侧面间固定连接。通过承力板103a实现观测平台2与观测段103间的固定安装。

所述观测平台2包括试验台201、水分配器202与弯针头203，如图5所示。其中，试验台201水平设置，上表面周向边缘处设计为台阶结构，使试验台201上表面形成突起平面，作为测试平面204。水分配器202设置于试验台201中测试平面204下方，位于测试平面204前端。水分配器202中各出水头沿测试平面204左右方向等间隔布置，并使水分配器202中位于左右两端的出水头距测试平面204左右侧边距离相等。水分配器202中每个出水头上均安装有呈L型设计的弯针头203；弯针头203的入水端与出水头的出水端相接，弯针头203的出水端由试验台201底面穿过，位于测试平面204前端，并紧贴测试平面204上表面；同时，保证各弯针头的出水端沿测试平面204左右方向等间隔布置，位于左右两端的弯针头203出水端距测试平面204左右侧边距离相等；且各个弯针头203轴线与观测平面204平行，出水方向朝向测试平面204后端。由此通过水循环系统3向水分配器202供水，水流经各出水头进入各弯针头203，最终由各弯针头203的出水端流入测试平面204上表面；由此通过水分配器202及弯针头203对水流的引导，在测试平面204上表面形成一定流量的水膜，可供观测在高速气流作用下的水膜形态特征。

上述结构观测平台203中测试平面204与低速风筒1中观测段103上的观测平台安装口的形状及尺寸匹配，如图6所示，由此将试验台201上的测试平面204嵌入安装到观测平台安装口内，使试验台201周向上台阶结构的台阶面与承力板103a底面周向配合，并通过螺钉固定，进而实现观测平台2与观测段103间的固定连接。对于上述测试平面204的尺寸来说，如图7所示，可将测试平面204前后侧边间距设计为小于观测段103上观测平台安装口前后侧边间距；由此，当测试平面204嵌入到观测平台安装口后，测试平面204前、左、右侧边分别与观测平台安装口的前、左、右侧边贴合；而在测试平面204的后侧边与测试平面安装口的后侧边间自然形成一个凹槽，作为集水槽205，内部填充强吸水性材料，用于试验用水的回收。为了便于观测平台2与观测段103间的定位，可在观测段103中承力板103a底面左右两端设计定位孔；同时，在观测平台2中试验台201周向上台阶结构的台阶面左右两侧设计定位柱。由此使得，当左右两侧定位柱分别插入左右两侧定位孔后，测试平面204可顺利嵌入观测平台安装口内。

所述温控系统3具有加热和制冷两种工况，为观测平台2提供试验需要的温度，可实现较大范围的温度要求。其中，加热功能通过电加热膜实现；电加热膜安装在试验台201下表面，通过温控系统4的控制部分控制输入的电压信号，获得不同的加热热流密度，实现加热。制冷功能通过半导体制冷片实现；制冷片上下表面通过导热硅脂固定安装铜板与冷水板；通过铜板使制冷片制冷效果更佳，且制冷温度均匀分布；冷水板用于带走半导体下表面散出的热量，维持半导体制冷片的正常工作。冷水板出口的水流可流入低位储水箱进行冷却，至室温后再经过水泵输送至冷水板中。上述结构制冷片安装在试验台201下表面，通过温控系统4的控制部分中温度触发开关进行控制。为了减轻半导体制冷片的电流负荷，可采用多个半导体制冷片并联排列的形式，形成制冷片组。上述温控系统4的控制部分通过卡扣与观测平台下表面定位，并通过支撑架对温控系统进一步进行支撑。

所述水循环系统4包括试验供水路、动力路、溢流路、试验水回流路与冷却水循环路，如图1所示。其中，试验供水路包括高位储水箱、调压阀与流量计；高位储水箱的出水口通过管路与水分配器202的主进水管路相连；由高位储水箱向水分配器202供水；试验供水路上安装有调压阀与流量计，分别用来调节试验供水路的压力，以及试验供水路内流量测量。动力路包括水泵与低位储水箱；其中，水泵与低位储水箱入水口相连；低位储水箱的出水口通过管路与高位储水箱的入水口相连；由此，通过水泵将试验用水从低位储水箱输送至高位储水箱内。由于试验过程中试验供水路用水量较少，为保证试验精度，通过溢流路将高位储水箱与低位储水箱连通，来严格控制高位储水箱的水压，分担动力路供水过程中多余的水压。当观测平台所需流量过小时，可启用溢流支路进行分流减压。上述溢流路内水流量及通断通过在溢流路上安装针阀实现。试验水回流路将观测平台部分中所述的集水槽205与低位储水箱连通，实现试验后的水回收。

由于上述风机105和稳定段101重量较大，在需要观测平台2倾斜进行的试验中，不易与观测平台2一同倾斜放置。因此本发明通过对试验支架5进行设计，为观测平台2提供多种倾斜位置的固定，实现在稳定段101与收缩短102不倾斜的情况下，使观测段103与扩张段104一并倾斜。同时为了便于在观测段103与扩张段104倾斜后，实现收缩段102与观测段103间的连接，还引入了作为转接件的弯管109；如图8所示，具体如下：

试验支架5整体设计为框架结构，且在试验支架5上嵌套安装有一个活动支架6，活动支架6与试验支架5间角度在0～60度可调，且当活动支架6与试验支架5间的角度为0度时，活动支架6与试验支架5上表面共面，此时试验支架5整体即为一水平支架。当活动支架6与试验支架5间角度大于0度时，通过将观测平台2设置在活动支架6上，进而实现观测平台2多种倾斜角度下的试验。在进行观测平台2处于倾斜状态时，低速风洞1中的扩张段104同样设置在活动支架6上，扩张段104的进气端口与观测段103的出气端口可直接连接固定；而稳定段101与收缩短102均设置在试验支架5上，稳定段101的出气端口与收缩短102的进气端口可直接连接固定。但由于收缩段102与观测段间具有角度，因此无法直接将收缩段102的出口与观测段103的入口连接固定。因此，需通过矩形截面弯管进行转接，使低速风洞1内的气流由收缩段102进入观测段103时平行于测试平面204。本发明中试验支架5采用铝型材搭建，底部采用金属蹄脚支撑，通过调节蹄脚螺纹位置来保证整个水膜发生及观测装置的水平度。

应用本发明水膜发生及观测装置进行试验前，首先根据试验所需的水膜倾斜角度，调整试验支架5结构；随后根据试验要求选择所需的弯针头202直径和不同材料的观测平台2。每次试验前，需要开启离心式风机105对测试平面204进行清洗和烘干。试验时，首先打开离心式风机105吹风，确保试验过程中测试平面204表面的干燥洁净；通过温控系统控制测试平面204温度达到设定的平衡温度；随后，设定水循环系统3中动力路与溢流路中水泵流量，控制弯针头出水量，最终在试验板上得到所需的水膜。实验时，通过设定不同倾角、风速、温度、浸润性和水流量条件，可产生不同形态的水膜；最后通过高速相机观测水膜的形态和波纹特征，通过激光位移计记录水膜厚度。

Claims (7)

1.一种应用于水膜发生与测量的实验装置，其特征在于：包括低速风洞、观测平台、温控系统与水循环系统；

所述低速风洞通过风机作用在内部形成气流；低速风洞的观测段顶面与左右侧面均为透明材料，底面为具有观测平台安装口的承力板；所述低速风洞通过支撑架支撑在试验支架上；试验支架整体设计为框架结构，在试验支架上嵌套安装有一个活动支架，活动支架与试验支架间角度在0～60度可调，且当活动支架与试验支架间的角度为0度时，活动支架与试验支架上表面共面；当活动支架与试验支架间角度大于0度时，低速风洞中的扩张段与观测段设置在活动支架上；稳定段与收缩短设置在试验支架上；收缩段与观测段间通过矩形截面弯管进行转接，使低速风洞内的气流由收缩段进入观测段时平行于测试平面；

所述观测平台包括试验台、水分配器与弯针头；试验台上表面设计有测试平面；水分配器与水循环系统相连，通过水循环系统供水；水分配器的各出水端安装有弯针头，弯针头的出水段穿过测试平面紧贴测试平面表面设置；观测平台安装在承力板上，使测试平面位于观测段内；

所述弯针头出水端位于测试平面前端，弯针头轴线与观测平面平行；并使弯针头左右方向等间隔布置，位于左右两端的弯针头出水端距测试平面左右侧边距离相等，且出水端出水方向朝向测试平面后端；

上述测试平面的温度通过温控系统进行控制。

2.如权利要求1所述一种应用于水膜发生与测量的实验装置，其特征在于：所述低速风洞由入口至出口依次为稳定段、收缩段、观测段与扩张段；稳定段内由稳定段入口至出口方向依次安装有蜂窝器、纱网A、纱网B；收缩段采用移轴维托-辛斯基曲线作为收缩段曲线，移轴量取0.1m；扩张段的扩压角取5.7°，长度为0.25m。

3.如权利要求1所述一种应用于水膜发生与测量的实验装置，其特征在于：所述风机通过矩形波纹补偿器安装在低速风洞入口处，位于低速风洞外部。

4.如权利要求1所述一种应用于水膜发生与测量的实验装置，其特征在于：所述试验台上表面周向边缘处设计为台阶结构，使试验台上表面形成测试平面；测试平面与观测段的观测平台安装口尺寸相同，嵌入安装；并将试验台周向上台阶结构的台阶面与承力板底面周向配合固定。

5.如权利要求4所述一种应用于水膜发生与测量的实验装置，其特征在于：所述测试平面前后侧边间距设计为小于观测平台安装口前后侧边间距；当测试平面嵌入到观测平台安装口后，测试平面前、左、右侧边分别与观测平台安装口的前、左、右侧边贴合；而在测试平面的后侧边与测试平面安装口的后侧边间形成集水槽，内部填充吸水性材料。

6.如权利要求1所述一种应用于水膜发生与测量的实验装置，其特征在于：所述温控系统具有加热和制冷两种工况；加热功能通过电加热膜实现；制冷功能通过制冷片实现。

7.如权利要求1所述一种应用于水膜发生与测量的实验装置，其特征在于：所述水循环系统包括试验供水路、动力路、溢流路、试验水回流路与冷却水循环路；试验供水路用来将高位储水箱中的水通入水分配器；动力路用来将低位储水箱中的水泵送入高位储水箱；溢流路控制高位储水箱的水压；试验水回流路用来将观测平台中的多余水流通入低位储水箱；冷却水循环路用来实现温控系统中冷水板中冷却水排放至低位储水箱进行冷却，冷却后由低位储水箱再供给冷水板。