CN106066657B - 海面大气湍流模拟装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种海面大气湍流模拟装置，包括均与控制器相连的箱体系统、横向风循环系统和湿度调节系统；所述横向风循环系统架设在箱体系统上方，所述湿度调节系统安装在箱体系统下方，横向风循环系统和湿度调节系统分别通过管道与箱体系统相连通；所述箱体系统用于形成密闭的内部空间，模拟垂直方向的湍流，在其内部通过横向风循环系统模拟水平方向的湍流，通过湿度调节系统模拟调节内部湿度和/或模拟海面上的盐雾；所述控制器用于控制箱体系统中的温度，湿度和风速。本发明能够产生垂直方向和水平方向的湍流，并且拥有湿度调节功能更为真实地模拟海面大气湍流。

Description

海面大气湍流模拟装置

技术领域

本发明涉及一种海面大气湍流模拟装置。

背景技术

在海面上进行激光传输的过程中，激光束除了受到大气的吸收和散射外，还受到大气折射的影响。由于大气内部温度梯度、压强梯度等因素的影响，大气在水平和垂直方向上都进行着不规则的随机运动，形成大气湍流。大气湍流引起大气的折射率不仅在空间分布不均匀，而且还会随着时间发生随机动态变化，导致光束的波前(即相位)在传播过程中发生动态畸变。在大气湍流的影响下，激光光束会出现闪烁、漂移、到达角起伏等现象。海面大气湍流与陆地大气湍流相比，其特殊性主要体现在，海水的蒸发使得海面大气中的水分子浓度比陆地更高，大气湿度更大，而水分子浓度的增加使得光束在大气中传播的过程变得更加复杂，对光束的强度和波前均会产生一定影响；因此研究大气湍流对激光传输的校正有重要的意义。由于实地试验的费用昂贵，易受天气等因素的限制，湍流模拟装置得到广泛应用。

目前国内外已有较多的大气湍流模拟装置，现有的大气模拟装置有热风式大气湍流模拟装置，还有受迫对流式大气湍流模拟装置。但是目前还没有用于模拟海面大气湍流的实验装置。

发明内容

本发明填补了现有技术的空白，提供了一种海面大气湍流模拟装置。

为了达到上述目的，本发明是通过以下技术方案实现的：一种海面大气湍流模拟装置，包括均与控制器相连的箱体系统、横向风循环系统和湿度调节系 统；所述横向风循环系统架设在箱体系统上方，所述湿度调节系统安装在箱体系统下方，横向风循环系统和湿度调节系统分别通过管道与箱体系统相连通；所述箱体系统用于形成密闭的内部空间，模拟垂直方向的湍流，在其内部通过横向风循环系统模拟水平方向的湍流，通过湿度调节系统模拟调节内部湿度和/或模拟海面上的盐雾；所述控制器用于控制箱体系统中的温度，湿度和风速。

进一步地，所述箱体系统包括：第一光学窗口、第二光学窗口、可控加热网、可控冷却板、至少两个温度传感器、湿度传感器、毕托管风速计、带倾角下底板、传感器输出接口、箱体；其中，所述第一光学窗口和第二光学窗口分别安装在箱体的前后两侧，它们的中轴线重合；所述可控冷却板设置在箱体的顶部，所述可控加热网横架在箱体内，将箱体分隔成上腔室和下腔室；所述可控冷却板和可控加热网产生的上下温度差用以产生垂直方向的湍流对流；在上腔室中沿垂直湍流方向设置至少两个温度传感器，用来测量箱体内的温度梯度分布；所述毕托管风速计悬挂在上腔室中，用于测量横向风循环系统产生水平方向风的风速；所述湿度传感器设置在上腔室中，用来测量箱体内部的湿度；所述带倾角下底板安装于箱体的底部，可以导流排出装置运行过程中在箱体中凝聚的液体；所述箱体上设有传感器输出接口；所述温度传感器、湿度传感器、毕托管风速计均通过传感器输出接口与控制器相连；所述可控加热网和可控冷却板均与控制器相连。

进一步地，所述横向风循环系统包括第一调速风机、循环管、网栅；其中，所述第一调速风机安装在循环管的管路上，通过调节第一调节电机的转速来改变横向水平风速；所述循环管的进风口与箱体的一侧相连通，循环管的出风口与箱体的另一侧相连通，所述循环管的进风口和出风口同轴线；所述循环管的出风口处设置网栅，使出风口的风均匀化；所述第一调速风机与控制器相连。

进一步地，所述湿度调节系统包括抽气排液管、废液池、第二调速风机、可调分流阀、空气干燥机、超声波盐雾发生器、雾气输送管；其中，所述抽气排液管位于带倾角下底板的低侧，抽气排液管的入口与箱体的底部相连通，用以排出废液；所述抽气排液管的第一出口与废液池相连通，废液池用于存储流出的废液；所述抽气排液管的第二出口与第二调速风机的进风口相连，所述第二调速风机水平布置，通过调节第二调速风机转速来改变箱体内空气循环的速度；第二调速风机的出风口与可调分流阀的入口相连，可调分流阀的第一出口与空气干燥机的入口相连，可调分流阀的第二出口与超声波盐雾发生器的入口相连，可调分流阀将抽出的气体按设定的比例分别送往空气干燥机和超声波盐雾发生器；空气干燥机的出口和超声波盐雾发生器的出口均与雾气输送管的入口端相连，雾气输送管的入口端与箱体相连通，将干燥空气和雾气混合后重新充入箱体中；所述第二调速风机和可调分流阀均与控制器相连。

进一步地，所述抽气排液管与箱体连接处的口径为两倍于抽气排液管的管径。

本发明的有益效果是：(1)在箱体中产生冷热气体对流，横向风循环系统能产生水平风，因此系统能够更好地模拟自然环境中湍流状况。(2)由于采用密闭式的横向风循环系统，因此在产生横向风的同时减少了对箱体内部因素，如温度、湿度的影响。(3)可控的湿度调节系统能够模拟海面上的湿度状况，此外该系统也能够模拟海面上的盐雾环境。(4)加热网和抽气排液管的设计则是减少了湿度调节系统对另外两个子系统带来的干扰。

附图说明

图1是本发明实施例的的结构示意图；

图2是本发明实施例的剖面示意图；

图3为本发明实施例的电路连接图；

图中，箱体系统1、横向风循环系统2、湿度调节系统3、第一光学窗口101、第二光学窗口102、可控加热网103、可控冷却板104、温度传感器105、湿度传感器106、毕托管风速计107、带倾角下底板108、传感器输出接口109、箱体110、第一调速风机201、循环管202、网栅203、抽气排液管301、废液池302、第二调速风机303、可调分流阀304、空气干燥机305、超声波盐雾发生器306、雾气输送管307。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。

如图1-2所示，本发明的海面湍流模拟装置包括均与控制器相连的箱体系统1、横向风循环系统2和湿度调节系统3。所述横向风循环系统2架设在箱体系统1上方，所述湿度调节系统3安装在箱体系统1下方，横向风循环系统2和湿度调节系统3分别通过管道与箱体系统1相连通。所述箱体系统1用于形成密闭的内部空间，模拟垂直方向的湍流，在其内部通过横向风循环系统2模拟水平方向的湍流，通过湿度调节系统3模拟调节内部湿度和/或模拟海面上的盐雾；所述控制器用于控制箱体系统1中的温度，湿度和风速。激光束在箱体的模拟湍流环境中传播。由于海面大气湍流的影响因素主要有温度、风速、大气湿度。该湍流模拟装置考虑了如上因素，并分别利用三个系统来模拟三个因素，使得箱体中的湍流环境和真实海面大气湍流环境更为接近。

如图1-2所示，所述箱体系统1包括：第一光学窗口101、第二光学窗口102、可控加热网103、可控冷却板104、三个温度传感器105、湿度传感器106、毕托管风速计107、带倾角下底板108、传感器输出接口109、箱体110。其中，所述第一光学窗口101和第二光学窗口102分别安装在箱体110的前后两侧， 它们的中轴线重合。所述可控冷却板104设置在箱体110的顶部，所述可控加热网103横架在箱体110内，将箱体110分隔成上腔室和下腔室。所述可控冷却板104和可控加热网103产生的上下温度差用以产生垂直方向的湍流对流。在上腔室中沿垂直湍流方向设置三个温度传感器105，用来测量箱体1内的温度梯度分布。所述毕托管风速计107悬挂在上腔室中，用于测量横向风循环系统2产生水平方向风的风速。所述湿度传感器106设置在上腔室中，用来测量箱体110内部的湿度。所述带倾角下底板108安装于箱体110的底部，可以导流排出装置运行过程中在箱体110中凝聚的液体。所述箱体110上设有传感器输出接口109。可控加热网103、可控冷却板104、温度传感器105、湿度传感器106、毕托管风速计107均通过传感器输出接口109与控制器相连。所述可控加热网103和可控冷却板104均与控制器相连。箱体系统1的设计考虑了与之相连通的另外两个系统对其造成的影响。可控加热网103除了能够产生温差形成对流湍流外，还用以减少湿度调节系统对湍流的影响，避免不可控湍流的形成。此外由于湿度调节系统3还被用以排出箱体110内冷凝的水蒸气，增加湿度的可控性。

所述的横向风循环系统2包括第一调速风机201、循环管202、网栅203。其中，所述第一调速风机201安装在循环管202的管路上，通过调节第一调节电机201的转速来改变横向水平风速。所述循环管202的进风口与箱体110的一侧相连通，循环管202的出风口与箱体110的另一侧相连通，所述循环管202的进风口和出风口同轴线。所述循环管202的出风口处设置网栅203，使出风口的风均匀化。所述第一调速风机201与控制器相连。横向风循环系统2的设计为密闭状态，产生横向风时减少对内部湿度温度的影响。

所述湿度调节系统3包括抽气排液管301、废液池302、第二调速风机303、 可调分流阀304、空气干燥机305、超声波盐雾发生器306、雾气输送管307。其中，所述抽气排液管301位于带倾角下底板108的底侧，抽气排液管301的入口与箱体110的底部相连通，用以排出废液。所述抽气排液管301的第一出口与废液池302相连通，废液池302用于存储流出的废液。所述抽气排液管301的第二出口与第二调速风机303的进风口相连，所述第二调速风机303水平布置，通过调节第二调速风机303转速来改变箱体110内空气循环的速度。第二调速风机303的出风口与可调分流阀304的入口相连，可调分流阀304的第一出口与空气干燥机305的入口相连，可调分流阀304的第二出口与超声波盐雾发生器306的入口相连，可调分流阀304将抽出的气体按设定的比例分别送往空气干燥机305和超声波盐雾发生器306。空气干燥机305的出口和超声波盐雾发生器306的出口均与雾气输送管307的入口端相连，雾气输送管307的入口端与箱体110相连通，将干燥空气和雾气混合后重新充入箱体110中。所述第二调速风机303和可调分流阀304均与控制器相连。

所述抽气排液管301与箱体110连接处的口径为两倍于抽气排液管301的管径，减少抽气对内部气流的影响。

所述控制器可以采用七星虫公司STM32F103VCT6的控制板，但不限于此。

本发明的工作过程如下：

激光束由第一光学窗口101入射，经过箱体110内的空气后，从第二光学窗口102出射。在超声波盐雾发生器306中加入水或是为了模拟海上盐雾状况的盐溶液。打开超声波盐雾发生器306和空气干燥机305。通过控制器设定可控加热网103和可控冷却板104需要达到的温度，箱体110中设定需要的湿度和风速。如图3所示，湿度传感器106测得箱体110中的湿度，并传输回控制器，控制器根据当前湿度值和设定湿度值进行比较，由设定值和实际值得差值控制 第二调速风机303的转速，同时利用可调分流阀304调节干燥空气和雾气的比例，实现对湿度的控制。毕托管风速计获得箱体110内当前水平风速，并将风速传输到控制器中，控制器控制第一调速风机201的转速，达到控制风速的效果。观察传感器输出的数据直到温度、风速和湿度达到所需要求，即可得到所需要模拟的湍流环境。

Claims (3)

1.一种海面大气湍流模拟装置，其特征在于：包括均与控制器相连的箱体系统（1）、横向风循环系统（2）和湿度调节系统（3）；所述横向风循环系统（2）架设在箱体系统（1）上方，所述湿度调节系统（3）安装在箱体系统（1）下方，横向风循环系统（2）和湿度调节系统（3）分别通过管道与箱体系统（1）相连通；所述箱体系统（1）用于形成密闭的内部空间，模拟垂直方向的湍流，在其内部通过横向风循环系统（2）模拟水平方向的湍流，通过湿度调节系统（3）模拟调节内部湿度和/或模拟海面上的盐雾；所述控制器用于控制箱体系统（1）中的温度，湿度和风速；

所述箱体系统（1）包括：第一光学窗口（101）、第二光学窗口（102）、可控加热网（103）、可控冷却板（104）、至少两个温度传感器（105）、湿度传感器（106）、毕托管风速计（107）、带倾角下底板（108）、箱体（110）；其中，所述第一光学窗口（101）和第二光学窗口（102）分别安装在箱体（110）的前后两侧，它们的中轴线重合；所述可控冷却板（104）设置在箱体（110）的顶部，所述可控加热网（103）横架在箱体（110）内，将箱体（110）分隔成上腔室和下腔室；在上腔室中沿垂直湍流方向设置至少两个温度传感器（105）；所述毕托管风速计（107）悬挂在上腔室中；所述湿度传感器（106）设置在上腔室中；所述带倾角下底板（108）安装于箱体（110）的底部；所述箱体（110）上设有传感器输出接口（109）；所述温度传感器（105）、湿度传感器（106）、毕托管风速计（107）、可控加热网（103）和可控冷却板（104）均与控制器相连；

横向风循环系统（2）包括第一调速风机（201）、循环管（202）、网栅（203）；其中，所述第一调速风机（201）安装在循环管（202）的管路上；所述循环管（202）的进风口与箱体（110）的一侧相连通，循环管（202）的出风口与箱体（110）的另一侧相连通，所述循环管（202）的进风口和出风口同轴线；所述循环管（202）的出风口处设置网栅（203）；所述第一调速风机（201）与控制器相连。

2.根据权利要求1所述的海面大气湍流模拟装置，其特征在于：所述湿度调节系统（3）包括抽气排液管（301）、废液池（302）、第二调速风机（303）、可调分流阀（304）、空气干燥机（305）、超声波盐雾发生器（306）、雾气输送管（307）；其中，所述抽气排液管（301）位于带倾角下底板（108）的低侧，抽气排液管（301）的入口与箱体（110）的底部相连通；所述抽气排液管（301）的第一出口与废液池（302）相连通；所述抽气排液管（301）的第二出口与第二调速风机（303）的进风口相连，所述第二调速风机（303）水平布置；第二调速风机（303）的出风口与可调分流阀（304）的入口相连，可调分流阀（304）的第一出口与空气干燥机（305）的入口相连，可调分流阀（304）的第二出口与超声波盐雾发生器（306）的入口相连；空气干燥机（305）的出口和超声波盐雾发生器（306）的出口均与雾气输送管（307）的入口端相连，雾气输送管（307）的入口端与箱体（110）相连通；所述第二调速风机（303）和可调分流阀（304）均与控制器相连。

3.根据权利要求2所述的海面大气湍流模拟装置，其特征在于：所述抽气排液管（301）与箱体（110）连接处的口径为两倍于抽气排液管（301）的管径。