CN107014582B - 一种用于连续式高速风洞喷液氮降温系统的总温排架 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种用于连续式高速风洞喷液氮降温系统的总温排架，包括多个温度探头、多个探头支杆、排架、底座、端板和数据导线；温度探头和探头支杆个数相同；温度探头采用半椭球体外形，采用螺纹连接安装于探头支杆上，温度探头的数据导线通过探头支杆中心通孔以及排架的中心通孔引出；多个探头支杆沿排架高度方向等间距分布；排架沿高度方向的横截面采用沿风洞气流方向中间厚、前后窄的截面形状，探头支杆安装在排架前端；底座上端固定连接排架底部，下端固定安装于风洞下洞壁；端板底部固定连接排架顶部，端板顶部固定安装于风洞上洞壁。本发明实现了风洞降温系统总温的精确测量，为建成我国第一套连续式高速风洞降温系统提供技术支撑。

Description

一种用于连续式高速风洞喷液氮降温系统的总温排架

技术领域

本发明涉及低温环境下高速气流温度测量装置的设计领域，具体是一种用于连续式高速风洞喷液氮降温系统的总温排架。

背景技术

雷诺数是风洞实验模拟飞行器实际飞行能力的重要相似参数，研制高雷诺数风洞对我国航空工业和国防科技的发展具有重要战略意义和工程应用价值。雷诺数由流体密度、温度、速度和模型尺寸决定，在实验段尺寸与流体介质不易改变的情况下，降温可增大流体密度，减小粘性系数，是一种提高实验雷诺数有效途径。液态氮是一种低沸点的惰性物质，具有蒸发快、化学性质稳定等特点，可通过向风洞内喷洒液氮的方式，利用液氮的气化吸热效应，带走风洞内的热量，从而实现降低气流温度，增大实验雷诺数的目的。我国目前在低温连续式高速风洞方面尚属空白，因此，研制适用于连续式高速风洞的液氮降温系统对我国风洞技术创新与武器装备研制具有重要意义。

连续式高速风洞喷液氮降温系统的最终目的就是降低风洞内气流的温度，因此，如何在风洞降温运行的工况下精确测量气流总温是其必须解决的关键技术之一。根据连续式高速风洞的结构特点及气流在高速、增压和低温状态下的物理特性，总温测量装置的设计需在以下几个方面做专门的考虑：1)风洞内部空间狭小，但风洞实验对流场品质的要求非常高，又因连续式风洞为全封闭结构，故常规的非接触测温难以实现，因此，采用的测温装置需要安装于风洞内部进行接触式测量，且其具有低风阻的流线型气动外形，从而保证风洞的流场不被破坏。2)风洞内的气流速度高，液氮蒸发吸热快，温度扩散时间受限，单点测量难以了解温度的均匀性分布，因此必需进行多点测量，以获取风洞内流场的全局温度分布。3)由于液氮的膨胀和蒸发吸热特性，风洞在降温运行时具有压力高、温度低的特点，因此测量装置需选用耐低温和耐高压的材料，以保证测量设备和风洞结构的安全。4)连续式高速风洞结构紧凑，不易分解，因此所采用的温度测量装置需结构简单、易于安装、拆卸。

由上述分析可知，连续式低温风洞的结构特殊、运行工况复杂，需要研制一套用于连续式高速风洞喷液氮降温系统的总温测量装置，以在不影响风洞流场品质的前提下精确获取风洞内气流的温度分布。

发明内容

为了克服现有测温技术在连续式低温风洞中使用的缺陷，解决接触式测量与流场干扰之间的矛盾，设计具有低风阻的流线型气动外形的耐低温总温测量装置，实现低温环境下气流温度的多点精确测量，本发明提出一种适用于连续式高速风洞喷液氮降温系统的总温排架。

本发明的技术方案为：

所述一种用于连续式高速风洞喷液氮降温系统的总温排架，其特征在于：包括多个温度探头、多个探头支杆、排架、底座、端板和数据导线；温度探头和探头支杆个数相同；

所述温度探头采用半椭球体外形，采用螺纹连接安装于探头支杆上，温度探头的数据导线通过探头支杆中心通孔以及排架的中心通孔引出；

所述探头支杆采用不锈钢材料，开有轴向的中心通孔；探头支杆前端安装温度探头，后端与排架固定连接；多个探头支杆沿排架高度方向等间距分布；

所述排架采用不锈钢材料，沿高度方向开有用于通过数据导线的中心通孔；排架沿高度方向的横截面采用沿风洞气流方向中间厚、前后窄的截面形状，探头支杆安装在排架前端；

所述底座上端固定连接排架底部，下端固定安装于风洞下洞壁；

所述端板底部固定连接排架顶部，端板顶部固定安装于风洞上洞壁。

进一步的优选方案，所述一种用于连续式高速风洞喷液氮降温系统的总温排架，其特征在于：所述温度探头底部直径为d，长度为1.5d；选用热电偶感温元件，量程为-200℃～500℃，精度为±0.1℃。

进一步的优选方案，所述一种用于连续式高速风洞喷液氮降温系统的总温排架，其特征在于：探头支杆外径为1.2d，内径为d，长度为28d。

进一步的优选方案，所述一种用于连续式高速风洞喷液氮降温系统的总温排架，其特征在于：排架中心通孔直径为6d；排架沿高度方向的横截面采用沿风洞气流方向中间厚、前后窄的8边形形状，排架前端厚度为2d，中间部分厚度为10d，后端厚度收缩至6d。

进一步的优选方案，所述一种用于连续式高速风洞喷液氮降温系统的总温排架，其特征在于：所述底座和端板由不锈钢材料制成，底座下端镶嵌于风洞下洞壁，端板顶部为长50d、宽40d、厚6d的长方形平板，通过螺纹连接于风洞上洞壁。

进一步的优选方案，所述一种用于连续式高速风洞喷液氮降温系统的总温排架，其特征在于：数据导线采用镀银编制抗干扰数据线。

有益效果

本发明克服了现有测温技术在连续式低温风洞中使用的缺陷，通过总温排架的低风阻的流线型气动外形设计，解决了测量装置对风洞流场干扰的问题；采用温度探头纵向排列式布置，实现了多点式流场总温精确测量；本发明提出的总温排架结构简单、易于安装拆卸，适用于低温高压的工作环境。采用本技术方案，实现了风洞降温系统总温的精确测量，为建成我国第一套连续式高速风洞降温系统提供技术支撑。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

附图1是总温排架结构图；

1-温度探头，2-探头支杆，3-排架，4-底座，5-端板，6-数据导线。

附图2是总温排架局部放大图；

1-温度探头，2-探头支杆，3-排架。

附图3是总温排架与NF-6风洞装配图；

1-温度探头，2-探头支杆，3-排架，7-风洞稳定段下洞壁，8-风洞稳定段上洞壁，6-数据导线。

附图4是总温排架型面尺寸及局部方大图；

1-温度探头，2-探头支杆，3-排架。

附图5是常压降温试验总温变化；

附图6是常压降温试验Ma数变化；

附图7是常压降温试验总压变化；

附图8是增压降温试验总温变化；

附图9是增压降温试验Ma数变化；

附图10是重复性试验总压变化。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

本实施例是一种连续式高速风洞喷液氮降温系统的总温排架，包括9个温度探头、9个探头支杆、排架、底座、端板和数据导线，用于连续式高速风洞液氮降温系统气流总温的多点测量。如图1、图2所示。

本实施例的温度探头选用热电偶感温元件，用于采集风洞内的气流温度，量程为-200℃～500℃，精度为±0.1℃。温度探头成半椭球体外形，底部直径为5mm，长度为7.5mm，见图4。温度探头共9个，型号尺寸相同，采用螺纹连接安装于探头支杆，探头数据导线通过支杆与排架内腔引出，见图4。

本实施例的探头支杆由不锈钢材料制成，中间留有圆形通孔，外径为6mm，内径为5mm，长度为140mm，见图4。探头支杆共9个，型号尺寸相同，探头支杆前端安装温度探头，后端焊接与排架。9个探头支杆沿排架高度方向等间距分布，间距为300mm，见图4。

本实施例的排架由不锈钢材料制成，中间留有用于通过数据导线的圆形通孔，通孔直径为30mm，排架总高为3000mm。为了保证排架迎风面的低风阻流线型气动外形，排架横截面为两头小中间大的8边形。排架前端厚度为10mm，用于安装探头支杆；中间部分厚度为50mm，用于开通孔走线；后端厚度收缩至30mm，以减小绕其流动的气流分离，降低型面阻力，见图3、图4。

本实施例的底座由不锈钢材料制成，用于连接排架和风洞下洞壁。底座横截面与排架相同，上端通过螺纹连接排架底部，下端镶嵌于风洞下洞壁，以达到固定和定位排架的目的。

本实施例的端板由不锈钢材料制成，用于连接排架和风洞上洞壁。端板底部横截面与排架相同，通过螺纹连接排架顶部，端板顶部为长250mm、宽200mm、厚30mm的长方形平板，通过螺纹连接于风洞上洞壁，以达到固定和定位排架的目的。

本实施例的数据导线选用镀银编制抗干扰专用数据线，共9条，通过探头支杆和排架内腔引出，用于连接温度探头和数据采集仪器，实现风洞气流温度参数的高保真传输。

在本实施例中，将总温排架通过底座与端板垂直安装于风洞稳定段中央对称面，其中底座下端镶嵌于风洞稳定段下洞壁，端板通过螺纹连接于风洞上洞壁，温度探头平行于来流方向，数据导线通过探头支杆、排架内腔及风洞稳定段上洞壁引出，并连接至数据采集仪器。总温排架与风洞的装配关系如图3所示。完成总温排架的安装后，启动风洞，运行喷液氮降温系统，选取典型实验工况，分别测试了常压和增压环境下总温排架的工作性能。

常压环境运行测试：

以M＝0.5的常压降温试验为例，图5给出了其稳定段总温的变化情况，图6给出了其稳定段试验段Ma数的变化情况，图7给出了其稳定段总压的变化情况。从图上可知：

1)稳定段9个总温测点的平均值达到-20℃，且满足

2)试验段Ma数的平均值达到0.5，马赫数偏差为|ΔMa|≤0.003，即满足σ_Ma≤0.003；

3)稳定段总压的平均值为1.022bar，其变化幅度满足

增压环境运行测试：

以M＝0.8的增压降温试验为例，图8给出了其稳定段总温的变化情况，图9给出了其稳定段试验段Ma数的变化情况，图10给出了其稳定段总压的变化情况。从图上可知：

1)稳定段9个总温测点的平均值达到-20℃，且满足

2)试验段Ma数的平均值达到0.8，马赫数偏差为|ΔMa|≤0.003，即满足σ_Ma≤0.003；

3)稳定段总压的平均值达到1.7bar，其变化幅度满足

通过上述运行测试及重复性实验结果可知，本发明设计的总温排架在低温环境下工作稳定、性能可靠，实现了低温风洞温度场的多点测量；风洞马赫数、总压控制稳定、精确，表明本总温排架外形设计合理，未对风洞流场造成干扰；总温排架选材合适、安装便捷，可适用于低温、高压等复杂工况。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (6)

1.一种用于连续式高速风洞喷液氮降温系统的总温排架，其特征在于：包括多个温度探头、多个探头支杆、排架、底座、端板和数据导线；温度探头和探头支杆个数相同；

所述温度探头采用半椭球体外形，采用螺纹连接安装于探头支杆上，温度探头的数据导线通过探头支杆中心通孔以及排架的中心通孔引出；

所述探头支杆采用不锈钢材料，开有轴向的中心通孔；探头支杆前端安装温度探头，后端与排架固定连接；多个探头支杆沿排架高度方向等间距分布；

所述排架采用不锈钢材料，沿高度方向开有用于通过数据导线的中心通孔；排架沿高度方向的横截面采用沿风洞气流方向中间厚、前后窄的截面形状，探头支杆安装在排架前端；

所述底座上端固定连接排架底部，下端固定安装于风洞下洞壁；

所述端板底部固定连接排架顶部，端板顶部固定安装于风洞上洞壁。

2.根据权利要求1所述一种用于连续式高速风洞喷液氮降温系统的总温排架，其特征在于：所述温度探头底部直径为d，长度为1.5d；选用热电偶感温元件，量程为-200℃～500℃，精度为±0.1℃。

3.根据权利要求2所述一种用于连续式高速风洞喷液氮降温系统的总温排架，其特征在于：探头支杆外径为1.2d，内径为d，长度为28d。

4.根据权利要求2所述一种用于连续式高速风洞喷液氮降温系统的总温排架，其特征在于：排架中心通孔直径为6d；排架沿高度方向的横截面采用沿风洞气流方向中间厚、前后窄的8边形形状，排架前端厚度为2d，中间部分厚度为10d，后端厚度收缩至6d。

5.根据权利要求2所述一种用于连续式高速风洞喷液氮降温系统的总温排架，其特征在于：所述底座和端板由不锈钢材料制成，底座下端镶嵌于风洞下洞壁，端板顶部为长50d、宽40d、厚6d的长方形平板，通过螺纹连接于风洞上洞壁。

6.根据权利要求2所述一种用于连续式高速风洞喷液氮降温系统的总温排架，其特征在于：数据导线采用镀银编制抗干扰数据线。

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