CN107200147A - 适于中小型飞行器的冻云结冰温控模拟实验室 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适于中小型飞行器的冻云结冰温控模拟实验室，包括用于容纳试验件的室体建筑物、用于产生水雾的喷雾系统、用于产生将水雾送至试验件处的空气流的动力风机系统以及用于调节室内建筑物内的温度且可使试验件处于低温环境中的制冷与换热系统，试验件为飞机防冰系统组件、部件缩比模型。本发明的冻云结冰温控模拟实验室能够同时模拟低温、风速及结冰云雾，性价比高、结构简单、可利用的空间大，对防除冰系统的实验验证和技术研究具有重要作用。

Description

适于中小型飞行器的冻云结冰温控模拟实验室

技术领域

本发明属于飞机试验技术领域，具体地说，本发明涉及一种适于中小型飞行器的冻云结冰温控模拟实验室。

背景技术

结冰现象，由于改变了飞机的气动外形，对飞机的行性能、稳定和操纵都产生重要的影响，对飞机安全飞行的危害性极大。气候实验室飞机结冰试验是验证飞机防/除冰系统功能的有效方法，对飞行安全具有重要意义。

国内对飞机结冰研究起步较晚，主要对水滴撞击特性及翼面结冰过程数值模拟进行了大量研究，结冰试验相对较少，且主要为冰风洞试验，还没有针对通用中小型的飞行器开展实验室全机缩比模型结冰实验或防除冰组件防除冰实验的先例。冰风洞通常运行成本高、占地空间大、自主研发难度大，不利于进行基础的结冰试验；高低温箱及环境实验室可以在密闭空间内调节温度，进行低温试验，但无法模拟风速及冻云云雾环境，不能模拟真实情况下的飞机结冰过程及冰型形态。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提供一种适于中小型飞行器的冻云结冰温控模拟实验室，目的是实现对中小型飞行器防除冰部件的结冰、除冰及防冰试验。

为了实现上述目的，本发明采取的技术方案为：适于中小型飞行器的冻云结冰温控模拟实验室，包括用于容纳试验件的室体建筑物、用于产生水雾的喷雾系统、用于产生将水雾送至试验件处的空气流的动力风机系统以及用于调节室内建筑物内的温度且可使试验件处于低温环境中的制冷与换热系统。

所述室体建筑物的墙面上设有保温隔热层。

所述喷雾系统包括依次连接的蓄水罐、去离子水设备和喷嘴组件。

所述动力风机系统包括轴流风机以及将空气流和水雾送至所述室体建筑物中的整流罩。

所述动力风机系统还包括设置于所述动力风机下方且对动力风机提供支撑的减震器。

所述的适于中小型飞行器的冻云结冰温控模拟实验室还包括设置于所述室体建筑物内且用于对所述室体建筑物内的各种环境参数进行监测的测控系统。

所述测控系统包括LWC测量仪、MDV测量仪、空气与温度传感器、气流速度传感器和压力传感器。

所述的适于中小型飞行器的冻云结冰温控模拟实验室还包括设置于所述室体建筑物内且用于放置所述试验件的安装支架和设置于室体建筑物内的摄像设备。

所述的适于中小型飞行器的冻云结冰温控模拟实验室还包括设置于所述室体建筑物上且用于室体建筑物内压力调节的压力平衡系统。

所述室体建筑物内的温度为-25℃，湍流度≤0.5％，湿度控制在70％～100％范围内，平均水滴直径为10μm～300μm，液态水含量为0.2g/m³～3g/m³。

本发明适于中小型飞行器的冻云结冰温控模拟实验室，尺寸适中，能进行飞行器的部件、组件及系统的试验；温度及湿度、风速、压力等可以精确控制，能够满足不同试验对象的要求；能模拟一定的风速，达到试验部件迎风表面结冰的目的，使结冰环境更加真实，获得的冰型更加符合真实的飞行情况；可以模拟空中的云雾环境，并且液态水含量和云雾粒子可以控制，更好地满足试验要求；该实验室能够同时模拟低温、风速及结冰云雾，性价比高、结构简单、可利用的空间大，对防除冰系统的实验验证和技术研究具有重要作用。

附图说明

本说明书包括以下附图，所示内容分别是：

图1是本发明冻云结冰温控模拟实验室的结构布局示意图；

图中标记为：1、保温隔热层；2、动力风机系统；201、整流罩；202、轴流风机；203、减震器；3、喷雾系统；301、蓄水罐；302、去离子水设备；303、测压调压装置；304、喷嘴组件；4、辅助设备；401、摄像设备；402、排污口；403、安装支架；5测控系统；501、LWC测量仪；502、MDV测量仪；503、室温传感器；504、气流速度传感器；505、室内压力传感器；6、压力平衡系统；7、制冷与换热系统；8、墙顶；9、墙体；10、地板。

具体实施方式

下面对照附图，通过对实施例的描述，对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明，目的是帮助本领域的技术人员对本发明的构思、技术方案有更完整、准确和深入的理解，并有助于其实施。

如图1所示，本发明提供了一种适于中小型飞行器的冻云结冰温控模拟实验室，用于对飞机的防/除冰部件进行结冰、除冰及防冰试验研究其结冰特性，验证其防除冰性能。该冻云结冰温控模拟实验室包括用于容纳试验件的室体建筑物、用于产生水雾的喷雾系统、用于产生将水雾送至试验件处的空气流的动力风机系统以及用于调节室内建筑物内的温度且可使试验件处于低温环境中的制冷与换热系统。试验件为飞机或飞机防/除冰组件、部件或飞机防/除冰组件、部件的缩比模型。

本发明的冻云结冰温控模拟实验室能够同时模拟低温、风速及结冰云雾，其尺寸可以按照实际的实验条件在建造时进行调整，成本可控，性价比高，有很强的复制性和实用性，十分适合目前国内通用航空领域自主研发防除冰部件及技术的发展。此结冰温控实验室结构简单，基本功能齐全，能满足大部分对防/除冰部件进行试验的实验要求。主气候室内部无太多冗余装置，风机主体位于实验室外，极大保证了试验室内部可利用空间的最大化，有效降低了控温成本。

具体地说，如图1所示，室体建筑物内部具有容纳试验件的内腔体，室内建筑物包括墙顶、地板和墙体，墙顶和地板为相对设置且墙顶位于地板的上方，墙体为竖直设置且位于墙顶和地板之间，墙体与墙顶和地板连接，墙体、墙顶和地板包围形成容纳试验件的内腔体。

室体建筑物的外壁面上设有保温隔热层，防止对外界的热交换，保证室体建筑物内的低温环境。如图1所示，保温隔热层设置于室体建筑物的墙顶和各个墙体的外壁面上。作为优选的，墙顶和墙体是采用不锈钢板材质制成，保温隔热层为复合层结构且其是由依次设置的超细玻璃纤维棉、塑料薄膜、保温板和外覆板组成，超细玻璃纤维棉、塑料薄膜、保温板和外覆板为沿与室体建筑物的外壁面相垂直的方向依次设置。超细玻璃纤维棉起到绝热作用，超细玻璃纤维棉铺设于室体建筑物的外壁面上，而且超细玻璃纤维棉共铺设四层，四层超细玻璃纤维棉的厚度为120mm，每层都用玻璃纤维带扎紧。塑料薄膜紧贴在四层超细玻璃纤维棉中的处于最外层的超细玻璃纤维棉上，以防止空气中的水蒸气渗入绝热层而影响绝热效果。保温板设置于塑料薄膜上，保温板的材质为挤塑聚苯乙烯(XPS)，其厚度为250mm左右。外覆板设置于保温板上，外覆板的材质为经防腐化喷涂工艺处理的彩涂钢板，表面色泽柔和。超细玻璃纤维绵为不燃材料，而且对皮肤刺激小，具有密度小、导热系数低、不腐不蛀、吸水率小、化学稳定性好、性价比高及寿命长等优点，很符合工程应用的要求。

动力风机系统提供动力，用于实现将喷雾系统产生的水雾以一定速度传送至试验件处(预期在喷口处达到15m/s±5m/s的风速)，达到试验件迎风表面结冰的目的，并且保证换热效果及流场特性。喷雾系统用来实现满足试验要求的喷雾，供应去离子水，确保喷口出的毛细管道不会被堵塞，并保证水含量和粒径在试验规定的范围内。

如图1所示，喷雾系统具备离子交换及产生水雾混合流的功能，其包括依次连接的蓄水罐、去离子水设备和喷嘴组件。蓄水罐用于储水，且可将水加压后输送至去离子水设备中。去离子水设备是采用离子交换方法将水中呈离子态的阳、阴离子去除，产生去离子水。蓄水罐和去离子水设备的结构如同本领域技术人员所公知的那样，在此不再赘述。

如图1所示，喷雾系统还包括与位于去离子水设备与喷嘴组件之间的测压调压装置，测压调压装置与去离子水设备和喷嘴组件连接且使去离子水流向喷嘴组件。测压调压装置由压力传感器和比例压力阀组成，压力传感器实时反馈去离子水的压力，通过调节比例压力阀实现对去离子水压力的调节。

喷嘴组件用于接收去离子水，喷雾系统通过向喷嘴组件提供经过处理的去离子水和压缩空气，在气候室内形成均匀雾化水，通过调节喷雾水压、喷雾气压以及喷嘴开启个数实现对液态水含量和云雾粒子直径的控制，通过调整喷嘴的开启位置控制云雾的分布和均匀性。

喷嘴组件包括多个喷嘴，各个喷嘴具有让去离子水喷出的喷口，实验室系统的控制单元可以实现各个喷嘴的启动与关闭的单独控制。其中水路系统中含有蓄水罐、水处理设备、去离子水设备、工业热水器、水泵、调压装置，空气压缩机等组成，由泵站向喷嘴提供过滤后的、具有一定压力与温度的空气及具有一定压力与温度的软化水，可以避免喷嘴内部小的水通道的堵塞。

如图1所示，动力风机系统包括轴流风机以及将空气流和水雾送至室体建筑物中的整流罩。轴流风机具有变频调速功能，速度可以稳定控制，优选采用高效、节能、低噪声的风机，采用宽大中空变截面而扭曲机翼型叶片、高轮彀比、圆柱型轮彀、低风阻电机支架以及最佳叶栅参数。轴流风机的空气动力性能良好，风量风压高且噪声低。综合考虑低温、环境参数、防锈等情况后选定的具体风机参数为：风量为21900m²/h，采用一台功率为3.5KW的变频电机控制，全压约为270Pa。

如图1所示，整流罩设置于室体建筑物的内部，整流罩为两端开口、内部中空的结构，其一端开口与轴流风机连接，另一端开口位于室体建筑物的内部且作为让水雾和空气流吹向室体建筑物中的出气口。喷嘴组件与整流罩连接，喷嘴组件的各个喷嘴具有让去离子水流出的喷口且喷口位于整流罩的内腔中。整流罩的出气口为方形，该出气口的尺寸为600×600mm，收缩比为2.6，以保证喷出的云雾尽可能均匀。喷管喷口在设计时尽量靠近室体建筑物的内壁，避免气流窜流、回流，影响流场。

如图1所示，动力风机系统还包括设置于动力风机下方且对动力风机提供支撑的减震器，以消减垂直方向的冲击。

如图1所示，本发明的适于中小型飞行器的冻云结冰温控模拟实验室还包括设置于室体建筑物的内腔中且用于对室体建筑物内的各种环境参数进行监测的测控系统，该测控系统包括LWC(液态水含量)测量仪、MDV(平均水滴直径)测量仪、室温传感器、气流速度传感器和室内压力传感器。LWC测量仪是用于检测室体建筑物内的液态水含量，MDV测量仪是用于检测室体建筑物内水雾的平均水滴，室温传感器是用于检测室体建筑物内的温度，气流速度传感器是用于检测整流罩中吹出的空气流的气流速度，室内压力传感器是用于检测室体建筑物内的气压。

测控系统采用微电脑温控器，数字温度精确显示，配有超温报警、温度传感器故障报警、断电报警、智能开停等功能，避免出现意外。在实时测量的基础上，可以通过调节水压与气压以维持期望的仪表读数，也能根据试验要求试试调节实验参数并完善实验记录。

如图1所示，本发明的适于中小型飞行器的冻云结冰温控模拟实验室还包括设置于室体建筑物上且用于室体建筑物内压力调节的压力平衡系统。压力平衡系统主要包括补压阀和泄压阀两种气压平衡阀，室体建筑物上安装有三组补压阀和泄压阀。当室体建筑物内的压力超过外界压力0.005atm时，泄压阀工作，使室体建筑物进行降压；反之，当外界压力超过室体建筑物内的压力0.005atm时，补压阀工作，使室体建筑物内部进行增压。补压阀和泄压阀相配合进行工作，保证室体建筑物内的压力稳定在1atm左右。

如图1所示，制冷与换热系统设置于实体建筑区的上部，制冷与换热系统主要是由动力装置、换热器和加热器组成。换热器为翅片式结构，配备两台，功率共4.5KW。加热器配备一台，采用螺旋翅片式，安装在换热器出口位置。加热器为电加热，主要作用是控制温度及在实验结束后可在人为控制下自动升温除霜。采用先进的设备，运转平衡、噪音低、使用寿命长。

如图1所示，动力风机系统的轴流风机和减震器、喷雾系统以及制冷与换热系统的主体部分如动力装置、换热器和加热器等均设置于室体建筑物的外部，以最大程度上保证室体建筑物内的可利用的实验面积比率。室体建筑物内无回流结构，通过压力平衡装置来加压及泄压。室体建筑物内的有效试验空间的长宽高尺寸为：2500mm*1800mm*1800mm，是整个实验室系统的主体，所有环境模拟的参数都在此空间内实现。

如图1所示，本发明的适于中小型飞行器的冻云结冰温控模拟实验室还包括设置于室体建筑物内且用于放置试验件的安装支架和设置于室体建筑物内的摄像设备。安装支架和摄像设备设置于室体建筑物的底平面上，摄像设备是用于记录实验过程。安装支架用于安装试验件，保证试验件位于云雾的中心区。

如图1所示，室体建筑物的底平面上设有排污口，排污口用于室体建筑物内进行化霜或升温清理时利于内部污水的排出，利于实验室的长期维护。

如图1所示，室体建筑物为矩形结构，其具有四个墙体，相邻两个墙体之间为垂直连接，相邻两个墙体之间形成角度为90度的拐角，因此，室体建筑物内具有四个拐角。为降低拐角流动损失，提高气体流动均匀性，在室体建筑物的内部位于四个拐角处分别设置有导流片，导流片为圆弧形的结构且导流片的轴线处于竖直面内，导流片遮盖各个拐角，也即使得相邻两个墙体之间为圆弧过渡，这样能确保室体建筑物内恒温无死角，确保室体建筑物降温速度快，设定的温度在短时间内可达到要求。

作为优选的，室体建筑物的四个墙体中，其中一侧的墙体采用高强度的双层钢化玻璃制成，另外三侧的墙体采用不锈钢板制成且该三侧墙体的外壁面上设置保温隔热层。室体建筑物上设置采用钢化玻璃制成的墙体，形成一个通透观察面，透明度高，利于工作人员随时观察检测实验进程和保温性能。

作为优选的，室体建筑物内设置照明设施，方便夜间实验及观察实验细节、及时观测。

本发明的实验室在模拟飞行结冰环境时，室体建筑物内的各种环境参数分别为：温度为-25℃，湍流度≤0.5％，湿度控制在70％～100％范围内，平均水滴直径为10μm～300μm，液态水含量为0.2g/m³～3g/m³，雾化均匀区应覆盖60％温控模拟室的面积。

以上结合附图对本发明进行了示例性描述。显然，本发明具体实现并不受上述方式的限制。只要是采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进；或未经改进，将本发明的上述构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.适于中小型飞行器的冻云结冰温控模拟实验室，其特征在于：包括用于容纳试验件的室体建筑物、用于产生水雾的喷雾系统、用于产生将水雾送至试验件处的空气流的动力风机系统以及用于调节室内建筑物内的温度且可使试验件处于低温环境中的制冷与换热系统。

2.根据权利要求1所述的适于中小型飞行器的冻云结冰温控模拟实验室，其特征在于：所述室体建筑物的墙面上设有保温隔热层。

3.根据权利要求1所述的适于中小型飞行器的冻云结冰温控模拟实验室，其特征在于：所述喷雾系统包括依次连接的蓄水罐、去离子水设备和喷嘴组件。

4.根据权利要求1所述的适于中小型飞行器的冻云结冰温控模拟实验室，其特征在于：所述动力风机系统包括轴流风机以及将空气流和水雾送至所述室体建筑物中的整流罩。

5.根据权利要求4所述的适于中小型飞行器的冻云结冰温控模拟实验室，其特征在于：所述动力风机系统还包括设置于所述动力风机下方且对动力风机提供支撑的减震器。

6.根据权利要求1所述的适于中小型飞行器的冻云结冰温控模拟实验室，其特征在于：还包括设置于所述室体建筑物内且用于对所述室体建筑物内的各种环境参数进行监测的测控系统。

7.根据权利要求6所述的适于中小型飞行器的冻云结冰温控模拟实验室，其特征在于：所述测控系统包括LWC测量仪、MDV测量仪、空气与温度传感器、气流速度传感器和压力传感器。

8.根据权利要求1所述的适于中小型飞行器的冻云结冰温控模拟实验室，其特征在于：还包括设置于所述室体建筑物内且用于放置所述试验件的安装支架和设置于室体建筑物内的摄像设备。

9.根据权利要求1所述的适于中小型飞行器的冻云结冰温控模拟实验室，其特征在于：还包括设置于所述室体建筑物上且用于室体建筑物内压力调节的压力平衡系统。

10.根据权利要求1至9任一所述的适于中小型飞行器的冻云结冰温控模拟实验室，其特征在于：所述室体建筑物内的温度为-25℃，湍流度≤0.5％，湿度控制在70％～100％范围内，平均水滴直径为10μm～300μm，液态水含量为0.2g/m³～3g/m³。