CN107941455A - 一种减少扰动的自循环烟气风洞及其流场显示方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种减少扰动的自循环烟气风洞及其流场显示方法。减少扰动的自循环烟气风洞，其包括观察箱和风道，观察箱安装有试验模型，风道的首尾两端分别连接观察箱的进口和出口，形成一个封闭式循环风洞；观察箱前端的风道中设置有入口整流格栅，入口整流格栅的格栅板相互平行布设，每块格栅板内部均具有空腔，且格栅板靠近观察箱一侧开设有连通所述空腔的排气口；入口整流格栅中的每块格栅板内部空腔均通过导烟管连通雾化机的出雾口，使雾化机产生的水雾通过所述排气口进入风道中。本发明可以利用无污染的水雾直观演示风洞实验，而且能够最大限度地降低外设部件对模具本身流场的扰动。

Description

一种减少扰动的自循环烟气风洞及其流场显示方法

技术领域

本发明属于实验演示仪器领域，具体涉及一种减少扰动的自循环烟气风洞及其流场显示方法。

背景技术

风洞一般称之为风洞试验。简单地说，就是依据运动的相对性原理，将飞行器的模型或实物固定在地面人工环境中，人为制造气流流过，以此模拟空中各种复杂的飞行状态，获取试验数据。风洞实验是高校及职业院校中流体力学课程的一项重要的实验，涉及的知识点众多，主要涉及测力实验、测压实验、传热实验、动态模型实验和流态观测实验。

现有的风洞演示装置的主要功能是：利用烟流法观察气体流过物体产生的绕流图形，观测烟气流线在经过机翼及圆柱体等试件时的迹线。其通常配置为：流线形成通道(风道)、微型风机、实验台桌、发烟装置、试验模型、电子调速装置、照明装置等。其中，发烟装置用于产生烟雾，常规做法是在气流中引入煤烟或有色气体，借助光线对烟气质点的散射，可以显示流体的运动。然而煤烟等气体对于人体是有害的，直接排放显然不行，需要对其经常尾气处理。但是对于小型的风洞演示教学装置而言，增设一个尾气处理装置显然成本过大，因此众多的风洞演示教学装置均采用开放式的设计，尾气直接排放，长久使用会造成师生的身心健康受损。因此，有必要设计一种更环保节能的风洞演示教学装置。

发明内容

本发明的目的解决现有技术中存在的问题，并提供一种减少扰动的自循环烟气风洞，具体技术方案如下：

减少扰动的自循环烟气风洞，其包括观察箱和风道，观察箱安装有试验模型，风道的首尾两端分别连接观察箱的进口和出口，形成一个封闭式循环风洞；观察箱前端的风道中设置有入口整流格栅，入口整流格栅的格栅板相互平行布设，每块格栅板内部均具有空腔，且格栅板靠近观察箱一侧开设有连通所述空腔的排气口；入口整流格栅中的每块格栅板内部空腔均通过导烟管连通雾化机的出雾口，使雾化机产生的水雾通过所述排气口进入风道中。

作为优选，所述的入口整流格栅中每块格栅板的排气口位于风道的同一横截面上；每块格栅板均由同一条导烟管提供水雾，且导烟管以与格栅板垂直的角度逐条连通每块格栅板内部空腔；导烟管与格栅板的连通位置与该格栅板的出气口之间的距离至少为导烟管外径的5～8倍。

作为优选，所述的观察箱后端的风道中设置有出口整流格栅，出口整流格栅后端的风道中设置有冷凝机，冷凝机的凝水网格设置于风道中；风道中还设置有用于提供空气流动动力的引流器。

作为优选，所述的风道中每个拐角处均设有弯道整流格栅。

作为优选，所述的风道中，在入口整流格栅之前设置有直径扩大段。

作为优选，所述的试验模型包括模型本体、插棒、密封件和负压抽吸装置；所述的模型本体内部中空，其底面中心开设有一个与内腔连通的安装孔，安装孔的表面环绕有密封件；所述的插棒安装于观察箱的演示面板上，且插棒呈管状，一端穿过密封件连通所述模型本体的内腔，另一端通过管道连接负压抽吸装置；所述模型本体与风洞中流体接触的表面均布有毛细孔，毛细孔连通模型本体的表面与内腔。

作为上述试验模型的优选，所述的模型本体与风洞中流体接触的表面覆盖有一层吸水材料，使所述的毛细孔不直接连通风洞中的流体。

作为上述试验模型的优选，所述的毛细孔直径为毫米级和/或微米级。

作为上述试验模型的优选，所述的毛细孔呈弯曲的弧管状，至少具有两个弯折部。

本发明的另一目的在于提供一种基于上述烟气风洞(任一包含特殊结构试验模型的方案)的模型本体周边流场分布显示方法，其具体步骤如下，将试验模型安装于观察箱的模型装载平板上；然后开启引流器，使风道和观察箱内空气流动，产生循环的流场；启动雾化机，使水雾通过导烟管输送至入口整流格栅的各格栅板中，然后从出气口排出混入循环的空气气流中；含有水雾的空气气流进入观察箱并在试验模型周边形成流场；观察箱中的空气气流从观察箱流出后经过出口整流格栅整流后通过凝水网格，空气中的水雾被凝结至凝水网格中，而剩余的空气则继续在引流器的牵引下继续进入入口整流格栅中与新的水雾混合；在风洞运行过程中，间歇性启动所述的负压抽吸装置，将试验模型表面凝结的液滴通过毛细孔吸入模型本体的内腔中，保持模型本体周边的流场显示真实。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1)一改以往的烟气风洞实验仪，将实验中使用的介质：烟，改为对人体无害、无污染的水雾；

2)对烟雾源的导烟管位置进行优化，将其隐藏于入口整流格栅中，使得导烟管对流场的扰动大大减少。

3)此实验仪设计为自循环式的环形实验箱体，杜绝了箱体外的空气干扰流态。

4)采用特殊结构的试验模型，能够有效控制以水雾为烟雾源的试验模型表面凝结水的问题，防止凝结水滴对流场造成扰动。

附图说明

图1为一种自循环烟气风洞结构示意图；

图2为风洞结构中导烟管与格栅板的设置位置示意图；

图3为对比例D1中风洞结构中导烟管与格栅板的设置位置示意图；

图4为试验模型的结构示意图；

图5为模型本体的内部结构示意图；

图6为模型本体和插棒的配合关系示意图；

图7为图6中Ⅰ-Ⅰ剖面的一种结构示意图；

图8为图7中Ⅱ位置的放大示意图；

图中：风道1、弯道整流格栅2、整流段3、阀门4、入口整流格栅5、模型装载平板6、观察箱7、试验模型8、悬挂部件9、出口整流格栅10、凝水段11、散热器12、冷凝机13、凝水网格14、引流器15、蓄水箱16、雾化机17、导烟管18、导流管19、模型本体A、插棒B、密封件C、负压抽吸装置D、毛细孔E。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步阐述和说明。本发明中各个实施方式的技术特征在没有相互冲突的前提下，均可进行相应组合。

如图1所示，为本实施例的减少扰动的自循环烟气风洞结构，其是由风道1、弯道整流格栅2、整流段3、阀门4、入口整流格栅5、模型装载平板6、观察箱7、试验模型8、悬挂部件9、出口整流格栅10、凝水段11、散热器12、冷凝机13、凝水网格14、引流器15、蓄水箱16、雾化机17、导烟管18、导流管19组成的。

观察箱7是由透明的有机玻璃制成的，风道1面向观察者的一面也是由有机玻璃制成的。观察箱7两侧固定两个悬挂部件9，可以将其悬挂于墙上进行展示。风道1整体呈C字形，首尾两端分别连接观察箱7的进口和出口，形成一个封闭式循环风洞。观察箱7中的空气流通通道与风道1横截面完全相同。观察箱7中背面安插有一块黑色的模型装载平板6，模型装载平板6上固定有一条插棒，试验模型8安装于该插棒上。风道1中的气流经过试验模型8时会形成特定形状的流场。为了反应模型周边的真实流场，减少气流扰动，在观察箱7前端的风道1中具有一段整流段3，整流段3中设置有入口整流格栅5。入口整流格栅5是由6条相互平行的格栅板组成的，均匀分布在风道1的横截面中。入口整流格栅5的每块格栅板内部均具有空腔，且格栅板靠近观察箱7一侧开设有连通内部空腔的排气口也可以是排气缝。各排气口平齐布置，位于风道1的同一横截面上。入口整流格栅5的中部位置布置有一条与各格栅板垂直的导烟管18，导烟管18顶端密封，管体依次穿越各格栅板，并与各格栅板的内部空腔连通，同时两者的交接部位保持密封。雾化机17设置于蓄水箱16的液面以下，导烟管18的底端连通雾化机17的出雾口，使雾化机17产生的水雾通过各排气口均匀分散至风道1中。为了实现不同位置的水雾添加，可以在各格栅板的排气口之前设置阀门4对该排气通道进行开断控制，阀门4可以采用电磁阀，也可以采用机械式阀门。阀门4最好设置于格栅板与导烟管18的交接处。

为了进一步提高观察箱7中流场的稳定性，在观察箱7后端的风道1中也需要设置出口整流格栅10，出口整流格栅10后端的风道1中具有一段凝水段11，凝水段11中设置有冷凝机13，冷凝机13的凝水网格14设置于风道1中。凝水网格14由冷凝机13的制冷组件提供冷量，并设置散热器12进行散热。凝水网格14可采用防水导热材料，其可以与制冷组件分体，也可以采用一体化的制冷片实现。凝水网格14长期保持低温状态，对空气中的水雾进行冷凝。否则，风道1中的空气中水雾过于浓密，不利于显示清晰的流场。凝水网格14中冷凝流出的水可以通过导流管19排出风道1，也可以回流至蓄水箱16，实现循环使用。

风道1中在冷凝机13后端还设置有用于提供空气流动动力的引流器15。引流器15可以采用风机等设备实现。风道1中每个拐角处均设有弯道整流格栅2，以避免在弯道处产生紊流。特别是在整流段3之前的风道处，除了在拐角位置设置弯道整流格栅2之外，还需要将此处设置成直径渐扩的形式。因为此处在弯道中容易产生紊流，而直径渐扩后能够降低流体速度，结合整流格栅的作用能够很好地消除这些扰动。各整流格栅中每块格栅板均尽量呈流线型。而且，此渐扩段可以清晰展示管径渐扩时的流场变化。

在本实施例中，如图2所示，导烟管18与格栅板的连通位置与该格栅板的出气口之间的距离L对观察箱7中气流的稳定性具有重要影响。为了试验导烟管18的最佳布置位置，分别设计了5组设备(记为P1～P5)进行试验。P1～P5组中，L为分别导烟管18外径的2、4、5、8、10倍。另外，为了对比独立设置导烟管的方案的影响，另外设计一个风洞装置D1作为对比，其与图1所示装置的唯一区别在于，导烟管18单独放置于入口整流格栅5和观察箱7中间位置。

对每组设备以相同的风流速度进行试验，在观察箱7靠近风道1的端部设置三轴毕托管，对此处X、Y、Z轴的分速度进行测定。其中，X轴正方向为图1中箭头所示的水平方向，Y轴为平行于图1纸面但垂直于X轴的方向，Z轴为垂直图1纸面的方向。其结果如表1所示。由此表明，将导烟管与格栅板结合大大降低了气流的扰动，而且导烟管18与格栅板的连通位置与该格栅板的出气口之间的距离以导烟管18外径的5～8倍为宜。

表1不同的导烟管设置位置下三轴毕托管的分速度

P1

P2

P3

P4

P5

D1

Vy/Vx

7.2％

6.2％

4.8％

3.9％

3.3％

16.6％

Vz/Vx

13.5％

6.4％

4.6％

4.0％

3.5％

21.3％

图1所示的装置中，以水雾作为烟雾源，虽然具有环保的优点，但在长时间运行状态下会出现试验模型8表面粘结水滴的现象，而且随着不断的运行，该液滴会逐步扩大。特别是对于气流低速循环时，液滴会对流经其周边的气流产生较大扰动，影响模型周边的真实流场。因此，在另一实施例中，对风洞演示时的试验模型结构进行了改进：

优化后的试验模型8如图4～6所示，由模型本体A、插棒B、密封件C和负压抽吸装置D组成。本实施例中以圆形的模型本体A为例，模型本体A内部中空，其底面中心开设有一个与内腔连通的安装孔，安装孔的表面设置橡胶环作为密封件C。插棒B安装于观察箱7的演示面板上，且插棒B内部中空呈管状，一端穿过密封件连通模型本体A的内腔，另一端通过管道连接负压抽吸装置D。模型本体A与风洞中流体接触的表面均布有毛细孔E，毛细孔E连通模型本体A的表面与内腔。毛细孔E的形成可以在模具成型过程中，预先在模型表面嵌入易熔合金丝，然后当模具冷却后加热熔化合金丝，形成毛细孔。当然，也可以采用3D打印的方式实现。毛细孔E直径最好为毫米级或微米级，以免孔径过大影响气流稳定。本实施例中的毛细孔E如图7和8所示，呈弯曲的弧管状，至少具有两个弯折部，使负压抽吸装置D不工作时，模型本体A外部的气流一般不会进入毛细孔E。模型本体A与风洞中流体接触的表面还可以覆盖一层吸水材料。吸水材料最好紧贴模型本体A。由于吸水材料的覆盖，毛细孔E将不直接连通风洞中的流体，因此流体会经由吸水材料的表面流过，不会受到毛细孔E的扰动。而且，较大的雾滴会直接被吸水材料吸附，然后在负压作用下才经过毛细孔E进入模型本体A内腔。

基于该种搭载优化后的试验模型8的烟气风洞，可以采用以下方法在模型本体周边显示流场分布，其做法为：将试验模型8安装于观察箱7的模型装载平板6上；然后开启引流器15，使风道1和观察箱7内空气流动，产生循环的流场；启动雾化机17，使水雾通过导烟管18输送至入口整流格栅5的各格栅板中，然后从出气口排出混入循环的空气气流中；含有水雾的空气气流进入观察箱7并在试验模型8周边形成流场；观察箱7中的空气气流从观察箱7流出后经过出口整流格栅10整流后通过凝水网格14，空气中的水雾被凝结至凝水网格14中，而剩余的空气则继续在引流器15的牵引下继续进入入口整流格栅5中与新的水雾混合；在风洞运行过程中，间歇性启动所述的负压抽吸装置D，将试验模型8表面凝结的液滴通过毛细孔E吸入模型本体A的内腔中，保持模型本体A周边的流场显示真实。

以上所述的实施例只是本发明的几种较佳的方案，然其并非用以限制本发明，凡采取等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种减少扰动的自循环烟气风洞，其特征在于，包括观察箱(7)和风道(1)，观察箱(7)安装有试验模型(8)，风道(1)的首尾两端分别连接观察箱(7)的进口和出口，形成一个封闭式循环风洞；观察箱(7)前端的风道(1)中设置有入口整流格栅(5)，入口整流格栅(5)的格栅板相互平行布设，每块格栅板内部均具有空腔，且格栅板靠近观察箱(7)一侧开设有连通所述空腔的排气口；入口整流格栅(5)中的每块格栅板内部空腔均通过导烟管(18)连通雾化机(17)的出雾口，使雾化机(17)产生的水雾通过所述排气口进入风道(1)中。

2.如权利要求1所述的减少扰动的自循环烟气风洞，其特征在于，所述的入口整流格栅(5)中每块格栅板的排气口位于风道(1)的同一横截面上；每块格栅板均由同一条导烟管(18)提供水雾，且导烟管(18)以与格栅板垂直的角度逐条连通每块格栅板内部空腔；导烟管(18)与格栅板的连通位置与该格栅板的出气口之间的距离至少为导烟管(18)外径的5～8倍。

3.如权利要求1所述的减少扰动的自循环烟气风洞，其特征在于，所述的观察箱(7)后端的风道(1)中设置有出口整流格栅(10)，出口整流格栅(10)后端的风道(1)中设置有冷凝机(13)，冷凝机(13)的凝水网格(14)设置于风道(1)中；风道(1)中还设置有用于提供空气流动动力的引流器(15)。

4.如权利要求1所述的减少扰动的自循环烟气风洞，其特征在于，所述的风道(1)中每个拐角处均设有弯道整流格栅(2)。

5.如权利要求1所述的减少扰动的自循环烟气风洞，其特征在于，所述的风道(1)中，在入口整流格栅(5)之前设置有直径扩大段。

6.如权利要求1所述的减少扰动的自循环烟气风洞，其特征在于，所述的试验模型(8)包括模型本体(A)、插棒(B)、密封件(C)和负压抽吸装置(D)；所述的模型本体(A)内部中空，其底面中心开设有一个与内腔连通的安装孔，安装孔的表面环绕有密封件；所述的插棒(B)安装于观察箱(7)的演示面板上，且插棒(B)呈管状，一端穿过密封件连通所述模型本体(A)的内腔，另一端通过管道连接负压抽吸装置(D)；所述模型本体(A)与风洞中流体接触的表面均布有毛细孔(E)，毛细孔(E)连通模型本体(A)的表面与内腔。

7.如权利要求6所述的减少扰动的自循环烟气风洞，其特征在于，所述的模型本体(A)与风洞中流体接触的表面覆盖有一层吸水材料，使所述的毛细孔(E)不直接连通风洞中的流体。

8.如权利要求6所述的减少扰动的自循环烟气风洞，其特征在于，所述的毛细孔(E)直径为毫米级和/或微米级。

9.如权利要求6所述的减少扰动的自循环烟气风洞，其特征在于，所述的毛细孔(E)呈弯曲的弧管状，至少具有两个弯折部。

10.一种基于权利要求6所述烟气风洞的模型本体周边流场分布显示方法，其特征在于，将试验模型(8)安装于观察箱(7)的模型装载平板(6)上；然后开启引流器(15)，使风道(1)和观察箱(7)内空气流动，产生循环的流场；启动雾化机(17)，使水雾通过导烟管(18)输送至入口整流格栅(5)的各格栅板中，然后从出气口排出混入循环的空气气流中；含有水雾的空气气流进入观察箱(7)并在试验模型(8)周边形成流场；观察箱(7)中的空气气流从观察箱(7)流出后经过出口整流格栅(10)整流后通过凝水网格(14)，空气中的水雾被凝结至凝水网格(14)中，而剩余的空气则继续在引流器(15)的牵引下继续进入入口整流格栅(5)中与新的水雾混合；在风洞运行过程中，间歇性启动所述的负压抽吸装置(D)，将试验模型(8)表面凝结的液滴通过毛细孔(E)吸入模型本体(A)的内腔中，保持模型本体(A)周边的流场显示真实。