CN109613304A - 开式循环风洞的低气压风速标定系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低压风速校准系统，包括校准风洞洞体和气源系统，其校准风洞洞体主要功能是产生特定速度的射流；气源系统用于洞体的压力、速度和温度的调节与保障。本发明为低压风速标定提出了解决方案，该系统可以作为热线风速仪、热球风速仪、超声风速仪校准用标准速度源，使之在坐标架和热线系统的配合下，完成在火星车热试验模拟舱内的热线探头校准。

Description

开式循环风洞的低气压风速标定系统

技术领域

本发明属于航天器地面热试验技术领域，具体涉及到一种火星表面风速环境模拟标定系统，此系统作为热线探头校准用标准速度源，使之在坐标架和热线系统的配合下，能够完成在某环境模拟舱内的热线探头校准。

背景技术

火星车热试验需要模拟和测量火星表面0-15m/s的风速，压力范围600Pa～1000Pa，固体边界温度变化范围为-128℃～0℃。地面风速测量的压力环境一般为1个大气压(101325Pa)，在地球表面压力下，无论是机械式、热线式、激光式等，均可获得较为理想的结果，但是对于火星表面的低气压和气体温度变化剧烈环境，在原理或测量方式上均存在一定的局限性。

常用的标定技术包括旋转法，密闭循环风洞法，开式循环风洞，密闭移动式标定方法。

开式的循环风洞利用前端的压力源和后端的泵抽速平衡，实现试验段的压力保持在需要的压力；气体温度利用前端压力源调节的气体温度来实现。

NASA兰利中心具备该设备，试验段为直径150mm，曾经为海盗号标定风速传感器；美国华盛顿大学的设备试验段为直径38mm；牛津大学的该设备试验段为直径180mm，用来标定小猎犬二号风速传感器；日本东京大学风速标定设备试验段直径50mm，采用引流方式。

由上述分析可以看出，欧美等国已初步掌握了开式循环风洞标定技术，并成功应用到低气压风速标定中。目前，我国对于开式循环风洞低气压标定方法还没有开展相关的研究工作。

因此，设计和发明一种开式循环风洞低气压标定系统对模拟火星表面环境具有积极的现实意义。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一个火星表面压力、温度、风速、风向、气体氛围等的综合热环境，作为热线探头校准用标准速度源，使之在坐标架和热线系统的配合下，能够完成在某环境模拟舱内的热线探头校准，为火星车有风热环境试验提供支撑。

为解决上述问题，本发明采用的技术方案如下：

本发明适用于火星车热试验风速标定系统，包括校准风洞洞体和气源系统，气源系统由稳压部分、流量控制部分、温度控制部分、补气部分、PLC部分组成，其中校准风洞洞体用于产生特定速度的射流；气源系统用于洞体的供气和速度、温度的调节与保障，校准风洞洞体由扩散段、整流元件、稳定段和喷嘴组成，经过流量和温度控制的工质从稳定段上游供气管路进入洞体，在压差作用下，气流以较高速度喷入稳定段，经折流板阻挡，改变其流动方向，使其迅速扩散至整个截面，形成相对均匀低速的流动状态；扩散段下游的多孔材料、蜂窝器和滤网进一步均匀气流、破碎涡旋、降低湍流度，使进入稳定段的流动品质进一步改善。

进一步地，稳定段是一段光滑直管，目的是使气流在直管流动中形成比较稳定的流动状态。

其中，喷嘴与洞体的稳定段是合为一体的，喷嘴采用成熟的维氏曲线，通过良好气动性能的收缩，形成稳定的流动分布和较小的湍流度。

其中，为了供气流量、抽气能力和等速区直径的匹配，采用3个喷嘴出口直径实现不同压力条件下的速度校准。

整流元件由多孔材料、蜂窝器和滤网组成，为简化结构，在扩散段出口处安装整流元件实现整流段整流功能，不再有单独结构的整流段。

其中，扩散段采用折流进气方式减小进气段尺寸，同时使气流在尽可能短的距离充满洞体截面，在压差作用下，气流以较高速度喷入稳定段，经折流板阻挡，改变其流动方向，使其迅速扩散至整个截面，形成相对均匀低速的流动状态。

其中，储存在气瓶中的气体经过减压阀的减压作用，由初压减到试验要求压力，该部分主要保证流量控制器的入口压力在其工作范围之内，以便于调节阀能够获得稳定的气源动力用于调节控制，由减压阀实现。

其中，常温氮气由77K的低温液氮和电加热器控制。低温液氮和常温氮气的换热在换热器中进行，电加热器可缠绕在圆管上进行加热。

其中，当流量大时，舱体内升压会对流体速度产生较大影响，因此必须抽气。根据真空泵抽气能力选择抽气能力较高的点，并在抽气的同时最好补气，具体通过压力传感器(压力测量范围：0-1bar)，PLC控制系统，电动调节阀，针阀精确控制补气量使得舱体内压力保持恒定。

其中，喷嘴形面设计采用了成熟的维氏曲线，其线形公式如下：

式中，R：收缩段的截面半径大小；R₂：收缩段的出口半径；m：收缩比(收缩段进出口面积之比)；L：收缩段总长度。

本发明为低气压风速标定提出了解决方案，该系统为校准热线探头提供了标准速度源。

本发明利用现有真空容器进行改造，在有限空间内合理设计方案，在环境模拟舱内增加校准风洞洞体和气源系统(包括稳压部分、流量控制部分、温度控制部分、稳压部分、PLC控制部分)，可根据不同喷口直径，不同压力，不同气温，得到不同标准速度源，为火星环境模拟提供更准确风速环境。

附图说明

图1为本发明的适用于火星车热试验风速标定系统的结构示意图；

其中，1为稳压部分、2为流量控制部分、3为温度控制部分、4为稳压部分、5为PLC控制部分，6为校准风洞洞体，7为环境模拟舱。

图2为本发明的适用于火星车热试验风速标定系统的局部细节展示的结构示意图；

其中，101为气瓶，102为减压阀，103为球阀，104为电动调节阀，105为冷却器，106为电加热器，107为排空阀，108为球阀，109为测试区，110为真空泵，111为电动阀，112为针阀。

图3为本发明的适用于火星车热试验风速标定系统中校准风洞洞体的结构示意图，

其中，201为扩散段，202为整流元件，203为稳定段和喷嘴，301为多孔材料，302为滤网，303为蜂窝器。

具体实施方式

以下参照附图对本发明的低压风速校准系统进行详细说明，但该描述仅仅是示例性的，并不旨在对本发明的保护范围进行任何限制。

图1是本发明的适用于火星车热试验风速标定系统的结构示意图，其中，该适用于火星车热试验风速标定系统包括两个部分：气源系统和位于环境模拟舱7内的校准风洞洞体6，用于校准风洞洞体6的供气和速度、温度的调节与保障的气源系统包括稳压部分1、流量控制部分2、温度控制部分3、稳压部分4、PLC控制部分5，来自气源的气体经过稳压部分1稳压后进入流量控制部分2对气体流量进行控制，后经温度控制部分3对气体温度进行控制，稳压部分1、流量控制部分2、温度控制部分3均与PLC控制部分5电连接，稳压部分4根据流量控制部分2的气体流量和温度控制部分3的温度来控制阀门的开关以补充环境模拟舱7内气体并保持环境模拟舱7内的气体压力和温度。校准风洞洞体6位于环境模拟舱7内，主要功能是产生特定速度的射流。校准系统采用开式方案，即工质由模拟舱外部供给，经过洞体形成射流后，抽出环境模拟舱。

参见图2，图2显示了本发明的适用于火星车热试验风速标定系统的局部细节展示的结构示意图，其中，气瓶101出口管路连接稳压部分1中的减压阀102，连接球阀103，连接流量控制部分2的电动调节阀104，连接温度控制部分3中的冷却器105和电加热器106，然后分两个支路，一个支路连接排空阀107，另一个支路连接球阀108，球阀108后端与模拟舱法兰连接，法兰另一侧为舱内气体管路，气体管路另一端连接风洞洞体6入口，真空泵110通过法兰与模拟舱7连接，当模拟舱7内压力高时，启动真空泵110减压，补气部分通过法兰与模拟舱7连接，当模拟舱7内压力低时，启动补气部分增压。PLC控制部分5通过读取压力传感器，流量计数据控制各阀门，保证系统运行正常。

试验开始时，位于校准风洞上游，环境模拟舱外的排空阀107打开，球阀108关闭，供气系统101、1、2、3为旁通状态。打开气瓶101总阀经稳压部分1中的减压阀102实现相对较低的供气压力，通过球阀103，进入流量控制部分2通过电动调节阀104进行流量调节，控制到工况所需要的标态体积流量，调控了流量的工质进入温度控制部分3，通过冷却器105和电加热器106将其温度调整至实验要求温度，即环境模拟舱7内的温度。当流量和温度调整稳定后，切换排空阀107和球阀108状态，排空阀107关闭，球阀108打开，工质进入环境模拟舱7，经短暂调整进入预定的稳定状态，形成测试区109。校准风洞下游，环境模拟舱7真空系统根据舱内压力变化情况适时启动。特定情况下抽速不变，当抽速高于供气速度时，由稳压部分4通过电动阀111和针阀112进行补充，当供气与补气之和等于真空泵抽速时，舱内压力不变。稳压部分在舱内管路要进行保温处理，并直接通至模拟舱抽气口内，使其对舱内温度的影响降至最低。

参见图3，图3为本发明的适用于火星车热试验风速标定系统中校准风洞洞体的结构示意图，风洞洞体结构包括扩散段201，整流元件202，稳定段和喷嘴203三部分。整流元件202包括多孔材料301，蜂窝器303和滤网302。扩散段201与整流元件202为一体，在扩散段201出口处依次安装多孔材料301，蜂窝器303和滤网302，实现整流段整流功能，喷嘴与扩散段通过8个螺钉连接。

经过流量和温度控制的工质从稳定段上游供气管路进入风洞洞体6，在压差作用下，气流以较高速度喷入稳定段203，经折流板阻挡，改变其流动方向，使其迅速扩散至整个截面，形成相对均匀低速的流动状态。扩散段201下游的多孔材料301、滤网302和蜂窝器303进一步均匀气流、破碎涡旋、降低湍流度，使进入稳定段的流动品质进一步改善。稳定段203是一段光滑直管，目的是使气流在直管流动中形成比较稳定的流动状态。本设计的喷嘴与洞体稳定段是合为一体的，喷嘴203采用成熟的维氏曲线，通过良好气动性能的收缩，形成稳定的流动分布和较小的湍流度。

尽管上文对本发明的具体实施方式给予了详细描述和说明，但是应该指明的是，我们可以依据本发明的构想对上述实施方式进行各种等效改变和修改，其所产生的功能作用仍未超出说明书及附图所涵盖的精神时，均应在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.适用于火星车热试验风速的低压标定系统，包括校准风洞洞体和气源系统，气源系统由气瓶、稳压部分、流量控制部分、温度控制部分、补气部分、PLC部分组成，其中校准风洞洞体用于产生特定速度的射流；气源系统用于洞体的供气和速度、温度的调节与保障，校准风洞洞体由扩散段、整流元件、稳定段和喷嘴组成，经过流量和温度控制的气体工质从稳定段上游供气管路进入洞体，在压差作用下，气流以较高速度喷入稳定段，经折流板阻挡，改变其流动方向，使其迅速扩散至整个截面，形成相对均匀低速的流动状态；扩散段下游的多孔材料、蜂窝器和滤网进一步均匀气流、破碎涡旋、降低湍流度，使进入稳定段的流动品质进一步改善。

2.如权利要求1所述的适用于火星车热试验风速标定系统，其中，稳定段是一段光滑直管，使气流在直管流动中形成比较稳定的流动状态。

3.如权利要求1所述的适用于火星车热试验风速标定系统，其中，喷嘴与洞体的稳定段是合为一体的，喷嘴采用成熟的维氏曲线，通过收缩，形成稳定的流动分布和较小的湍流度。

4.如权利要求1所述的适用于火星车热试验风速标定系统，其中，采用三个喷嘴出口直径实现不同压力条件下的速度校准。

5.如权利要求1所述的适用于火星车热试验风速标定系统，其中，整流元件由多孔材料、蜂窝器和滤网组成，在扩散段出口处安装整流元件实现整流段整流功能，不再有单独结构的整流段。

6.如权利要求1所述的适用于火星车热试验风速标定系统，其中，扩散段采用折流进气方式减小进气段尺寸，同时使气流在尽可能短的距离充满洞体截面，在压差作用下，气流以较高速度喷入稳定段，经折流板阻挡，改变其流动方向，使其迅速扩散至整个截面，形成相对均匀低速的流动状态。

7.如权利要求1所述的适用于火星车热试验风速标定系统，其中，储存在气瓶中的气体经过减压阀的减压作用，由初压减到试验要求压力，该部分主要保证流量控制器的入口压力在其工作范围之内，以便于调节阀能够获得稳定的气源动力用于调节控制，由减压阀实现。

8.如权利要求1所述的适用于火星车热试验风速标定系统，其中，当流量大时，舱体内升压会对流体速度产生较大影响，根据真空泵抽气能力选择抽气能力较高的点进行抽气，同时最好补气，通过压力传感器，电动调节阀，针阀精确控制补气量使得舱体内压力保持恒定。

9.如权利要求1所述的适用于火星车热试验风速标定系统，其中，喷嘴形面设计采用了成熟的维氏曲线，其线形公式如下：

式中，R：收缩段的截面半径大小；R₂：收缩段的出口半径；m：收缩比(收缩段进出口面积之比)；L：收缩段总长度。