CN109813519A - 超声速风洞示踪介质添加机构、风洞试验装置及添加方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超声速风洞示踪介质添加机构、风洞试验装置及添加方法，涉及实验空气动力学领域。该超声速风洞示踪介质添加机构用于和吸气式风洞配合。超声速风洞示踪介质添加机构包括第一转化组件和第二转化组件。第一转化组件的输出端与第二转化组件的输入端相对应，第二转化组件的输出端用于和吸气式风洞的风洞入口相对应。第一转化组件用于将冷凝介质转化为液滴，第二转化组件用于将液滴转化为气态介质，气态介质能够和工作气体混合进入吸气式风洞的风洞入口，从而通过冷凝的物理过程产生纳米量级的示踪粒子。该超声速风洞示踪介质添加机构结构简单，运行方便，成本相对低廉，运行效率高。

Description

超声速风洞示踪介质添加机构、风洞试验装置及添加方法

技术领域

本发明涉及实验空气动力学领域，具体而言，涉及一种超声速风洞示踪介质添加机构、风洞试验装置及添加方法。

背景技术

超声速、高超声速流场的流动显示，是进行流场测量的基础，对超声速、高超声速流动机理研究和高速飞行器工程研制具有重要的基础性作用。

由于空气流动看不见摸不着，要实现流场可视化并进行成像，传统的方法主要有两大类：一类基于流场本身的密度变化，利用光学折射的方法进行可视化成像，这一类技术受自身技术原理限制，无法实现对三维流场的测量。另一类技术是通过在流场中加入纳米尺度的示踪粒子，利用示踪粒子跟随流场一起运动，实现流场的可视化成像，然而，由于纳米尺度粒子的表面效应，其极易团聚在一起形成大尺度粒子，故实现纳米尺度粒子的流场示踪成像面临较大的困难。

发明内容

本发明的目的在于提供一种超声速风洞示踪介质添加机构，用于和吸气式超声速风洞配合，可以快速且方便的向吸气式风洞的试验段添加冷凝示踪粒子。

本发明的实施例是这样实现的：

基于上述目的，本发明的实施例提供了一种超声速风洞示踪介质添加机构，用于和吸气式超声速风洞配合，所述超声速风洞示踪介质添加机构包括第一转化组件和第二转化组件；

所述第一转化组件的输出端与所述第二转化组件的输入端相对应，所述第二转化组件的输出端用于和所述吸气式风洞的风洞入口相对应；

所述第一转化组件用于将冷凝介质转化为液滴，所述第二转化组件用于将所述液滴转化为气态介质，所述气态介质能够和工作气体混合进入所述吸气式风洞的风洞入口，从而通过冷凝的物理过程产生纳米量级的示踪粒子。

另外，根据本发明的实施例提供的超声速风洞示踪介质添加机构，还可以具有如下附加的技术特征：

在本发明的可选实施例中，所述第一转化组件包括第一加热件和雾化器；

所述第一加热件具有容纳腔和出口端，所述容纳腔用于装入所述冷凝介质，所述出口端与所述雾化器的输入口固定连接，所述雾化器的输出口与所述第二转化组件的输入端相对应。

在本发明的可选实施例中，所述第二转化组件为第二加热件，所述第二加热件能够对所述液滴进行加热使其转化为气态介质。

在本发明的可选实施例中，所述第二加热件为管道式加热器。

本发明提供了一种风洞试验装置，包括吸气式风洞和超声速风洞示踪介质添加机构；

所述吸气式风洞包括风洞入口，所述超声速风洞示踪介质添加机构的输出端与所述风洞入口相对应。

在本发明的可选实施例中，所述吸气式风洞包括依次设置的稳定段、喷管段以及试验段；

所述超声速风洞示踪介质添加机构能够产生气态介质，所述气态介质与工作气体混合后依次进入所述稳定段和所述喷管段，所述喷管段将所述气态介质通过冷凝的物理过程形成纳米量级的示踪粒子，所述示踪粒子和所述工作气体进入所述试验段。

本发明还提供了一种示踪介质添加方法，所述方法包括：

对冷凝介质进行转化处理，使之形成液滴；

对所述液滴进行加热，使之被加热为气态介质；

将所述气态介质与工作气体混合后，通入吸气式风洞的风洞入口，以使气态介质在经过所述吸气式风洞的稳定段和喷管段后通过冷凝的物理过程形成纳米量级的示踪粒子。

在本发明的可选实施例中，对冷凝介质转化为滴液的步骤又包括加热步骤和雾化步骤；

所述加热步骤：对冷凝介质进行加热，使之达到过热状态；

所述雾化步骤：对过热状态的所述冷凝介质进行雾化处理，使之形成液滴。

在本发明的可选实施例中，所述加热步骤之前还包括添加步骤，向加热步骤中的加热装置的容纳腔内添加冷凝介质。

在本发明的可选实施例中，所述冷凝介质为水。

本发明实施例的有益效果是：超声速风洞示踪介质添加机构设计合理，结构简单，操作方便，配合吸气式风洞形成风洞试验装置，能够快速向吸气式风洞的试验段添加满足要求的冷凝示踪介质，同时又不会影响环境空气的实验装置，且运行方便，成本相对低廉，运行效率高。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明实施例1提供的超声速风洞示踪介质添加机构的示意图；

图2为风洞试验装置的示意图。

图标：100-超声速风洞示踪介质添加机构；10-第一加热件；11-雾化器；12-第二加热件；13-吸气式风洞；200-风洞试验装置；14-风洞入口；15-稳定段；16-喷管段；17-试验段；18-工作气体。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。

实施例1

图1为本实施例提供的超声速风洞示踪介质添加机构100的示意图，如图1所示。

本实施例1提供的超声速风洞示踪介质添加机构100用于和吸气式风洞13配合，可以快速且方便的向吸气式风洞13的试验段17添加冷凝示踪粒子，从而实现示踪粒子对流场的流动显示。

超声速、高超声速流场的流动显示，是进行流场测量的基础，对超声速、高超声速流动机理研究和高速飞行器工程研制具有重要的基础性作用。由于空气流动看不见摸不着，要实现流场可视化并进行成像，传统是采用以下两种方法：第一种，基于流场本身的密度变化，利用光学折射的方法进行可视化成像。由于该技术受自身技术原理限制，无法实现对三维流场的测量。第二种，通过在流场中加入示踪粒子，利用示踪粒子跟随流场一起运动，实现流场的可视化成像。

然而，超声速、高超声速流场速度快，梯度高，存在激波等强间断的流场结构，在低速流动中通常采用的微米量级示踪粒子，无法满足流场的跟随性要求。由于纳米尺度粒子的表面效应，其极易团聚在一起形成大尺度粒子。因此，第二种方式要实现纳米尺度粒子的流场示踪成像具有较大困难。

本实施例1提供的超声速风洞示踪介质添加机构100是通过将冷凝介质转化为气态形式，与工作气体18均匀混合且一同进入吸气式风洞13中，依次经过稳定段15和喷管段16，根据等熵关系式，气体在加速膨胀的同时，温度和压力迅速下降，当温度和压力低于一定状态时，加入的冷凝介质(水或者二氧化碳气体)发生冷凝形成示踪粒子，而主流的工作气体18没有冷凝。且在快速冷凝过程中，冷凝粒子的尺度通常在纳米量级，且纳米量级粒子的尺度分布比较集中，该示踪粒子在空气流动中均匀分布，可以较好的进行空气动力学流动显示。

下面对该超声速风洞示踪介质添加机构100的各个部件的具体结构和相互之间的对应关系进行详细说明。

超声速风洞示踪介质添加机构100包括第一转化组件和第二转化组件。第一转化组件的输出端与第二转化组件的输入端相对应，第二转化组件的输出端用于和吸气式风洞13的风洞入口14相对应。

其中，第一转化组件用于将冷凝介质转化为液滴，输入到第二转化组件中，第二转化组件用于将液滴转化为气态介质，使得气态介质与工作气体18均匀混合，且一同进入吸气式风洞13的风洞入口14，在流动过程中产生纳米量级的示踪粒子。

可选的，第一转化组件包括第一加热件10和雾化器11。第一加热件10具有容纳腔和出口端，容纳腔用于装入冷凝介质，出口端与雾化器11的输入口固定连接，雾化器11的输出口与第二转化组件的输入端相对应。

第一加热件10将冷凝介质加热到过热状态，利用雾化器11将高温液态的介质雾化为微小颗粒(直径百微米量级)，且喷入流动的工作气体18中。

可选的，第二转化组件为第二加热件12，第二加热件12能够对高温液滴进行加热使其转化为气态介质。

在本实施例中，第二加热件12为管道式加热器，雾化器11喷出的高温液滴随同流动的工作气体18经过管道式加热器(与电吹风原理类似，但需要功率更大)的加热，让跟随工作气体18一同流动的微小液滴受热蒸发，在进入吸气式风洞13的稳定段15之前再次被转化为气态，使之形成含一定要求浓度的湿工作气体18，从而实现冷凝示踪粒子的添加。

目前，针对吸气式风洞13，利用环境的空气作为工作气体18，没有独立气源系统。采用冷凝示踪方法时，需要将示踪介质加入到周围环境的空气中，一是不利于控制示踪介质的浓度，二是如果在环境气体中加入二氧化碳这类气体对人体的健康不利。

如果是加入水蒸气，即改变环境空气的湿度，虽然不影响人体健康，但是如果空气湿度偏低，冷凝水粒子偏少，流动显示效果不理想，如果空气湿度增加，虽然满足了流动显示对冷凝物质浓度的要求，但过于潮湿的环境空气对实验室内的仪器设备将产生不利影响。

本发明实施例1提供的超声速风洞示踪介质添加机构100具有的有益效果是：结构简单，操作方便，能够快速向吸气式风洞13添加满足要求的冷凝示踪介质，同时又不会影响环境空气的实验装置，且运行方便，成本相对低廉，运行效率高。

实施例2

本发明提供了一种风洞试验装置200，包括吸气式风洞13和上述实施例1提供的超声速风洞示踪介质添加机构100，具体说明如下：

图2为风洞试验装置200的示意图，请参照图2所示。

吸气式风洞13包括风洞入口14，超声速风洞示踪介质添加机构100的输出端与风洞入口14相对应，将气态介质随同工作气体18流动进入风洞入口14。

具体的，吸气式风洞13包括依次设置的稳定段15、喷管段16以及试验段17。超声速风洞示踪介质添加机构100能够产生气态介质，该气态介质与工作气体18混合后，依次进入稳定段15和喷管段16，当其进入超声速、高超声速风洞的喷管段16时，根据等熵关系式，气体在加速膨胀的同时，温度和压力迅速下降。当温度和压力低于一定的状态时，加入的气态介质(水蒸气或二氧化碳气体)发生冷凝形成示踪粒子，而主流的工作气体18没有冷凝。

且经过大量的实验测量证实，在快速冷凝过程中的冷凝粒子的尺度通常在几纳米量级，而且粒子的尺度分布比较集中。该方法也常被用于气相法制备纳米粒子，即喷管段16将气态介质作用为纳米量级的示踪粒子，示踪粒子和工作气体18均匀混合一同进入试验段17。

实施例3

本发明实施例3提供了一种示踪介质添加方法，是将冷凝介质以纳米量级添加到吸气式风洞13的试验段17，利用冷凝生成的纳米尺度粒子作为示踪粒子可以很好解决示踪粒子对超声速、高超声速流场的示踪成像。

现有的基于纳米示踪的平面激光散射技术，能够实现纳米尺度示踪粒子的投放与流场示踪，其利用人工加入工业生产好的纳米量级的示踪粒子，通过一定技术对纳米尺度粒子进行解聚，并分离大尺度粒子，实现纳米尺度示踪。

然而，这类技术需要相对复杂的纳米粒子发生器提供纳米尺度示踪粒子。对于吸气式超声速风洞，一般以环境的空气作为工作气体18，需要将纳米粒子投放到周围空气中，导致空气会残留纳米尺度微小粒子，这类粒子一旦被吸入人体，很难再排出，对人体健康的影响仍然未知。

另外，外加的纳米尺度粒子由于团聚效应，时间一长会抱团成大粒子，影响示踪粒子对流场的跟随性，而通过冷凝形成的纳米粒子，在流场中产生，跟随超声速、高超声速流场一起运动，其从产生开始到经过吸气式风洞13的实验段区域的时间非常短，在这段时间内纳米尺度粒子还来不及抱团成大尺度粒子，不会影响其对超声速/高超声速流场的跟随性。

本实施例3提供的示踪介质添加方法和现有外加固态纳米粒子与气流混合的方式相比，由于冷凝前，冷凝介质为气态，与工作气体18混合均匀，冷凝方式产生的示踪粒子与流场混合更加均匀，流场显示效果更好。

具体的，该示踪介质添加方法包括以下步骤：

对冷凝介质进行转化处理，使之形成液滴。

对液滴进行加热，使之被加热为气态介质。

在本实施例中，利用管道加热装置将液滴转化为气态介质，管道加热装置与电吹风原理类似，但需要功率更大。

将冷凝介质变为气态介质随同工作气体18一同加入吸气式风洞13中。为保证冷凝的示踪粒子为纳米量级，必须使其从气态蒸气发生冷凝。由于液态介质尺度一般比较大(微米量级)，其冷凝生成的粒子尺度不可能小于液滴本身直径。而气态介质快速冷凝，可以生成纳米量级的冷凝粒子。

在本实施例中，冷凝介质为水，工作气体18为空气，下面以水和空气为例进行详细说明。

由于水的熔点为0℃(不考虑压力的变化)，而吸气式风洞13是以大气(即空气)作为工作气体18，空气的温度(总温)为室温，一般按300K计算，流场中的最高温度不会超过室温(300K)。如果冷凝介质选用二氧化碳，由于二氧化碳的熔点为-78.45℃，如果流场中存在一定的高温区域，二氧化碳冷凝粒子就会受热蒸发消失，影响流动显示效果。

相比而言，水的熔点更接近室温，所以流场中升温导致水蒸气蒸发消失的概率要小于二氧化碳消失的概率。且从示踪物质的选择上，水更适合于吸气式风洞13的冷凝流动显示。管道加热装置对含有高温水滴的空气进行加热，让跟随空气一起运动的微小水滴受热蒸发，在进入吸气式风洞13稳定段15之前再次被转变为水蒸气，形成含有要求浓度的湿空气，实现冷凝物质的添加。

之所以将水加热到高温再喷出，是为了提高水滴本身的温度，让其在加热管道中更快受热蒸发成水蒸气。利用雾化喷嘴将高温水雾化，一是让水滴与空气更加均匀分布，二是尽量减小水滴直径，增加所有液滴的总表面积，有利于后期更快被加热蒸发。由于水的导热系数不变，因此，液滴越小，单个液滴被加热蒸发的时间越短，液滴直径越小，相同总量的液滴的数量越多，总的表面积越大，被加热工程中吸收热量的效率更高。通过控制水加热装置内的压力，可以提高过热水的温度(高压锅的原理)。

另外，液态介质很难与工作气体18充分混合，导致冷凝粒子在空气流动中出现不均匀分布，严重影响冷凝流场显示的效果。如果是气态介质，可以与工作气体18充分、均匀混合，形成均匀稳定的湿空气，其冷凝生成的粒子也能在工作气体18流动中均匀分布。

将气态介质与工作气体18混合后，通入吸气式风洞13的风洞入口14，以使气态介质在经过吸气式风洞13的稳定段15和喷管段16后被作用为纳米量级的示踪粒子。

具体的，对冷凝介质转化为滴液的步骤又包括加热步骤和雾化步骤，如下：

加热步骤：对冷凝介质进行加热，使之达到过热状态。

雾化步骤：对过热状态的冷凝介质进行雾化处理，使之形成液滴。

在本实施例中，通过加热装置将水加热到超过100℃，形成过热水。然后。利用雾化器11将高温液态水雾化成微小颗粒(直径百微米量级)喷入空气流动中。

水加热装置的压力调节和雾化器11喷嘴的数量用以控制加入的水蒸气的量，单个雾化器11喷嘴的体积流量由压力决定，合理选择工作压力和喷嘴数量，保证添加的水蒸气的量。

可选的，加热步骤之前还包括添加步骤，向加热步骤中的加热装置的容纳腔内添加冷凝介质。

具体的，根据吸气式风洞13运行的实验条件，估算工作气体18介质的流量，从而确定需要加入的气态介质的量(以水蒸气为例进行说明)。

根据大量实验研究表明，如果空气中含有过量水蒸气，水蒸气在随气流等熵膨胀降温的过程中，会出现过量冷凝的现象，冷凝过程中水蒸气放热会对流场造成强烈干扰，影响风洞流场品质，从而使得风洞实验的结果出现偏差甚至无效。但如果加入的水蒸气偏少，冷凝粒子数量太少，散射光强太弱，导致流场显示无法观察到流动现象。

因此，基于现有经验，水蒸气占空气的质量比为0.5％-2％的范围内是比较合适的，根据空气流量和比例关系来确定所添加水蒸气的量。

总之，冷凝示踪方法是一种应用于超声速、高超声速风洞的流动显示方法。即通过在超声速、高超声速风洞的工作气体18中混入一定比例的冷凝气体(水蒸气或二氧化碳等其它组分气体)，为了不对流场产生干扰，混合比例一般小于1％)，且由于水蒸气或二氧化碳处于气态，极易与工作气体18充分混合。

在具体实现环节，为保证向空气流动中添加的水蒸气量，需要额外的高浓度水蒸气，人工产生高浓度水蒸气的方法一般是加热水让其沸腾。但是如果直接将水蒸气喷入风洞工作气体18中，由于空气温度较低(低于水蒸气的温度)，导致水蒸气迅速冷凝成水滴，无法满足添加气态水蒸气的使用要求，需要将冷凝的水滴再次加热蒸发成水蒸气添加进入风洞的空气主流中。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例中的特征可以相互结合。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种超声速风洞示踪介质添加机构，用于和吸气式超声速风洞配合，其特征在于，所述超声速风洞示踪介质添加机构包括第一转化组件和第二转化组件；

所述第一转化组件的输出端与所述第二转化组件的输入端相对应，所述第二转化组件的输出端用于和所述吸气式风洞的风洞入口相对应；

所述第一转化组件用于将冷凝介质转化为液滴，所述第二转化组件用于将所述液滴转化为气态介质，所述气态介质能够和工作气体混合进入所述吸气式风洞的风洞入口，从而通过冷凝的物理过程产生纳米量级的示踪粒子。

2.根据权利要求1所述的超声速风洞示踪介质添加机构，其特征在于，所述第一转化组件包括第一加热件和雾化器；

所述第一加热件具有容纳腔和出口端，所述容纳腔用于装入所述冷凝介质，所述出口端与所述雾化器的输入口固定连接，所述雾化器的输出口与所述第二转化组件的输入端相对应。

3.根据权利要求1所述的超声速风洞示踪介质添加机构，其特征在于，所述第二转化组件为第二加热件，所述第二加热件能够对所述液滴进行加热使其转化为气态介质。

4.根据权利要求3所述的超声速风洞示踪介质添加机构，其特征在于，所述第二加热件为管道式加热器。

5.一种风洞试验装置，其特征在于，包括吸气式风洞和权利要求1-4任意一项所述的超声速风洞示踪介质添加机构；

所述吸气式风洞包括风洞入口，所述超声速风洞示踪介质添加机构的输出端与所述风洞入口相对应。

6.根据权利要求5所述的风洞试验装置，其特征在于，所述吸气式风洞包括依次设置的稳定段、喷管段以及试验段；

所述超声速风洞示踪介质添加机构能够产生气态介质，所述气态介质与工作气体混合后依次进入所述稳定段和所述喷管段，所述喷管段将所述气态介质通过冷凝的物理过程形成纳米量级的示踪粒子，所述示踪粒子和所述工作气体进入所述试验段。

7.一种示踪介质添加方法，其特征在于，所述方法包括：

对冷凝介质进行转化处理，使之形成液滴；

对所述液滴进行加热，使之被加热为气态介质；

将所述气态介质与工作气体混合后，通入吸气式风洞的风洞入口，以使气态介质在经过所述吸气式风洞的稳定段和喷管段后通过冷凝的物理过程形成纳米量级的示踪粒子。

8.根据权利要求7所述的示踪介质添加方法，其特征在于，对冷凝介质转化为滴液的步骤又包括加热步骤和雾化步骤；

所述加热步骤：对冷凝介质进行加热，使之达到过热状态；

所述雾化步骤：对过热状态的所述冷凝介质进行雾化处理，使之形成液滴。

9.根据权利要求8所述的示踪介质添加方法，其特征在于，所述加热步骤之前还包括添加步骤，向加热步骤中的加热装置的容纳腔内添加冷凝介质。

10.根据权利要求7-9任意一项所述的示踪介质添加方法，其特征在于，所述冷凝介质为水。