CN111351629A

CN111351629A - 一种结冰风洞试验冰形测量装置及方法

Info

Publication number: CN111351629A
Application number: CN202010384494.3A
Authority: CN
Inventors: 周靓; 易贤; 赖庆仁; 赵献礼; 郭向东
Original assignee: Low Speed Aerodynamics Institute of China Aerodynamics Research and Development Center
Current assignee: Low Speed Aerodynamics Institute of China Aerodynamics Research and Development Center
Priority date: 2020-05-09
Filing date: 2020-05-09
Publication date: 2020-06-30
Anticipated expiration: 2040-05-09
Also published as: CN111351629B

Abstract

本发明适用于结冰风洞测量技术领域，提供了一种结冰风洞试验冰形测量装置及方法，该测量装置，包括支撑组件、金属切刀；所述支撑组件包括水平支撑台，所述水平支撑台用于支撑所述金属切刀，所述金属切刀可在所述水平支撑台上移动；所述水平支撑台上设置有行程开关，所述金属切刀在所述水平支撑台上移动时，可触碰到所述行程开关；还包括喷头，所述喷头可向外喷出速冻剂，当所述金属切刀触碰到所述行程开关时，打开所述喷头；当所述金属切刀没有触碰到所述行程开关时，关闭所述喷头。本发明中，通过金属切刀与行程开关触碰与否，控制喷头的打开与否，因此，自动化程度较高，不用人为控制喷头的打开与否。

Description

一种结冰风洞试验冰形测量装置及方法

技术领域

本发明属于结冰风洞测量技术领域，尤其涉及一种结冰风洞试验冰形测量装置及方法。

背景技术

飞机在云层飞行过程中，其机翼在低温环境中容易产生结冰物理现象。当飞机飞行过程中机翼大面积结冰会严重改变机翼的表面的气动外形，破坏了气动性能，造成飞行阻力增加，升力下降，严重时候可以造成飞机失速现象。在航空史上，因飞机结冰导致飞行事故多达千余起，因此需要研究人员更好的了解飞机在低温飞行环境下结冰特性，进而需要在结冰风洞完成相关实验测试。

在结冰风洞中对于翼型上的结冰试验结束后，需要对机翼上的结冰厚度和形状进行测量。对于冰层厚度和形状的测量只能通过操作人员手动测试，而现有的测试方式需要至少三人协同完成，一人水平方向推进金属切刀，机翼两侧各需要一人手持速冻剂来减缓测量冰层的融化。如专利CN108844710A中，加热的金属片在与冰层进行切割时，不间断的向冰层上的切口处喷速冻剂，但该专利中，通过人工的方式喷冷凝剂，一是浪费人力，二是喷速冻剂的时间和量都容易掌握，导致测量精度降低。

发明内容

本发明的目的在于提供一种结冰风洞试验冰形测量装置及方法，旨在解决现有技术中喷速冻剂的时间和量不易控制、测量装置自动化程度低的技术问题。

本发明是这样实现的，一种结冰风洞试验冰形测量装置，包括支撑组件、金属切刀；

所述支撑组件包括水平支撑台，所述水平支撑台用于支撑所述金属切刀，所述金属切刀可在所述水平支撑台上移动；

所述水平支撑台上设置有行程开关，所述金属切刀在所述水平支撑台上移动时，可触碰到所述行程开关；

还包括喷头，所述喷头可向外喷出速冻剂，当所述金属切刀触碰到所述行程开关时，打开所述喷头；当所述金属切刀没有触碰到所述行程开关时，关闭所述喷头。

进一步地，所述支撑组件包括左支撑组件和右支撑组件，所述左支撑组件和所述右支撑组件的结构相同。

进一步地，所述水平支撑台上设置有直线槽，所述行程开关安装在所述直线槽上，使所述行程开关在所述水平支撑台上的位置可调节。

进一步地，所述行程开关包括前行程开关和后行程开关，所述喷头包括前喷头和后喷头，当所述金属切刀分别触碰到所述前行程开关和后行程开关时，分别打开所述前喷头和后喷头，当所述金属切刀分别与所述前行程开关和后行程开关断开触碰时，分别关闭所述前喷头和后喷头。

进一步地，所述水平支撑台套设在导杆上，所述水平支撑台可沿所述导杆滑动，通过锁紧装置将所述水平支撑台固定在所述导杆上。

进一步地，所述导杆的下端固定有支撑底座。

进一步地，所述速冻剂容器，所述速冻剂容器通过气管与所述喷头连接。

进一步地，所述水平支撑台上具有向下的台阶，所述金属切刀支撑在所述台阶上。

本发明还提供了一种利用上述的结冰风洞试验冰形测量装置的测量方法，包括以下步骤：

加热金属切刀的缺口处的边缘；

将金属切刀推向机翼，当所述金属切刀触碰到所述行程开关时，打开所述喷头，喷头向外喷出速冻剂；

当金属切刀与机翼完全接触后，退出金属切刀，当所述金属切刀与所述行程开关断开触碰时，关闭所述喷头。

进一步地，速冻剂喷量随时间变化的函数为：Q(t)=(B-C)×V(t)/A，其中，A=c₂×(t₀-t₂)+q₂；B=c₃×ρ₃×(t₃-t₀)×h；C=ρ₁×(c₁×(t₀-t₁)+q₁)×h；c₁为冰的比热容，q₁为熔热，h为冰刀厚度，ρ₁为冰的密度，t₀为零摄氏度，t₁为冰的初始温度，c₂为速冻剂的比热容，q₂为熔热，t₂为速冻剂喷出的初始温度，c₃为金属切刀的比热容，ρ₃为金属切刀的密度，t₃为金属切刀的初始加热温度，切冰速度随时间变化的函数为V(t)。

本发明相对于现有技术的技术效果是：

1.本发明中，在金属切刀切割冰层的过程中，通过喷头向机翼上的冰层喷出速冻剂，以减缓机翼上的冰层融化速度，使得冰层不会因为温度过高而出现融化的现象，因此，本发明的结冰风洞试验冰形测量装置可以最大程度地不破坏冰层的外形，保证了测量精度；

2.本发明中，通过金属切刀与行程开关触碰与否，控制喷头的打开与否，因此，速冻剂的喷出与否是自动控制的，不用人为控制，有效的减少了实验用人数量，减少了因实验场地人多造成的冰形融化加剧问题，并且提高了工作实验效率，同时也实现了速冻剂的准确用量和精确降温效果。

3.本发明中，通过调节行程开关在水平支撑台上的位置，便可以调节喷头打开的时长，因此，本发明的结冰风洞试验冰形测量装置可以根据不同的实际需要，调节喷头打开的时长，具有较强的适应性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，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的附图。

图1是本发明的结冰风洞试验冰形测量装置；

图2是本发明的支撑组件的结构示意图；

图3是本发明的结冰风洞试验冰形测量装置用于测量机翼的示意图；

图4是本发明的结冰风洞试验冰形测量装置的水平支撑台的放大图。

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，需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。

需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”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。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。

如图1所示为本发明的结冰风洞试验冰形测量装置，该结冰风洞试验冰形测量装置包括支撑组件10、金属切刀20；

如图2所示为本发明的支撑组件的结构示意图，所述支撑组件10包括水平支撑台30，所述水平支撑台30用于支撑所述金属切刀20，所述金属切刀20可在所述水平支撑台30上移动；如图3所示为结冰风洞试验冰形测量装置用于测量机翼的示意图，所述金属切刀20上设置有与机翼W的翼型一致的缺口，在测量时，首先将金属切刀加热，使缺口正对机翼W，将加热后的金属切刀推向机翼W，加热后的金属切刀对机翼W上的冰层进行切割，使得机翼W沿着金属切刀的缺口卡入缺口内；

所述水平支撑台30上设置有行程开关40，所述金属切刀20在所述水平支撑台30上移动时，可触碰到所述行程开关40；

还包括喷头50，所述喷头50可向外喷出速冻剂，当所述金属切刀20触碰到所述行程开关40时，打开所述喷头50，当所述金属切刀20与所述行程开关40断开触碰时，关闭所述喷头50。

由于金属切刀上的温度是不可控的，特别是和冰层接触后的温度更不易控制，因此，温度过高的金属切刀会使得冰层的融化加快，从而使得冰层的厚度和形状发生变化。本发明中，在金属切刀切割冰层的过程中，通过喷头50向机翼W上的冰层喷出速冻剂，以减缓机翼W上的冰层融化速度，使得冰层不会因为温度过高而出现融化的现象，因此，本发明的结冰风洞试验冰形测量装置可以最大程度地不破坏冰层的外形，保证了测量精度。

优选地，因为铜具有较大的热容值，为了具有更好的导热性，所述金属切刀20的材料选择为铜。

进一步地，所述支撑组件10包括左支撑组件和右支撑组件，所述左支撑组件和所述右支撑组件的结构相同。

如图4所示为本发明的结冰风洞试验冰形测量装置的水平支撑台的放大图，进一步地，所述水平支撑台30上设置有直线槽31，所述行程开关40安装在所述直线槽31上，使所述行程开关40在所述水平支撑台30上的位置可调节。

由于通过金属切刀20与行程开关40触碰与否，可以控制喷头50的打开与否，因此，通过调节行程开关40在所述水平支撑台30上的位置，便可以调节喷头50打开的时长，如，将行程开关40设置得越接近机翼W，金属切刀20与行程开关40触碰的时长就越短，因此，喷头50打开的时长就越短，因此，本发明的结冰风洞试验冰形测量装置可以根据不同的实际需要，调节喷头50打开的时长，具有较强的适应性。

进一步地，所述行程开关40包括前行程开关41和后行程开关42，所述喷头50包括前喷头51和后喷头52，当所述金属切刀20分别触碰到所述前行程开关41和后行程开关42时，分别打开所述前喷头51和后喷头52，当所述金属切刀20分别与所述前行程开关41和后行程开关42断开触碰时，分别关闭所述前喷头51和后喷头52。

在测量时，由于金属切刀20与机翼W的相对位置在随时发生变化，因此，期望减缓机翼W上的多个位置的冰层的融化速度。本发明通过设置前后位置的行程开关、前后位置的喷头，并且通过相应位置的行程开关的触碰与否，控制相应位置的喷头打开与否，因此，能够对机翼W上的多个位置的冰层喷出速冻剂，以减缓机翼W上的多个位置的冰层的融化速度。值得注意的是，此处的位置指的是沿金属切刀20运动方向的机翼W上的多个位置。

具体地，可以通过螺栓等连接件（未图示）穿过直线槽31和行程开关40，从而将行程开关40连接在水平支撑台30上，因此，通过调节螺栓等连接件的位置，即可调节行程开关40在水平支撑台30上的位置。

进一步地，所述喷头50为万向喷头，因此，可以调整喷头距离冰层的远近和角度位置，实现速冻剂的准确用量和精确降温。

进一步地，所述水平支撑台30套设在导杆11上，所述水平支撑台30可沿所述导杆11滑动，通过锁紧装置12将所述水平支撑台30固定在所述导杆11上。

优选地，左支撑组件和右支撑组件具有两根导杆11，以对水平支撑台30进行稳定导向和支撑。

因此，本发明的水平支撑台30可以在垂直方向上进行任意位置调节，本发明的结冰风洞试验冰形测量装置可以对机翼的任一位置进行测量。

进一步地，所述导杆11的下端固定有支撑底座13，以为整个结冰风洞试验冰形测量装置提供稳定支撑。

进一步地，所述速冻剂容器53，所述速冻剂容器53通过气管54与所述喷头50连接，所述速冻剂容器53通过气管54向喷头50提供速冻剂。

进一步地，所述水平支撑台30上具有向下的台阶32，所述金属切刀20支撑在所述台阶32上，通过台阶32的支撑，可以保证金属切刀20在水平推动过程中保持较强的方向性。

同时，在金属切刀运行过程中，基于热力学定律，推导得到速冻剂喷出流量关于结冰量和金属切刀切冰速度的函数，据此可以更加精确地控制制速冻剂的喷量，减少速冻剂的浪费。

具体地，通过理论计算，可以推导出速冻剂喷量随时间变化的函数如下：

假设金属切刀切冰过程中，切冰面积随时间变化的函数为S(t)，切冰速度随时间变化的函数为V(t)，切冰过程的冰融化吸热为J₁，速冻剂气化吸热为J₂，金属切刀切冰放热为J₃，金属切刀与空气之间的换热忽略不计。

则J₂=J₃-J₁

其中，J₁=c₁×ρ₁×S(t)×h×(t₀-t₁)+q₁×ρ₁×S(t)×h;

其中，c₁为冰的比热容，q₁为熔热，h为冰刀厚度，ρ₁为冰的密度，t₀为零摄氏度，t₁为冰的初始温度，视其等同于结冰风洞试验段温度。

J₃=c₃×ρ₃×S(t)×h×(t₃-t₀);

其中，c₃为金属切刀的比热容，ρ₃为金属切刀的密度，t₃为金属切刀的初始加热温度。

J₂=c₂×m₂(t)×(t₀-t₂)+q₂×m₂(t);

其中，c₂为速冻剂的比热容，q₂为熔热，m₂为速冻剂质量，t₂为速冻剂喷出的初始温度。

将J₂=J₃-J₁代入J₂=J₃-J₁中：

c₂×m₂(t)×(t₀-t₂)+q₂×m₂(t)=c₃×ρ₃×S(t)×h×(t₃-t₀)-(c₁×ρ₁×S(t)×h×(t₀-t₁)+q₁×ρ₁×S(t)×h);

对上式求导可得：

(c₂×(t₀-t₂)+q₂)×Q(t)=V(t)×h×(c₃×ρ₃×(t₃-t₀)-ρ₁×(c₁×(t₀-t₁)+q₁))

令A=c₂×(t₀-t₂)+q₂；B=c₃×ρ₃×(t₃-t₀)×h；C=ρ₁×(c₁×(t₀-t₁)+q₁)×h；

即可得到速冻剂喷量随时间变化的函数：Q(t)=(B-C)×V(t)/A。

本发明还提供了利用上述结冰风洞试验冰形测量装置的测量方法，包括以下步骤：

加热金属切刀20的缺口处的边缘；

将金属切刀20推向机翼W，当所述金属切刀20触碰到所述行程开关40时，打开所述喷头50，喷头50向外喷出速冻剂；

当金属切刀20与机翼完全接触后，退出金属切刀20，当所述金属切刀20与所述行程开关40断开触碰时，关闭所述喷头50。

上述步骤中，速冻剂喷量随时间变化的函数为上述的：Q(t)=(B-C)×V(t)/A。

在完成上述步骤后，机翼表面的冰层上沿着机翼的翼型留下一个切口。可将贴有坐标纸的画板卡入切口中，在坐标纸上绘制切口位置处的冰形。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种结冰风洞试验冰形测量装置，其特征在于，包括支撑组件（10）、金属切刀（20）；

所述支撑组件（10）包括水平支撑台（30），所述水平支撑台（30）用于支撑所述金属切刀（20），所述金属切刀（20）可在所述水平支撑台（30）上移动；

所述水平支撑台（30）上设置有行程开关（40），所述金属切刀（20）在所述水平支撑台（30）上移动时，可触碰到所述行程开关（40）；

还包括喷头（50），所述喷头（50）可向外喷出速冻剂，当所述金属切刀（20）触碰到所述行程开关（40）时，打开所述喷头（50）；当所述金属切刀（20）没有触碰到所述行程开关（40）时，关闭所述喷头（50）。

2.如权利要求1所述的一种结冰风洞试验冰形测量装置，其特征在于，所述支撑组件（10）包括左支撑组件和右支撑组件，所述左支撑组件和所述右支撑组件的结构相同。

3.如权利要求1所述的一种结冰风洞试验冰形测量装置，其特征在于，所述水平支撑台（30）上设置有直线槽（31），所述行程开关（40）安装在所述直线槽（31）上，使所述行程开关（40）在所述水平支撑台（30）上的位置可调节。

4.如权利要求3所述的一种结冰风洞试验冰形测量装置，其特征在于，所述行程开关（40）包括前行程开关（41）和后行程开关（42），所述喷头（50）包括前喷头（51）和后喷头（52），当所述金属切刀（20）分别触碰到所述前行程开关（41）和后行程开关（42）时，分别打开所述前喷头（51）和后喷头（52），当所述金属切刀（20）分别与所述前行程开关（41）和后行程开关（42）断开触碰时，分别关闭所述前喷头（51）和后喷头（52）。

5.如权利要求1所述的一种结冰风洞试验冰形测量装置，其特征在于，所述水平支撑台（30）套设在导杆（11）上，所述水平支撑台（30）可沿所述导杆（11）滑动，通过锁紧装置（12）将所述水平支撑台（30）固定在所述导杆（11）上。

6.如权利要求5所述的一种结冰风洞试验冰形测量装置，其特征在于，所述导杆（11）的下端固定有支撑底座（13）。

7.如权利要求1所述的一种结冰风洞试验冰形测量装置，其特征在于，还包括速冻剂容器（53），所述速冻剂容器（53）通过气管（54）与所述喷头（50）连接。

8.如权利要求1所述的一种结冰风洞试验冰形测量装置，其特征在于，所述水平支撑台（30）上具有向下的台阶（32），所述金属切刀（20）支撑在所述台阶（32）上。

9.一种利用权利要求1-8任一所述的结冰风洞试验冰形测量装置的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

加热金属切刀（20）的缺口处的边缘；

将金属切刀（20）推向机翼（W），当所述金属切刀（20）触碰到所述行程开关（40）时，打开所述喷头（50），喷头（50）向外喷出速冻剂；

当金属切刀（20）与机翼完全接触后，退出金属切刀（20），当所述金属切刀（20）与所述行程开关（40）断开触碰时，关闭所述喷头（50）。

10.如权利要求9所述的测量方法，其特征在于，速冻剂喷量随时间变化的函数为：Q(t)=(B-C)×V(t)/A，其中，A=c₂×(t₀-t₂)+q₂；B=c₃×ρ₃×(t₃-t₀)×h；C=ρ₁×(c₁×(t₀-t₁)+q₁)×h；c₁为冰的比热容，q₁为熔热，h为冰刀厚度，ρ₁为冰的密度，t₀为零摄氏度，t₁为冰的初始温度，c₂为速冻剂的比热容，q₂为熔热，t₂为速冻剂喷出的初始温度，c₃为金属切刀的比热容，ρ₃为金属切刀的密度，t₃为金属切刀的初始加热温度，切冰速度随时间变化的函数为V(t)。