CN111537180A - 一种教学与科研双用的智能风洞实验室及其使用方法 - Google Patents

一种教学与科研双用的智能风洞实验室及其使用方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种教学与科研双用的智能风洞实验室及其使用方法。流体教学和科研实验往往建立两套完全无关的实验室。本发明的消声室设置在入口实验风机安装位和辅助风机之间；风洞入口压力测位处的四个电子压力计均接教学实验控制系统；温湿度电子采集系统和机械式温湿仪采集系统测量喷嘴调节装置前端的温湿度；喷嘴前后测压装置在喷嘴调节装置的前、后端均设有四个喷嘴压力测位；消声室内的消声室实验风机安装位两侧各自四个电子压力计均接科研实验控制系统；温湿度电子采集系统和喷嘴前后测压装置均同时连接教学实验控制系统和科研实验控制系统。本发明可同时满足教学与科研实验需求，实现两组甚至三组学生同时进行实验。

Description

一种教学与科研双用的智能风洞实验室及其使用方法
技术领域
本发明属于流体实验设备领域，涉及流体机械实验，具体涉及一种教学与科研双用的智能风洞实验室及其使用方法。
背景技术
目前，由于流体机械相关产业的高速发展，对于流体研究方面的实验需求越来越大。同时随着近年来国家对于基础科学领域越来越重视，各个高校与研究机构对于流体相关的实验室需求越来越大。高等院校具有教书育人与科学研究的双项职能，所以高校实验室需具有教学功能，尤其是需具有针对本科生的常规实验课的功能。与此同时，高校实验室又要进行科学研究。流体教学实验需要多人多组重复实验，实验每次时间都集中于教学时间。而研究性质的流体实验通常由单个课题组主导，实验时间通常需要数天，且都集中于非教学时间。
当前大部分高校针对教学实验与科研实验的不同需求，往往采用建立两个不同实验室的方案。但是，流体实验室尤其是风洞实验室往往占地面积较大，而科研用实验室的功能涵盖了教学用实验室的所有功能。所以，建立两个实验室的方案造成了较大的资源浪费。而流体的教学实验室往往借鉴于普通科研实验室的设计，不能较好地满足教学需求，具体表现在实验数据采集采用科研实验规格，导致实验结果批阅繁琐复杂。针对高校风洞实验室的需求，合理的实验室设计可以同时较好地满足高校教学与科研的需求，提高实验室利用率与教学效率。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种教学与科研双用的智能风洞实验室及其使用方法，该风洞实验室由教学实验段与科研实验室段组成，并设置两个实验风机安装点，一个位于风洞入口，主要用于教学实验；另一个位于消声段，主要用于科研实验；教学段同时设有机械式与电子式压力测试设备，其中机械式设备具备教学功能的同时为科研实验提供数据可靠性验证。
本发明的目的是由下述技术方案实现的：
本发明一种教学与科研双用的智能风洞实验室，包括空气温湿度测量系统、喷嘴前后测压装置、教学实验控制系统、消声室、科研实验控制系统、入口实验风机安装位、整流网、喷嘴调节装置、片式消声器、消音尖劈和辅助风机。所述的入口实验风机安装位设有教学用入口实验风机；所述的消声室设置在入口实验风机安装位和辅助风机之间，且消声室的壁面设有吸声尖劈；入口实验风机安装位和消声室之间由入口实验风机安装位至消声室方向依次间距设有整流网、喷嘴调节装置、整流网和片式消声器；消声室和辅助风机之间由消声室至辅助风机方向依次间距设有片式消声器和整流网。与教学用入口实验风机间隔预设距离的风洞入口压力测位处设置四个电子压力计；所述的空气温湿度测量系统包括温湿度电子采集系统和机械式温湿仪；温湿度电子采集系统测量喷嘴调节装置前端的温湿度；喷嘴前后测压装置在喷嘴调节装置的前、后端均设有四个喷嘴压力测位；消声室内的消声室实验风机安装位处设有移动隔板，移动隔板两侧的测压位一和测压位二处均设有四个电子压力计；测压位一和测压位二处的所有电子压力计信号输出端均连接科研实验控制系统，所述的科研实验控制系统置于消声室外；风洞入口压力测位处的所有电子压力计信号输出端均连接教学实验控制系统；温湿度电子采集系统和喷嘴前后测压装置的信号输出端均同时连接教学实验控制系统和科研实验控制系统。教学用入口实验风机的动力源由教学实验控制系统控制；辅助风机的动力源由教学实验控制系统控制，同时也由科研实验控制系统控制。
进一步，同一个测压位的四个电子压力计分别固定在消声室的顶面、底面和平行于气流方向的两个壁面上。
进一步，在移动隔板上安装科研用实验风机，科研用实验风机的动力源由科研实验控制系统控制。
进一步，消声室内设有消声室实验设备；消声室实验设备为多点噪声采集设备、激光转速仪和高速摄相设备中的一种或多种。消声室实验设备的信号输出端连接科研实验控制系统。
该教学与科研双用的智能风洞实验室的使用方法，具体如下：
风机教学实验时：学生通过教学实验控制系统，开启和调节教学用入口实验风机以及辅助风机，并人工手动调节喷嘴调节装置，通过喷嘴调节装置和辅助风机共同将风洞流量由设定的最大值逐档调至零；两组学生轮流进行流量调节，并轮流进行温湿度与压力电子测量和温湿度与压力机械式测量；每次流量调档后，调节流量的那组学生将喷嘴调节装置的参数输入教学实验控制系统；然后，进行温湿度与压力电子测量和温湿度与压力机械式测量；温湿度与压力电子测量是通过喷嘴前后测压装置测量喷嘴调节装置前、后端的四个喷嘴压力测位的压力，通过温湿度电子采集系统测量喷嘴调节装置前端的温湿度，通过风洞入口压力测位处的四个电子压力计测量教学用入口实验风机输出口处的压力；温湿度与压力机械式测量是通过机械式压力计测量喷嘴调节装置前、后端的四个喷嘴压力测位的压力，通过机械式温湿仪测量喷嘴调节装置前端的温湿度，通过机械式压力计测量风洞入口压力测位处四个电子压力计位置的压力。教学实验控制系统接收喷嘴前后测压装置、温湿度电子采集系统和风洞入口压力测位处四个电子压力计的数据，对喷嘴前后测压装置在喷嘴调节装置前、后端测得的四个压力值分别求均值后输出，并对风洞入口压力测位处测得的四个压力值求均值后输出。
风机科研实验时：在移动隔板上安装科研用实验风机，科研人员通过科研实验控制系统，开启和调节科研用实验风机以及辅助风机，并人工手动调节喷嘴调节装置，通过喷嘴调节装置和辅助风机共同调节风洞流量；然后，科研人员将喷嘴调节装置的参数输入科研实验控制系统；接着，喷嘴前后测压装置测量喷嘴调节装置前、后端的四个喷嘴压力测位的压力，温湿度电子采集系统测量喷嘴调节装置前端的温湿度，测压位一和测压位二处各自的四个电子压力计测量消声室内科研用实验风机两端的压力；科研实验控制系统接收喷嘴前后测压装置、温湿度电子采集系统以及测压位一和测压位二处各自电子压力计的数据，对喷嘴前后测压装置在喷嘴调节装置前、后端测得的四个压力值分别求均值后输出，对测压位一测得的四个压力值分别求均值后输出，并对测压位二测得的四个压力值分别求均值后输出。
进一步，若消声室未进行科研实验，则在移动隔板上安装科研用实验风机，再增加一组学生进行风机教学实验；实验时，通过科研实验控制系统开启科研用实验风机，并调节科研用实验风机的工况与教学用入口实验风机的工况相同；三组学生轮流调节流量，轮流进行温湿度与压力电子测量和温湿度与压力机械式测量，并轮流进行消声室压力电子测量；消声室压力电子测量是通过测压位一和测压位二处各自的四个电子压力计测量消声室内科研用实验风机两端的压力；每次流量调档后，由调节流量的那组学生将喷嘴调节装置的参数输入教学实验控制系统，然后进行温湿度与压力电子测量、温湿度与压力机械式测量和消声室压力电子测量；科研实验控制系统接收喷嘴前后测压装置、温湿度电子采集系统以及测压位一和测压位二处各电子压力计的数据，对喷嘴前后测压装置在喷嘴调节装置前、后端测得的四个压力值分别求均值后输出，对测压位一测得的四个压力值分别求均值后输出，并对测压位二测得的四个压力值分别求均值后输出。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
1、本发明可同时满足教学与科研实验需求，教学与科研共用空气温湿度测量系统、喷嘴前后测压装置、喷嘴调节装置和辅助风机，节约高校实验室建设成本的同时节省了高校实验室空间。并且，科研实验控制系统与教学实验控制系统的温湿度数据和喷嘴前、后压力数据实时同步。
2、传统流体教学实验一般将学生分组，需依次按组别进行实验，耗时较多。本发明同时配有机械式与电子式测压及测温湿度系统，两套子系统相互独立，可以实现两组甚至三组(未进行科研实验时)学生同时进行实验，提高了效率。机械式测压、测温湿度作为教学设备的重要组成部分，同时又可验证科研实验过程中电子数据的准确性。
3、教学实验进行时，教学用入口实验风机安装于入口实验风机安装位，学生远离实验风机与辅助风机，实验安全指数高；喷嘴调节装置由学生人工手动调节，利于加强学生实验学习效果。科研实验可在消声室实验风机安装位进行，便于根据研究需求近距离架设相关实验装置(如噪声采集设备、高速摄相设备)。
4、科研实验进行时，在完成前期安装工作并且测试正式开始后，测试人员可以离开隔音室，在科研实验控制系统的控制台进行测试的相关操作，即测试开始后消声室内可以无人员停留，这在一定程度上防止了压力、噪声信息采集时的人为因素干扰，同时也避免测试人员受噪声等影响身体健康。
附图说明
图1为本发明的系统结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
如图1所示，一种教学与科研双用的智能风洞实验室，包括空气温湿度测量系统2、喷嘴前后测压装置3、教学实验控制系统4、消声室、科研实验控制系统9、入口实验风机安装位10、整流网11、喷嘴调节装置12、片式消声器13、消音尖劈14和辅助风机15。入口实验风机安装位10设有教学用入口实验风机；消声室设置在入口实验风机安装位10和辅助风机15之间，且消声室的壁面设有吸声尖劈14，以减弱噪声；入口实验风机安装位10和消声室之间由入口实验风机安装位10至消声室方向依次间距设有整流网11、喷嘴调节装置12、整流网11和片式消声器13；消声室和辅助风机15之间由消声室至辅助风机15方向依次间距设有片式消声器13和整流网11。原则上教学用入口实验风机和辅助风机15的型号选定后不做更改。风洞入口压力测位1处设置四个电子压力计，用于测量教学用入口实验风机输出口的压力，但风洞入口压力测位1与教学用入口实验风机的距离要足够保证学生的安全；风洞入口压力测位1处电子压力计位置均通过机械式压力计测量压力，作为校验电子压力计准确性的参考；空气温湿度测量系统2包括温湿度电子采集系统和机械式温湿仪；温湿度电子采集系统测量喷嘴调节装置12前端的温湿度，从而以标注大气压来对照得到气体密度和粘度；机械式温湿仪能作为校验温湿度电子采集系统准确性的参考。喷嘴前后测压装置3在喷嘴调节装置12的前、后端均设有四个喷嘴压力测位，可以根据伯努利方程测量风洞流量，喷嘴调节装置12前、后端的四个喷嘴压力测位均通过机械式压力计测量压力，作为校验喷嘴前后测压装置3准确性的参考；消声室内的消声室实验风机安装位5处设有移动隔板，移动隔板两侧的测压位一7和测压位二8处均设有四个电子压力计，用于测量消声室内的压力；同一个测压位的四个电子压力计分别固定在消声室的顶面、底面和平行于气流方向的两个壁面上；测压位一7和测压位二8处的所有电子压力计信号输出端均连接科研实验控制系统9，科研实验控制系统9置于消声室外；风洞入口压力测位1处的所有电子压力计信号输出端均连接教学实验控制系统4；温湿度电子采集系统和喷嘴前后测压装置3的信号输出端均同时连接教学实验控制系统4和科研实验控制系统9。教学用入口实验风机的动力源由教学实验控制系统4控制；辅助风机15的动力源由教学实验控制系统4控制，同时也由科研实验控制系统9控制。
根据实验需求，可在移动隔板上安装科研用实验风机，科研用实验风机的动力源由科研实验控制系统9控制；也可移除移动隔板，在消声室内进行电机实验或无人机实验。
根据实验需求，可在消声室内架设不同消声室实验设备6；如流体声学实验可架设多点噪声采集设备(作为优选实施例，多点噪声采集设备的测声麦克风型号为MPA201)，测量转速可架设激光转速仪(如型号ROLS-P)，流体可视实验可架设高速摄相设备(如高速摄像机)等扩展模块。消声室实验设备6的信号输出端连接科研实验控制系统9。电机实验只需架设多点噪声采集设备即可；风机实验或无人机实验可以选择同时架设多点噪声采集设备、激光转速仪和高速摄相设备，或者根据需要架设其中一种或两种。
该教学与科研双用的智能风洞实验室的使用方法，具体如下：
风机教学实验时：学生通过教学实验控制系统4，开启和调节教学用入口实验风机以及辅助风机15，并人工手动调节喷嘴调节装置12，通过喷嘴调节装置12和辅助风机15共同将风洞流量由设定的最大值逐档调至零；两组学生轮流进行流量调节，并轮流进行温湿度与压力电子测量和温湿度与压力机械式测量；每次流量调档后，调节流量的那组学生将喷嘴调节装置12的参数输入教学实验控制系统4；待流量稳定(经过预设时间即视为稳定)后，进行温湿度与压力电子测量和温湿度与压力机械式测量；温湿度与压力电子测量是通过喷嘴前后测压装置3测量喷嘴调节装置12前、后端的四个喷嘴压力测位的压力，通过温湿度电子采集系统测量喷嘴调节装置12前端的温湿度，通过风洞入口压力测位1处的四个电子压力计测量教学用入口实验风机输出口处的压力；温湿度与压力机械式测量是通过机械式压力计测量喷嘴调节装置12前、后端的四个喷嘴压力测位的压力，通过机械式温湿仪测量喷嘴调节装置12前端的温湿度，通过机械式压力计测量风洞入口压力测位1处四个电子压力计位置的压力。教学实验控制系统4接收喷嘴前后测压装置3、温湿度电子采集系统和风洞入口压力测位1处四个电子压力计的数据，对喷嘴前后测压装置3在喷嘴调节装置12前、后端测得的四个压力值分别求均值后输出，并对风洞入口压力测位1处测得的四个压力值求均值后输出。整个风机教学实验过程中保证了两组学生都能够进行流量调节操作，都能采用喷嘴前后测压装置3、温湿度电子采集系统和电子压力计测量数据，并都能采用机械式压力计以及机械式温湿仪测量数据。作为优选实施例，若消声室未进行科研实验，则在移动隔板上安装科研用实验风机，再增加一组学生进行风机实验；实验时，通过科研实验控制系统9开启科研用实验风机，并调节科研用实验风机的工况与教学用入口实验风机的工况相同；三组学生轮流调节流量，轮流进行温湿度与压力电子测量和温湿度与压力机械式测量，并轮流进行消声室压力电子测量；消声室压力电子测量是通过测压位一7和测压位二8处各自的四个电子压力计测量消声室内科研用实验风机两端的压力；同样，每次流量调档后，由调节流量的那组学生将喷嘴调节装置12的参数输入教学实验控制系统4，温湿度与压力电子测量、温湿度与压力机械式测量和消声室压力电子测量均在流量稳定后进行；科研实验控制系统9接收喷嘴前后测压装置3、温湿度电子采集系统以及测压位一7和测压位二8处各电子压力计的数据，对喷嘴前后测压装置3在喷嘴调节装置12前、后端测得的四个压力值分别求均值后输出，对测压位一7测得的四个压力值分别求均值后输出，并对测压位二8测得的四个压力值分别求均值后输出。
风机科研实验时：在移动隔板上安装科研用实验风机，科研人员通过科研实验控制系统9，开启和调节科研用实验风机以及辅助风机15，并人工手动调节喷嘴调节装置12，通过喷嘴调节装置12和辅助风机15共同调节风洞流量；然后科研人员将喷嘴调节装置12的参数输入科研实验控制系统9，待流量稳定后，通过喷嘴前后测压装置3测量喷嘴调节装置12前、后端的四个喷嘴压力测位的压力，通过温湿度电子采集系统测量喷嘴调节装置12前端的温湿度，通过测压位一7和测压位二8处各自的四个电子压力计测量消声室内科研用实验风机两端的压力；科研实验控制系统9接收喷嘴前后测压装置3、温湿度电子采集系统以及测压位一7和测压位二8处各自电子压力计的数据，对喷嘴前后测压装置3在喷嘴调节装置12前、后端测得的四个压力值分别求均值后输出，对测压位一7测得的四个压力值分别求均值后输出，并对测压位二8测得的四个压力值分别求均值后输出。
作为优选实施例，可以移除移动隔板，在消声室进行另外的多种流体实验，如电机实验、无人机实验。消声室实验设备6根据实验需求架设不同实验装置。

Claims (6)

1.一种教学与科研双用的智能风洞实验室，包括空气温湿度测量系统、喷嘴前后测压装置、教学实验控制系统、消声室、科研实验控制系统、入口实验风机安装位、整流网、喷嘴调节装置、片式消声器、消音尖劈和辅助风机，其特征在于：所述的入口实验风机安装位设有教学用入口实验风机；所述的消声室设置在入口实验风机安装位和辅助风机之间，且消声室的壁面设有吸声尖劈；入口实验风机安装位和消声室之间由入口实验风机安装位至消声室方向依次间距设有整流网、喷嘴调节装置、整流网和片式消声器；消声室和辅助风机之间由消声室至辅助风机方向依次间距设有片式消声器和整流网；与教学用入口实验风机间隔预设距离的风洞入口压力测位处设置四个电子压力计；所述的空气温湿度测量系统包括温湿度电子采集系统和机械式温湿仪；温湿度电子采集系统测量喷嘴调节装置前端的温湿度；喷嘴前后测压装置在喷嘴调节装置的前、后端均设有四个喷嘴压力测位；消声室内的消声室实验风机安装位处设有移动隔板，移动隔板两侧的测压位一和测压位二处均设有四个电子压力计；测压位一和测压位二处的所有电子压力计信号输出端均连接科研实验控制系统，所述的科研实验控制系统置于消声室外；风洞入口压力测位处的所有电子压力计信号输出端均连接教学实验控制系统；温湿度电子采集系统和喷嘴前后测压装置的信号输出端均同时连接教学实验控制系统和科研实验控制系统；教学用入口实验风机的动力源由教学实验控制系统控制；辅助风机的动力源由教学实验控制系统控制，同时也由科研实验控制系统控制。
2.根据权利要求1所述一种教学与科研双用的智能风洞实验室，其特征在于：同一个测压位的四个电子压力计分别固定在消声室的顶面、底面和平行于气流方向的两个壁面上。
3.根据权利要求1或2所述一种教学与科研双用的智能风洞实验室，其特征在于：在移动隔板上安装科研用实验风机，科研用实验风机的动力源由科研实验控制系统控制。
4.根据权利要求1所述一种教学与科研双用的智能风洞实验室，其特征在于：消声室内设有消声室实验设备；消声室实验设备为多点噪声采集设备、激光转速仪和高速摄相设备中的一种或多种；消声室实验设备的信号输出端连接科研实验控制系统。
5.根据权利要求1、2或4所述一种教学与科研双用的智能风洞实验室的使用方法，其特征在于：该方法具体如下：
风机教学实验时：学生通过教学实验控制系统，开启和调节教学用入口实验风机以及辅助风机，并人工手动调节喷嘴调节装置，通过喷嘴调节装置和辅助风机共同将风洞流量由设定的最大值逐档调至零；两组学生轮流进行流量调节，并轮流进行温湿度与压力电子测量和温湿度与压力机械式测量；每次流量调档后，调节流量的那组学生将喷嘴调节装置的参数输入教学实验控制系统；然后，进行温湿度与压力电子测量和温湿度与压力机械式测量；温湿度与压力电子测量是通过喷嘴前后测压装置测量喷嘴调节装置前、后端的四个喷嘴压力测位的压力，通过温湿度电子采集系统测量喷嘴调节装置前端的温湿度，通过风洞入口压力测位处的四个电子压力计测量教学用入口实验风机输出口处的压力；温湿度与压力机械式测量是通过机械式压力计测量喷嘴调节装置前、后端的四个喷嘴压力测位的压力，通过机械式温湿仪测量喷嘴调节装置前端的温湿度，通过机械式压力计测量风洞入口压力测位处四个电子压力计位置的压力；教学实验控制系统接收喷嘴前后测压装置、温湿度电子采集系统和风洞入口压力测位处四个电子压力计的数据，对喷嘴前后测压装置在喷嘴调节装置前、后端测得的四个压力值分别求均值后输出，并对风洞入口压力测位处测得的四个压力值求均值后输出；
风机科研实验时：在移动隔板上安装科研用实验风机，科研人员通过科研实验控制系统，开启和调节科研用实验风机以及辅助风机，并人工手动调节喷嘴调节装置，通过喷嘴调节装置和辅助风机共同调节风洞流量；然后，科研人员将喷嘴调节装置的参数输入科研实验控制系统；接着，喷嘴前后测压装置测量喷嘴调节装置前、后端的四个喷嘴压力测位的压力，温湿度电子采集系统测量喷嘴调节装置前端的温湿度，测压位一和测压位二处各自的四个电子压力计测量消声室内科研用实验风机两端的压力；科研实验控制系统接收喷嘴前后测压装置、温湿度电子采集系统以及测压位一和测压位二处各自电子压力计的数据，对喷嘴前后测压装置在喷嘴调节装置前、后端测得的四个压力值分别求均值后输出，对测压位一测得的四个压力值分别求均值后输出，并对测压位二测得的四个压力值分别求均值后输出。
6.根据权利要求5所述一种教学与科研双用的智能风洞实验室的使用方法，其特征在于：若消声室未进行科研实验，则在移动隔板上安装科研用实验风机，再增加一组学生进行风机教学实验；实验时，通过科研实验控制系统开启科研用实验风机，并调节科研用实验风机的工况与教学用入口实验风机的工况相同；三组学生轮流调节流量，轮流进行温湿度与压力电子测量和温湿度与压力机械式测量，并轮流进行消声室压力电子测量；消声室压力电子测量是通过测压位一和测压位二处各自的四个电子压力计测量消声室内科研用实验风机两端的压力；每次流量调档后，由调节流量的那组学生将喷嘴调节装置的参数输入教学实验控制系统，然后进行温湿度与压力电子测量、温湿度与压力机械式测量和消声室压力电子测量；科研实验控制系统接收喷嘴前后测压装置、温湿度电子采集系统以及测压位一和测压位二处各电子压力计的数据，对喷嘴前后测压装置在喷嘴调节装置前、后端测得的四个压力值分别求均值后输出，对测压位一测得的四个压力值分别求均值后输出，并对测压位二测得的四个压力值分别求均值后输出。
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