CN112729762B

CN112729762B - 一种结冰栅格及云雾场均匀性的测量方法

Info

Publication number: CN112729762B
Application number: CN202110331315.4A
Authority: CN
Inventors: 郭奇灵; 郭向东; 王梓旭; 易贤; 刘森云; 杨升科
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: 2021-03-29
Filing date: 2021-03-29
Publication date: 2021-07-02
Anticipated expiration: 2041-03-29
Also published as: CN112729762A

Abstract

本发明适用于风洞测量技术领域，提供了一种结冰栅格及云雾场均匀性的测量方法，其中，结冰栅格包括框体、竖向栅条和横向栅条，所述竖向栅条和所述横向栅条纵横交错地分布于所述框体内，所述竖向栅条将所述横向栅条分割为N个横向单元，所述横向栅条将所述竖向栅条分割为M个竖向单元；所述竖向栅条和所述横向栅条的前缘上对称设置有沿轴向延伸的凸块，所述凸块之间形成凹槽，所述凸块的外侧面的外部布置有第一加热装置，所述凸块的内侧面、所述凹槽的底面的内部布置有第二加热装置，所述凸块的内侧面的外部布置有刻度线。本发明能够同时提高云雾场均匀性的测量效率、测量精度。

Description

一种结冰栅格及云雾场均匀性的测量方法

技术领域

本发明属于风洞测量技术领域，尤其涉及一种结冰栅格及云雾场均匀性的测量方法。

背景技术

云雾场均匀性是指风洞试验段内结冰云雾液态水含量空间分布的均匀性，是评估结冰风洞云雾场品质重要的指标之一。

云雾场均匀性最常用的测试手段是通过结冰栅格来进行的，结冰栅格是指在横向和纵向由若干扁平长方体栅条连接在一起的网格状模块。结冰栅格前缘表面所结霜冰厚度的空间分布可以间接反映液态水含量空间分布，从而可以方便、快捷地计算出云雾场均匀度。

现有技术中，通常使用游标卡尺等仪器间接测量栅条表面所结霜冰厚度，如在文献“大型结冰风洞云雾场适航应用符合性验证，郭向东等，航空学报”、“3m×2米结冰风洞试验技术研究进展，倪章松等，实验流体力学”、“移动式冰风洞试验方法研究和应用，李斯等，空气动力学学报”中均公开了上述结冰栅格。

现有技术中存在如下缺陷：

1、存在人为操作误差、误差累积，进而影响测量精度；

2、测量步骤较多、测量效率较低；尤其是在两次试验之间，需要人工除去结冰栅格前缘表面的积冰，降低了试验效率；

3、对于水滴粒径超过100um的过冷大水滴，水滴撞击结冰栅格前缘后会发生破碎、飞溅等动力学行为，而破碎、飞溅等动力学行为具有很高的随机性与多变性，并且会降低结冰栅格前缘过冷水滴的收集效率，从而严重影响云雾场均匀性的准确评估。

总之，现有技术中的结冰栅格和测量方法不能准确、高效地评估结冰风洞云雾场均匀性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种结冰栅格及云雾场均匀性的测量方法，旨在解决现有技术中的云雾场均匀性的测量效率低、测量精度差的技术问题。

第一方面，本发明提供了一种结冰栅格，其包括框体、竖向栅条和横向栅条，所述竖向栅条和所述横向栅条纵横交错地分布于所述框体内，所述竖向栅条将所述横向栅条分割为N个横向单元，横向单元的序号记为i，1≤i≤N，所述横向栅条将所述竖向栅条分割为M个竖向单元，竖向单元的序号记为j，1≤j≤M；

其中，所述竖向栅条和所述横向栅条的前缘上对称设置有沿轴向延伸的凸块，所述凸块之间形成凹槽，所述凸块的外侧面的外部布置有第一加热装置，所述凸块的内侧面、所述凹槽的底面的内部布置有第二加热装置，所述凸块的内侧面的外部布置有刻度线。

进一步地，所述凹槽呈长方体形，所述凸块呈直角三棱柱形，所述直角三棱柱形的斜面形成所述凸块的外侧面。

进一步地，所述第一加热装置为电加热薄膜，所述第二加热装置为电加热丝。

第二方面，本发明提供了一种云雾场均匀性的测量方法，其包括如下步骤：

步骤S10:将上述之一的结冰栅格安装于风洞试验段内的测量截面上；

步骤S20：调节风洞风速至目标值，调节风洞总温至-20℃以下；

步骤S30：打开喷雾系统进行喷雾，开启第一加热装置，关闭第二加热装置；

步骤S40：待喷雾完成后，关闭第一加热装置，读取所有横向单元上的结冰厚度的读数，将横向单元i上的结冰厚度记为δ _i，或者，读取所有纵向单元上的结冰厚度的读数，将纵向单元j上的结冰厚度记为δ _j；

步骤S50：评估云雾场均匀性；

进一步地，步骤S30中，喷雾的时长t通过如下公式计算得到：

；

其中，V为风速、LWC为液态水含量、ζ为水滴收集系数、α为预期的结冰厚度，ρ为霜冰的密度。

进一步地，所述步骤S50中，通过计算结冰厚度偏差系数的空间标准差和结冰厚度最大偏差系数来评估云雾场均匀性。

进一步地，所述结冰厚度偏差系数为Δδ _i或者Δδ _j，其中，

，

，δ _N/2为处于中间位置的横向单元上的结冰厚度，δ _M/2为处于中间位置的纵向单元上的结冰厚度。

进一步地，结冰厚度偏差系数的空间标准差为所有Δδ _i或者Δδ _j的空间标准差，i从1~N遍历，j从1~M遍历；结冰厚度最大偏差系数为所有Δδ _i的最大绝对值或者Δδ _j的最大绝对值。

本发明相对于现有技术至少具有如下技术效果：

1. 本发明中，由于凸块的内侧面的外部布置有刻度线，因此，可以通过直接读数的方式获得结冰厚度，而现有技术中包含两次人为操作误差、两次读数误差，因此，本发明具有更高的测量精度和测量效率；

2. 本发明中，通过结冰栅格的凹槽收集过冷大水滴，即使过冷大水滴在凹槽内发生破碎、飞溅等随机、多变的动力学行为，也不会降低过冷水滴的收集效率，也不会影响冷大水滴在凹槽内的冻结，因此，本发明具有更高的测量精度；

3. 本发明中，在凸块的外侧面的外部布置有第一加热装置，在风洞试验内通过喷雾系统进行喷雾时，在凸块的外侧面上不会形成结冰，因而不会因为凸块的外侧面上形成结冰而影响水滴的收集，因此，本发明具有更高的测量精度；

4. 本发明中，通过第二加热装置即可方便地去除凹槽内的积冰，而现有技术中，在去除栅条前缘表面的积冰时，通常是采用人工的方式，因此，本发明具有更高的测量效率。

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是本发明实施例一中的一种结冰栅格的示意图；

图2是本发明实施例一中的横向单元和竖向单元的示意图；。

图3是本发明实施例一中的竖向栅条和所述横向栅条的前缘结构示意图；

图4所示为本发明实施例二中的一种云雾场均匀性的测量方法的示意图。

具体实施方式

在下文中将参考附图对本发明的各方面进行更充分的描述。然而，本发明可以具体化成许多不同形式且不应解释为局限于贯穿本发明所呈现的任何特定结构或功能。相反地，提供这些方面将使得本发明周全且完整，并且本发明将给本领域技术人员充分地传达本发明的范围。基于本文所教导的内容，本领域的技术人员应意识到，无论是单独还是结合本发明的任何其它方面实现本文所公开的任何方面，本发明的范围旨在涵盖本文中所公开的任何方面。例如，可以使用本文所提出任意数量的装置或者执行方法来实现。另外，除了本文所提出本发明的多个方面之外，本发明的范围更旨在涵盖使用其它结构、功能或结构和功能来实现的装置或方法。应可理解，其可通过权利要求的一或多个元件具体化本文所公开的任何方面。

在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本公开。在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了所述特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。

在此使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有本领域技术人员通常所理解的含义，除非另外定义。应注意，这里使用的术语应解释为具有与本说明书的上下文相一致的含义，而不应以理想化或过于刻板的方式来解释。

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。

实施例一

如图1所述为本发明实施例一中的一种结冰栅格的示意图，其包括框体10、竖向栅条20和横向栅条30，所述竖向栅条20和所述横向栅条30纵横交错地分布于所述框体10内，所述竖向栅条20将所述横向栅条30分割为N个横向单元，横向单元的序号记为i，1≤i≤N，所述横向栅条30将所述竖向栅条20分割为M个竖向单元，竖向单元的序号记为j，1≤j≤M；

如图2所示为本发明实施例一中的横向单元和竖向单元的示意图，横向单元为横向栅条30上一个小段，竖向单元为竖向栅条20上一个小段。

本发明实施例一中的纵横交错地分布并不为本发明实施例一的核心创新点，本发明实施例一中的核心创新点在于竖向栅条20和所述横向栅条30的前缘结构，具体地，如图3所示为本发明实施例一中的竖向栅条和所述横向栅条的前缘结构示意图：

所述竖向栅条20和所述横向栅条30的前缘上对称设置有沿轴向延伸的凸块21，所述凸块21之间形成凹槽22，所述凸块21的外侧面211的外部布置有第一加热装置23，所述凸块21的内侧面212、所述凹槽22的底面221的内部布置有第二加热装置24，所述凸块21的内侧面212的外部布置有刻度线25。

在进行云雾场均匀性的测量时，需要在风洞试验内通过喷雾系统进行喷雾，在喷雾完成后，在凹槽22内将形成积冰，由于所述凸块21的内侧面212的外部布置有刻度线25，因此，可以通过直接读数的方式获得结冰厚度，而现有技术中，需要在结冰前利用游标卡尺测量栅条的厚度，在结冰后利用游标卡尺测量栅条和积冰的厚度之和，通过两次测量值求差来获取各点的结冰厚度，包含两次人为操作误差、两次读数误差，因此，本发明实施例一中的结冰栅格具有更高的测量精度和测量效率；

另一方面，对于水滴粒径超过100um的过冷大水滴而言，通过本发明实施例一中的结冰栅格的凹槽22收集过冷大水滴，即使过冷大水滴在凹槽22内发生破碎、飞溅等随机、多变的动力学行为，也不会降低过冷水滴的收集效率，也不会影响冷大水滴在凹槽22内的冻结，因此，本发明实施例一中的结冰栅格具有更高的测量精度；

另外，本发明实施例一中，如果不在所述凸块21的外侧面211的外部布置有第一加热装置23，在风洞试验内通过喷雾系统进行喷雾时，在所述凸块21的外侧面211上会形成结冰，而且结冰会不断长大，因此，形成的结冰将影响水滴的收集；因此，本发明实施例一中，在所述凸块21的外侧面211的外部布置有第一加热装置23，在风洞试验内通过喷雾系统进行喷雾时，在所述凸块21的外侧面211上不会形成结冰，本发明实施例一不会因为凸块21的外侧面211上形成结冰而影响水滴的收集，因此，本发明实施例一中的结冰栅格具有更高的测量精度；

最后，在完成一次云雾场均匀性的测量后，在凹槽22内形成有积冰，因此，在开展下一次云雾场均匀性的测量时，需要将凹槽22内的积冰去除，由于本发明实施例一中，所述凸块21的内侧面212、所述凹槽22的底面221的内部布置有第二加热装置24，因此，通过第二加热装置24即可方便地去除凹槽22内的积冰；而现有技术中，在去除栅条前缘表面的积冰时，通常是采用人工的方式，因此，本发明实施例一中的结冰栅格具有更高的测量效率。

进一步地，为了方便读数和制造，所述凹槽22呈长方体形，所述凸块21呈直角三棱柱形，所述直角三棱柱形的斜面形成所述凸块21的外侧面。

具体地，所述第一加热装置23为电加热薄膜，所述第二加热装置24为电加热丝。

实施例二

如图4所示为本发明实施例二中的一种云雾场均匀性的测量方法的示意图，该云雾场均匀性的测量方法包括如下步骤：

步骤S10:将上述的结冰栅格安装于风洞试验段内的测量截面上；

步骤S30：打开喷雾系统进行喷雾，开启第一加热装置23，关闭第二加热装置24；因此，在凸块21的外侧面211上不会形成结冰，因而不会影响水滴的收集，因此，具有更高的测量精度；

步骤S40：待喷雾完成后，关闭第一加热装置23，读取所有横向单元上的结冰厚度的读数，将横向单元i上的结冰厚度记为δ _i，或者，读取所有纵向单元上的结冰厚度的读数，将纵向单元j上的结冰厚度记为δ _j；也就是说，既可以通过横向单元i上的结冰厚度记为δ _i来评估云雾场均匀性，也可以通过纵向单元j上的结冰厚度记为δ _j来评估云雾场均匀性；而且，本发明实施例二中，通过直接读数的方式获得结冰厚度，本发明实施例二相对现有技术而言，具有更高的测量精度和测量效率；

步骤S50：评估云雾场均匀性；

步骤S60：开启第二加热装置24，直至结冰栅格上的积冰融化完。

本发明实施例二中，通过第二加热装置24即可方便地去除凹槽22内的积冰，相比于现有技术中的人工方式，因此，本发明实施例二具有更高的测量效率。

进一步地，步骤S30中，喷雾的时长t通过如下公式计算得到：

；

，

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

1.一种结冰栅格，其特征在于，包括框体（10）、竖向栅条（20）和横向栅条（30），所述竖向栅条（20）和所述横向栅条（30）纵横交错地分布于所述框体（10）内，所述竖向栅条（20）将所述横向栅条（30）分割为N个横向单元，横向单元的序号记为i，1≤i≤N，所述横向栅条（30）将所述竖向栅条（20）分割为M个竖向单元，竖向单元的序号记为j，1≤j≤M；

其中，所述竖向栅条（20）和所述横向栅条（30）的前缘上对称设置有沿轴向延伸的凸块（21），所述凸块（21）之间形成凹槽（22），所述凸块（21）的外侧面（211）的外部布置有第一加热装置（23），所述凸块（21）的内侧面（212）、所述凹槽（22）的底面（221）的内部布置有第二加热装置（24），所述凸块（21）的内侧面（212）的外部布置有刻度线（25）。

2.如权利要求1所述的一种结冰栅格，其特征在于，所述凹槽（22）呈长方体形，所述凸块（21）呈直角三棱柱形，所述直角三棱柱形的斜面形成所述凸块（21）的外侧面。

3.如权利要求2所述的一种结冰栅格，其特征在于，所述第一加热装置（23）为电加热薄膜，所述第二加热装置（24）为电加热丝。

4.一种云雾场均匀性的测量方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤S10：将权利要求1-3之一所述的结冰栅格安装于风洞试验段内的测量截面上；

步骤S20：调节风洞风速、高度至目标值，调节风洞总温至-20℃以下；

步骤S30：打开喷雾系统进行喷雾，开启第一加热装置（23），关闭第二加热装置（24）；

步骤S40：待喷雾完成后，关闭第一加热装置（23），读取所有横向单元上的结冰厚度的读数，将横向单元i上的结冰厚度记为δ _i，或者，读取所有纵向单元上的结冰厚度的读数，将纵向单元j上的结冰厚度记为δ _j；

步骤S50：评估云雾场均匀性。

5.如权利要求4所述的一种云雾场均匀性的测量方法，其特征在于，步骤S30中，喷雾的时长t通过如下公式计算得到：

；

6.如权利要求5所述的一种云雾场均匀性的测量方法，其特征在于，所述步骤S50中，通过计算结冰厚度偏差系数的空间标准差和结冰厚度最大偏差系数来评估云雾场均匀性。

7.如权利要求6所述的一种云雾场均匀性的测量方法，其特征在于，所述结冰厚度偏差系数为Δδ _i或者Δδ _j，其中，

，

，δ _N/2为处于中间位置的横向单元上的结冰厚度，δ _M/2为处于中间位置的纵向单元上的结冰厚度，其中，N为横向单元的个数，M为竖向单元的个数。

8.如权利要求7所述的一种云雾场均匀性的测量方法，其特征在于，结冰厚度偏差系数的空间标准差为所有Δδ _i或者Δδ _j的空间标准差，i从1~N遍历，j从1~M遍历；结冰厚度最大偏差系数为所有Δδ _i的最大绝对值或者Δδ _j的最大绝对值。