CN112985741B - 一种利用压缩空气动力的活塞式风洞特种气体充气方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种利用压缩空气动力的活塞式风洞特种气体充气方法。该充气方法使用的装置包括活塞式储气罐，活塞式储气罐中间的滑动活塞将活塞式储气罐分为空气腔和特种气体腔。充气时特种气体腔与风洞的固定储气罐连接，空气腔与风洞高压气源连接，开通空气腔和特种气体腔的截止阀，高压气源的空气始终保持较高压力，活塞将全部特种气体缓慢压入固定储气罐中，充气完成后关闭特种气体腔的截止阀，打开空气腔的截止阀，将空气腔中的高压空气放空，高压空气不会产生任何污染气体，特种气体的充气效率接近100％。该充气方法简单、高效、成本低、噪声小，可以快速完成大量特种气体的充气，有效保障了风洞喷流试验的顺利进行。

Description

一种利用压缩空气动力的活塞式风洞特种气体充气方法
技术领域
本发明属于风洞试验技术领域，具体涉及一种利用压缩空气动力的活塞式风洞特种气体充气方法。
背景技术
近年来，风洞配置了特种气体喷流模拟系统。一般采用在喷流试验时，容易冷凝的较低比热比的CF4、SF6，或者不易冷凝的较高比热比的H2等特种气体，或者采用特种气体混合气体。特种气体需要化工工业支持生产，特种气体的价格比空气高很多，喷流对特种气体的用量远小于风洞来流对空气的用量。因此，风洞现场通常不配置特种气体制造设备，也不具备加工制造特种气体能力资质，需要从特种气体生产工厂采购特种气体作为喷流气源。
对于流量小于0.5公斤每秒的风洞喷流试验，可采用标准气瓶作为储气罐，通过整体更换标准气瓶的方式就能够实现特种气体供气，基本满足试验需要，不需要现场充气，也不需要考虑充气效率问题。
对于口径较大的风洞，喷流试验的流量从几公斤每秒到几十公斤每秒，单次试验时间一般需要持续几十秒。由于特种气体难以液化，例如CF4必须在临界温度227.6K(-45℃)以下才可能液化，一般只能以气体介质形式运输，运输效率不高，这对于大流量的风洞喷流试验供气是一个挑战。
当风洞喷流试验的流量大于5公斤每秒时，随着试验时间的增加，用气量会十倍、几十倍甚至上百倍增加，更换标准气瓶过于频繁，标准气瓶已经不能满足试验需求。一种解决的措施是定做可移动大容量整体更换储气罐，但是可移动大容量整体更换储气罐的运输、安装、固定非常麻烦，需要风洞现场配备起重吊车或行吊，协调安装公司进行安装固定，而且，可移动大容量整体更换储气罐需要占用较多地面空间进行安装和更换，受风洞现场环境限制难以实施。另一种解决的措施是在风洞现场设置一个大容量的固定储气罐，充分利用室外及上层空间，一次性安装固定储气罐，补充气体时固定储气罐不更换不拆装，进行风洞喷流试验时，可移动大容量整体更换储气罐作为充气罐与风洞现场的固定储气罐直接连接充气，普通人员即可以操作。
可移动大容量整体更换储气罐向固定储气罐补充特种气体一般有两种方法，一种是无动力的直接管道传输，这种方法优点是不需要增压机械，没有压缩机，是所有方式中最简单的；缺点也很明显，特种气体充气效率低，对于体积与固定储气罐相当的可移动大容量整体更换储气罐，约充入一半特种气体时，可移动大容量整体更换储气罐和固定储气罐就达到压力平衡，余下的特种气体无法再充入，最终固定储气罐的压力只有可移动大容量整体更换储气罐初始压力的一半左右，充气效率约50％，当固定储气罐有余气时充气效率更低。另一种是有动力的压缩机充气，在可移动大容量整体更换储气罐和固定储气罐之间采用压缩机升压充气，这种方式操作简单，安全风险小；缺点是需单独配置压缩机，大型压缩机成本高，占用空间较大，还需要很多附属配置如配电系统、冷却系统等，小型压缩机的压缩比有限，充气罐余气较多，特种气体充气效率低，充气速度较慢。
当前，亟需发展一种利用压缩空气动力的活塞式风洞特种气体充气方法。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种利用压缩空气动力的活塞式风洞特种气体充气方法。
本发明的利用压缩空气动力的活塞式风洞特种气体充气方法，其特点是，所述的充气方法使用的装置包括活塞式储气罐，活塞式储气罐中间的滑动活塞将活塞式储气罐分为空气腔和特种气体腔，空气腔连通管道Ⅰ，管道Ⅰ上安装有截止阀Ⅰ，特种气体腔连通管道Ⅱ，管道Ⅱ上安装有截止阀Ⅱ；还包括安装在固定储气罐上的截止阀Ⅲ；第一次充气的充气方法包括以下步骤：
a.将活塞式储气罐运输至特种气体生产工厂；
b.在管道Ⅱ的出口安装三通阀，三通阀的两个出口，一个连接真空泵，另一个连接特种气体生产工厂的特种气体供气装置；
c.清理特种气体腔；打开截止阀Ⅰ，截止阀Ⅱ，打开真空泵，关闭特种气体供气装置，滑动活塞在真空泵的抽吸作用下，滑动至后端，特种气体腔的压力达到预设的真空压力时，特种气体腔内的余气被排空，关闭截止阀Ⅱ，关闭真空泵；
d.特种气体腔充入特种气体；打开截止阀Ⅱ，打开特种气体供气装置，特种气体供气装置向特种气体腔充入特种气体，滑动活塞在特种气体的推动作用下，滑动至前端，特种气体腔的压力达到预设充气压力时，特种气体腔的充气结束，关闭截止阀Ⅱ，关闭特种气体供气装置，关闭截止阀Ⅰ；拆除三通阀；
e.将活塞式储气罐运输至风洞现场；
f.将活塞式储气罐的管道Ⅰ连接风洞高压气源，将活塞式储气罐管道Ⅱ连接固定储气罐的截止阀Ⅲ；
g.固定储气罐充入特种气体；首先打开截止阀Ⅱ、截止阀Ⅲ，随后打开截止阀Ⅰ，最后打开风洞高压气源，风洞高压气源的压缩空气充入空气腔，滑动活塞在压缩空气的推动作用下，滑动至后端，固定储气罐的压力梯度为0时，则特种气体充气完毕，关闭截止阀Ⅲ；
h.关闭截止阀Ⅱ、截止阀Ⅰ，断开风洞高压气源和固定储气罐。
进一步地，所述的第一次充气的充气方法中的步骤b、步骤c、步骤d可同时分别替换成步骤b1、步骤c1、步骤d1：
b1.管道Ⅰ连接特种气体生产工厂的高压空气气源，特种气体生产工厂的高压空气气源的压力高于大气压且足以推动滑动活塞滑动至后端；
c1.清理特种气体腔；打开截止阀Ⅱ，打开截止阀Ⅰ，打开特种气体生产工厂的高压空气气源，滑动活塞在特种气体生产工厂的高压空气气源的推动作用下，滑动至后端，特种气体腔内的余气被排空，关闭截止阀Ⅱ，关闭截止阀Ⅰ，断开特种气体生产工厂的高压空气气源；
d1.特种气体腔充入特种气体；管道Ⅱ连接特种气体供气装置，打开截止阀Ⅰ，打开截止阀Ⅱ，特种气体供气装置向特种气体腔充入特种气体，滑动活塞在特种气体的推动作用下，滑动至前端，特种气体腔的压力达到预设充气压力时，特种气体腔的充气结束，关闭截止阀Ⅱ，断开特种气体供气装置，关闭截止阀Ⅰ。
进一步地，第二次及以后使用活塞式储气罐的气体充气方法，包括步骤a、步骤d1、步骤e～步骤h。
进一步地，所述的特种气体为CF4、SF6或N2。
进一步地，所述的活塞式储气罐为并联连接的系列活塞式储气罐。
本发明的利用压缩空气动力的活塞式风洞特种气体充气方法采用活塞式储气罐作为充气罐，活塞式储气罐内设置有活塞，活塞的两侧分别为空气腔和特种气体腔。充气时特种气体腔与固定储气罐连接，空气腔与风洞高压气源连接，开通空气腔和特种气体腔的截止阀，高压气源的空气始终保持较高压力，活塞将全部特种气体缓慢压入固定储气罐中，充气完成后关闭特种气体腔的截止阀，打开空气腔的截止阀，将空气腔中的高压空气放空，高压空气不会产生任何污染气体，特种气体的充气效率接近100％。
本发明的利用压缩空气动力的活塞式风洞特种气体充气方法充分利用风洞现场的风洞高压气源的压缩空气作为充气动力，压缩空气是提前制备的，具有压力高、可长时间供应的优点，使得特种气体充气速度快、充气效率高。
本发明的利用压缩空气动力的活塞式风洞特种气体充气方法不增加额外的动力设备，无需单独配置昂贵的压缩机，仅需在现有设备的基础上增加一个廉价的方便运输的活塞式储气罐。
本发明的利用压缩空气动力的活塞式风洞特种气体充气方法具有较高的安全性，不会产生污染大气的废气，所用的压缩空气可以直接排入大气，整个充气过程中特种气体几乎没有泄露，没有充完的特种气体余气仍然保留在活塞式储气罐的特种气体腔中，以待下次充气使用。
本发明的利用压缩空气动力的活塞式风洞特种气体充气方法的特种气体充气效率接近100％，避免了可移动的活塞式储气罐带着大量剩余特种气体返回特种气体生产工厂，减少了运输次数，降低了运输成本。
本发明的利用压缩空气动力的活塞式风洞特种气体充气方法适用于不易液化存储的特种气体的存储、运输和风洞现场充气。
本发明的利用压缩空气动力的活塞式风洞特种气体充气方法简单、高效、成本低、噪声小，可以快速完成大量特种气体的充气，有效保障了风洞喷流试验的顺利进行。
附图说明
图1为本发明的利用压缩空气动力的活塞式风洞特种气体充气方法中的活塞式储气罐连接示意图(特种气体生产工厂)；
图2为本发明的利用压缩空气动力的活塞式风洞特种气体充气方法中的活塞式储气罐连接示意图(风洞现场)。
图中，1.滑动活塞2.空气腔3.特种气体腔4.管道Ⅰ5.截止阀Ⅰ6.管道Ⅱ7.截止阀Ⅱ8.固定储气罐9.截止阀Ⅲ10.三通阀11.真空泵12.特种气体供气装置。
具体实施方式
下面结合附图和实施例详细说明本发明。
本发明的利用压缩空气动力的活塞式风洞特种气体充气方法使用的装置包括活塞式储气罐，活塞式储气罐中间的滑动活塞1将活塞式储气罐分为空气腔2和特种气体腔3，空气腔2连通管道Ⅰ4，管道Ⅰ4上安装有截止阀Ⅰ5，特种气体腔3连通管道Ⅱ6，管道Ⅱ6上安装有截止阀Ⅱ7；还包括安装在固定储气罐8上的截止阀Ⅲ9；第一次充气的充气方法包括以下步骤：
a.将活塞式储气罐运输至特种气体生产工厂；
b.如图1所示，在管道Ⅱ6的出口安装三通阀10，三通阀10的两个出口，一个连接真空泵11，另一个连接特种气体生产工厂的特种气体供气装置12；
c.清理特种气体腔3；打开截止阀Ⅰ5，截止阀Ⅱ7，打开真空泵11，关闭特种气体供气装置12，滑动活塞1在真空泵11的抽吸作用下，滑动至后端，特种气体腔3的压力达到预设的真空压力时，特种气体腔3内的余气被排空，关闭截止阀Ⅱ7，关闭真空泵11；
d.特种气体腔3充入特种气体；打开截止阀Ⅱ7，打开特种气体供气装置12，特种气体供气装置12向特种气体腔3充入特种气体，滑动活塞1在特种气体的推动作用下，滑动至前端，特种气体腔3的压力达到预设充气压力时，特种气体腔3的充气结束，关闭截止阀Ⅱ7，关闭特种气体供气装置12，关闭截止阀Ⅰ5；拆除三通阀10；
e.将活塞式储气罐运输至风洞现场；
f.如图2所示，将活塞式储气罐的管道Ⅰ4连接风洞高压气源，将活塞式储气罐管道Ⅱ6连接固定储气罐8的截止阀Ⅲ9；
g.固定储气罐8充入特种气体；首先打开截止阀Ⅱ7、截止阀Ⅲ9，随后打开截止阀Ⅰ5，最后打开风洞高压气源，风洞高压气源的压缩空气充入空气腔2，滑动活塞1在压缩空气的推动作用下，滑动至后端，固定储气罐8的压力梯度为0时，则特种气体充气完毕，关闭截止阀Ⅲ9；
h.关闭截止阀Ⅱ7、截止阀Ⅰ5，断开风洞高压气源和固定储气罐8。
进一步地，所述的第一次充气的充气方法中的步骤b、步骤c、步骤d可同时分别替换成步骤b1、步骤c1、步骤d1：
b1.管道Ⅰ4连接特种气体生产工厂的高压空气气源，特种气体生产工厂的高压空气气源的压力高于大气压且足以推动滑动活塞1滑动至后端；
c1.清理特种气体腔3；打开截止阀Ⅱ7，打开截止阀Ⅰ5，打开特种气体生产工厂的高压空气气源，滑动活塞1在特种气体生产工厂的高压空气气源的推动作用下，滑动至后端，特种气体腔3内的余气被排空，关闭截止阀Ⅱ7，关闭截止阀Ⅰ5，断开特种气体生产工厂的高压空气气源；
d1.特种气体腔3充入特种气体；管道Ⅱ6连接特种气体供气装置12，打开截止阀Ⅰ5，打开截止阀Ⅱ7，特种气体供气装置12向特种气体腔3充入特种气体，滑动活塞1在特种气体的推动作用下，滑动至前端，特种气体腔3的压力达到预设充气压力时，特种气体腔3的充气结束，关闭截止阀Ⅱ7，断开特种气体供气装置12，关闭截止阀Ⅰ5。
进一步地，第二次及以后使用活塞式储气罐的气体充气方法，包括步骤a、步骤d1、步骤e～步骤h。
进一步地，所述的特种气体为CF4、SF6或N2。
进一步地，所述的活塞式储气罐为并联连接的系列活塞式储气罐。
实施例1
本实施例的固定储气罐8的容积为10m3，活塞式储气罐的容积为8m3，压力为15MPa，重量为4.7吨，利用16MPa风洞高压气源，在10分钟内完成了活塞式储气罐的CF4气体向固定储气罐8充气，固定储气罐8的压力为12MPa，在5公斤每秒的喷流流量下，可完成单次30秒共31次风洞喷流试验，能够满足一期风洞喷流试验的需求。

Claims (5)

1.一种利用压缩空气动力的活塞式风洞特种气体充气方法，其特征在于：所述的充气方法使用的装置包括活塞式储气罐，活塞式储气罐中间的滑动活塞(1)将活塞式储气罐分为空气腔(2)和特种气体腔(3)，空气腔(2)连通管道Ⅰ(4)，管道Ⅰ(4)上安装有截止阀Ⅰ(5)，特种气体腔(3)连通管道Ⅱ(6)，管道Ⅱ(6)上安装有截止阀Ⅱ(7)；还包括安装在固定储气罐(8)上的截止阀Ⅲ(9)；第一次充气的充气方法包括以下步骤：
a.将活塞式储气罐运输至特种气体生产工厂；
b.在管道Ⅱ(6)的出口安装三通阀(10)，三通阀(10)的两个出口，一个连接真空泵(11)，另一个连接特种气体生产工厂的特种气体供气装置(12)；
c.清理特种气体腔(3)；打开截止阀Ⅰ(5)，截止阀Ⅱ(7)，打开真空泵(11)，关闭特种气体供气装置(12)，滑动活塞(1)在真空泵(11)的抽吸作用下，滑动至后端，特种气体腔(3)的压力达到预设的真空压力时，特种气体腔(3)内的余气被排空，关闭截止阀Ⅱ(7)，关闭真空泵(11)；
d.特种气体腔(3)充入特种气体；打开截止阀Ⅱ(7)，打开特种气体供气装置(12)，特种气体供气装置(12)向特种气体腔(3)充入特种气体，滑动活塞(1)在特种气体的推动作用下，滑动至前端，特种气体腔(3)的压力达到预设充气压力时，特种气体腔(3)的充气结束，关闭截止阀Ⅱ(7)，关闭特种气体供气装置(12)，关闭截止阀Ⅰ(5)；拆除三通阀(10)；
e.将活塞式储气罐运输至风洞现场；
f.将活塞式储气罐的管道Ⅰ(4)连接风洞高压气源，将活塞式储气罐管道Ⅱ(6)连接固定储气罐(8)的截止阀Ⅲ(9)；
g.固定储气罐(8)充入特种气体；首先打开截止阀Ⅱ(7)、截止阀Ⅲ(9)，随后打开截止阀Ⅰ(5)，最后打开风洞高压气源，风洞高压气源的压缩空气充入空气腔(2)，滑动活塞(1)在压缩空气的推动作用下，滑动至后端，固定储气罐(8)的压力梯度为0时，则特种气体充气完毕，关闭截止阀Ⅲ(9)；
h.关闭截止阀Ⅱ(7)、截止阀Ⅰ(5)，断开风洞高压气源和固定储气罐(8)。
2.根据权利要求1所述的利用压缩空气动力的活塞式风洞特种气体充气方法，其特征在于：所述的第一次充气的充气方法中的步骤b、步骤c、步骤d同时分别替换成步骤b1、步骤c1、步骤d1：
b1.管道Ⅰ(4)连接特种气体生产工厂的高压空气气源，特种气体生产工厂的高压空气气源的压力高于大气压且足以推动滑动活塞(1)滑动至后端；
c1.清理特种气体腔(3)；打开截止阀Ⅱ(7)，打开截止阀Ⅰ(5)，打开特种气体生产工厂的高压空气气源，滑动活塞(1)在特种气体生产工厂的高压空气气源的推动作用下，滑动至后端，特种气体腔(3)内的余气被排空，关闭截止阀Ⅱ(7)，关闭截止阀Ⅰ(5)，断开特种气体生产工厂的高压空气气源；
d1.特种气体腔(3)充入特种气体；管道Ⅱ(6)连接特种气体供气装置(12)，打开截止阀Ⅰ(5)，打开截止阀Ⅱ(7)，特种气体供气装置(12)向特种气体腔(3)充入特种气体，滑动活塞(1)在特种气体的推动作用下，滑动至前端，特种气体腔(3)的压力达到预设充气压力时，特种气体腔(3)的充气结束，关闭截止阀Ⅱ(7)，断开特种气体供气装置(12)，关闭截止阀Ⅰ(5)。
3.根据权利要求2所述的利用压缩空气动力的活塞式风洞特种气体充气方法，其特征在于：第二次及以后使用活塞式储气罐的气体充气方法，包括步骤a、步骤d1、步骤e～步骤h。
4.根据权利要求1～3所述的任一利用压缩空气动力的活塞式风洞特种气体充气方法，其特征在于：所述的特种气体为CF4、SF6或N2。
5.根据权利要求1～3所述的任一利用压缩空气动力的活塞式风洞特种气体充气方法，其特征在于：所述的活塞式储气罐为并联连接的系列活塞式储气罐。
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