CN113252291A - 一种结冰风洞供气系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明适用于风洞试验技术领域，提供了一种结冰风洞供气系统和方法，其中，结冰风洞供气系统包括供气主路、模拟主路、供气旁路和多个供气支路：述供气主路的出口与所述模拟主路的入口和所述供气旁路的入口连接，所述模拟主路的出口与多个所述供气支路的入口连接；所述模拟主路上设置有第一压力传感器，多个所述供气支路并联；所述供气支路上沿气流方向依次设置有针阀、温度传感器和临界文氏管。本发明提供的结冰风洞供气系统和方法，可在保证供气系统稳定的基础上，快速调节各支路的流量，避免了各供气支路上供气温度的变化，提高了试验效率。

Description

一种结冰风洞供气系统和方法
技术领域
本发明属于风洞试验技术领域，尤其是涉及一种结冰风洞供气系统和方法。
背景技术
如在本申请人已授权的中国发明专利CN111929025B中所述，飞机在穿越高空云层时遭遇过冷水滴，其迎风部件会出现结冰问题，导致飞行器部件损坏、飞行性能下降、甚至造成机毁人亡，严重影响飞行安全。为保证飞行安全，要求在飞机机翼、发动机唇口等部件上安装防除冰装置，其中，热气防除冰是最常用的防除冰方法之一，是将发动机压气机引出的热气经引气管流入防冰腔内，将热量传递给防冰表面，达到防除冰的目的。
为验证飞机防除冰设备效果，通常在地面结冰风洞内开展热气供气防除冰试验。常规热气防除冰试验通常只能对单一部件进行热气防除冰，因此，现有的热气供气系统大多只具备单路热气供气功能。
同时，由于飞行器机翼、发动机等各部件防除冰对于热气流量需求不同，因此，为实现在一次试验中进行多个部件防除冰验证，需要热气供气系统提供多路供气。现有多数多路供气方法采用调节阀开度与流量计反馈的闭环方式调节各支路流量，当各支路流量变化时，系统前端流量也要发生变化，采用这种方法的弊端在于：对于热气供气系统来说，前端流量变化会导致供气温度不稳定，影响试验效率。
综上所述，现有技术中存在如下技术问题：
1.现有技术中的热气防除冰试验通常只能对单一部件进行热气防除冰，其热气供气系统大多只具备单路热气供气功能；
2.现有技术中多路供气采用调节调节阀开度与流量计反馈的闭环方式控制各支路流量，当各支路流量变化时，系统前端流量也发生变化，在此种供气系统中，前端的流量变化会导致供气温度的不稳定，从而降低了试验效率。
发明内容
本发明的目的是提供一种结冰风洞供气系统和方法，可在保证供气系统稳定的基础上，快速调节各支路的流量，避免了各供气支路上供气温度的变化，提高了试验效率。
本发明提供了一种结冰风洞供气系统，包括供气主路、模拟主路、供气旁路和多个供气支路：
所述供气主路的出口与所述模拟主路的入口和所述供气旁路的入口连接，所述模拟主路的出口与多个所述供气支路的入口连接；
所述模拟主路上设置有第一压力传感器，多个所述供气支路并联；
所述供气支路上沿气流方向依次设置有针阀、温度传感器和临界文氏管。
进一步的，所述供气旁路上设置有调节阀。
进一步的，所述模拟主路上还设置有第一球阀，所述供气旁路上还设置有第二球阀。
进一步的，所述供气支路上还设置有第二压力传感器和第三压力传感器，所述第二压力传感器设置于所述针阀和所述温度传感器之间，所述第三压力传感器设置于所述临界文氏管之后。
进一步的，所述针阀包括喷管，所述喷管的吼道面积大于所述临界文氏管的吼道面积，多个所述供气支路上临界文氏管的吼道面积相同。
本发明还提供了一种结冰风洞供气方法，包括如下步骤：
步骤S10：打开结冰风洞供气系统，调节供气主路的流量为Q M ；
步骤S20：调节各供气支路上针阀的开度；
步骤S30：调节供气旁路上调节阀的开度，使模拟主路上第一压力传感器的压力值P s 保持稳定。
进一步的，步骤S10中，所述供气主路流量Q M =A·Q st ，其中，Q st 为供气流量之和，A为流量系数，1.5<A<2，所述供气流量之和Q st 为N个供气支路供气流量之和，N为供气支路总个数。
进一步的，步骤S20中，第i个供气支路针阀的开度为
Figure 598599DEST_PATH_IMAGE001
，其中，1≤i≤N，i为供气支路的序号；当i=m时，m为所需供气流量最大的供气支路的序号，所需供气流量最大的供气支路上针阀的开度
Figure 781318DEST_PATH_IMAGE002
；当i≠m时，第i个供气支路针阀的开度
Figure 921575DEST_PATH_IMAGE003
。
进一步的，当i≠m时，第i个供气支路上针阀的开度
Figure 582363DEST_PATH_IMAGE004
，其中，S sm 为所需供气流量最大的供气支路上针阀的吼道面积，S w 为供气支路上临界文氏管的吼道面积，α si 为第i个供气支路的比例系数，所述第i个供气支路的比例系数
Figure 255790DEST_PATH_IMAGE005
，Q si 为第i个供气支路上的所需供气流量，Q sm 为所需供气流量最大的供气支路的供气流量。
进一步的，步骤S30中，第一压力传感器的压力值
Figure 547094DEST_PATH_IMAGE006
，其中，T为温度传感器的温度值。
综上所述，本发明至少能够实现如下技术效果：
1.本发明通过在各供气支路上设置针阀和临界文氏管，并在模拟主路上设置第一压力传感器，通过所需供气流量最大的供气支路上，临界文氏管的流量和吼道面积，以及通过温度传感器得到上述临界文氏管的前端温度，综合计算获得模拟主路上第一压力传感器的值，从而保证调整后第一压力传感器满足条件，并且能够综合考虑供气支路上的温度，避免了各供气支路上供气温度的变化，提高了试验效率；
2.本发明针对一次试验中多路供气的工况，仅通过控制供气旁路上调节阀的开度，就可以保证供气支路入口压力稳定，从而实现各供气支路的流量稳定；
3.本发明在试验过程中，仅需要根据比例系数调整各供气支路上针阀的开度，从而实现根据不同的试验需求快速更改各供气支路的供气流量的效果，避免了过多的闭环控制，简单便捷的控制各供气支路的流量；
4.本发明仅需要简单关闭或增加供气支路以及相应的针阀与临界文氏管，即可实现供气支路数量的减少或增加。
附图说明
图1是本发明中结冰风洞供气系统的示意图；
图2是本发明中结冰风洞供气方法的流程图。
其中，100、供气主路，200、模拟主路，210、第一球阀，220、第一压力传感器，300、供气旁路，310、调节阀，320、第二球阀，400、供气支路，410、针阀，420、第二压力传感器，430、温度传感器，440、临界文氏管，450、第三压力传感器，500、试验模型，600、密封装置。
具体实施方式
以下的说明提供了许多不同的实施例、或是例子，用来实施本发明的不同特征。以下特定例子所描述的元件和排列方式，仅用来精简的表达本发明，其仅作为例子，而并非用以限制本发明。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语"上"、"下"、"前"、"后"、"左"、"右"、"垂直"、"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所述特征。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。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语"安装"、"相连"、"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，也可以是电连接或可以相互通讯；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或两个元件的相互作用关系。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。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之"上"或之"下"可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征"之上"、"上方"和"上面"包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征"之下"、"下方"和"下面"包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或参考字母，这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施方式和/或设置之间的关系。此外，本发明提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的应用和/或其他材料的使用。
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1：
如图1所示，本发明实施例1提供了一种结冰风洞供气系统，包括供气主路100、模拟主路200、供气旁路300和多个供气支路400：
所述供气主路100的出口与所述模拟主路200的入口和所述供气旁路300的入口连接，所述模拟主路200的出口与多个所述供气支路400的入口连接；
所述模拟主路200上设置有第一压力传感器220，多个所述供气支路400并联；
所述供气支路400上沿气流方向依次设置有针阀410、温度传感器430和临界文氏管440。
供气主路100用于为结冰风洞供气系统提供流量稳定的供入气体；多个并联的供气支路400的最末端连接有密封装置600，密封装置600用于密封多个供气支路的共同端口，密封装置600与供气支路400可拆卸连接，能够根据需求增加或减少供气支路400的个数。
多个所述供气支路400的出口均与试验模型500连接，用于为试验模型供入不同流量的气体。
通过在各供气支路400上设置针阀410和临界文氏管440，并在模拟主路200上设置第一压力传感器220，通过所需供气流量最大的供气支路上，临界文氏管440的流量和吼道面积，以及通过温度传感器430得到上述临界文氏管440的前端温度，综合计算获得模拟主路200上第一压力传感器220的值，从而保证调整后第一压力传感器220满足条件，并且能够综合考虑供气支路400上的温度，避免了各供气支路400上供气温度的变化，提高了试验效率。
进一步的，所述供气旁路300上设置有调节阀310。针对一次试验中多路供气的工况，仅通过控制供气旁路300上调节阀310的开度，就可以保证供气支路400入口压力稳定，从而实现各供气支路400的流量稳定。
进一步的，所述模拟主路200上还设置有第一球阀210，所述供气旁路上还设置有第二球阀320。
进一步的，所述供气支路400上还设置有第二压力传感器420和第三压力传感器450，所述第二压力传感器420设置于所述针阀410和所述温度传感器430之间，所述第三压力传感器450设置于所述临界文氏管440之后。
临界文氏管440后端的第三压力传感器450主要为了判断临界文氏管440是否满足临界条件，通常，临界文氏管440的测量流量要求为第三压力传感器450的压力值除以第二压力传感器420的压力值小于0.89。
进一步的，所述针阀410包括喷管，所述喷管的吼道面积大于所述临界文氏管440的吼道面积，多个所述供气支路400上临界文氏管440的吼道面积相同。
所述喷管为拉瓦尔喷管，用于控制各供气支路400的气流流量。拉瓦尔喷管中通过的气体流量与其前端压力，气流温度和流通面积有关，当其前端压力和气流温度保持不变的情况下，通过拉瓦尔喷管的气体流量仅由针阀的开度决定。
所述临界文氏管440用于流量测量供气支路的气体流量，同时临界文氏管440的吼道面积大小决定临界文氏管440的测量范围，可通过更换临界文氏管440实现更大范围的流量测量。临界文氏管440吼道面积与第一传感器220的压力值决定了该临界文氏管可以流通的流量范围，该流量范围外的流量可以通过更换其他吼道面积的临界文氏管进行测量。
所述针阀410与临界文氏管440相连，所述喷管的吼道与临界文氏管440的吼道形成相互匹配的双吼道设计，通过设置喷管的吼道面积大于临界文氏管440的吼道面积，以避免两个吼道之间出现超声速流，从而避免针阀410上顶针运动对喷管吼道面积的影响。这是由于，当喷管吼道中的气流流速与临界文氏管440吼道中的气流速度均达到或超过声速时，会触发针阀410顶针使其发生运动，从而使喷管的吼道面积发生改变。同时，通过设置喷管的吼道面积大于临界文氏管440的吼道面积，还可以保证在更换临界文氏管后也能实现更大范围的流量测量。
实施例2：
本发明实施例2提供了一种结冰风洞供气方法，如图2所示，包括如下步骤：
步骤S10：打开结冰风洞供气系统，调节供气主路100的流量为Q M ；
步骤S20：调节各供气支路400上针阀410的开度；
步骤S30：调节供气旁路300上调节阀310的开度，使模拟主路200上第一压力传感器220的压力值P s 保持稳定。
进一步的，步骤S10中，所述供气主路100流量Q M =A·Q st ，其中，Q st 为供气流量之和，A为流量系数，1.5<A<2，所述供气流量之和Q st 为N个供气支路供气流量之和，N为供气支路总个数。
其中，流量系数A为1.5~2是为了便于调整模型入口的压力值，具体的流量系数A的值是可以根据需求进行调整，只需要保证供气系统中有足够的流量用于旁路调节即可。
进一步的，步骤S20中，第i个供气支路针阀的开度为
Figure 610865DEST_PATH_IMAGE001
，其中，1≤i≤N，i为供气支路的序号；当i=m时，m为所需供气流量最大的供气支路的序号，所需供气流量最大的供气支路上针阀的开度
Figure 639126DEST_PATH_IMAGE002
；当i≠m时，第i个供气支路针阀的开度
Figure 104743DEST_PATH_IMAGE003
。
进一步的，当i≠m时，第i个供气支路上针阀的开度
Figure 691582DEST_PATH_IMAGE007
，其中，S sm 为所需供气流量最大的供气支路上针阀的吼道面积，S w 为供气支路上临界文氏管的吼道面积，α si 为第i个供气支路的比例系数，所述第i个供气支路的比例系数
Figure 72010DEST_PATH_IMAGE005
，Q si 为第i个供气支路上的所需供气流量，Q sm 为所需供气流量最大的供气支路的供气流量。
所需供气流量最大的供气支路上的针阀开度为100%，即该供气支路上的气体流量为临界文氏管的流量测量值，此时，最大供气流量Q sm 的值与所需供气流量最大的供气支路上临界文氏管的流量测量值一致。
在试验过程中，各供气支路上临界文氏管的吼道面积S w 均相同，当需要扩大流量测量范围时，更换临界文氏管之后，再用新的临界文氏管的吼道面积进行计算。
同时，仅需要根据比例系数调整相应供气支路400上针阀410的开度，从而实现根据不同的试验需求快速更改各供气支路的供气流量的效果，避免了过多的闭环控制，简单便捷的控制各供气支路的流量。
进一步的，步骤S30中，第一压力传感器220的压力值
Figure 136918DEST_PATH_IMAGE008
，其中，T为温度传感器430的温度值。
所需供气流量最大的供气支路上的针阀开度为100%时，该供气支路上的针阀吼道面积大于临界文氏管吼道面积，供气支路入口处第一压力传感器220的压力值与该供气支路上临界文氏管入口的压力一致，因此，根据临界文氏管的吼道面积和该供气支路的供气流量和气体温度可以计算第一压力传感器220的压力值P s 。然而，在供气支路上的针阀开度小于100%的支路上，由于针阀的开度减小，使得针阀吼道面积小于该供气支路上临界文氏管的吼道面积，使得临界文氏管的前端压力小于第一压力传感器220的压力值。
所述临界文氏管440的流量与其前端的第二压力传感器420的压力值、温度传感器430的温度值T以及临界文氏管440的吼道面积S w 有关。其中，所需供气流量最大的供气支路上第二压力传感器420的压力值与第一压力传感器220的压力值P s 相同，各供气支路上温度传感器T的值相同。
本发明提供的一种结冰风洞供气系统和方法仅需要简单关闭或增加供气支路以及相应的针阀与临界文氏管，即可实现供气支路数量的减少或增加。
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 (10)

1.一种结冰风洞供气系统，其特征在于，包括供气主路（100）、模拟主路（200）、供气旁路（300）和多个供气支路（400）：
所述供气主路（100）的出口与所述模拟主路（200）的入口和所述供气旁路（300）的入口连接，所述模拟主路（200）的出口与多个所述供气支路（400）的入口连接；
所述模拟主路（200）上设置有第一压力传感器（220），多个所述供气支路（400）并联；
所述供气支路（400）上沿气流方向依次设置有针阀（410）、温度传感器（430）和临界文氏管（440）。
2.如权利要求1所述的一种结冰风洞供气系统，其特征在于，所述供气旁路（300）上设置有调节阀（310）。
3.如权利要求2所述的一种结冰风洞供气系统，其特征在于，所述模拟主路（200）上还设置有第一球阀（210），所述供气旁路上还设置有第二球阀（320）。
4.如权利要求1所述的一种结冰风洞供气系统，其特征在于，所述供气支路（400）上还设置有第二压力传感器（420）和第三压力传感器（450），所述第二压力传感器（420）设置于所述针阀（410）和所述温度传感器（430）之间，所述第三压力传感器（450）设置于所述临界文氏管（440）之后。
5.如权利要求1所述的一种结冰风洞供气系统，其特征在于，所述针阀（410）包括喷管，所述喷管的吼道面积大于所述临界文氏管（440）的吼道面积，多个所述供气支路（400）上临界文氏管（440）的吼道面积相同。
6.一种结冰风洞供气方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S10：打开如权利要求1-5任一项所述的结冰风洞供气系统，调节供气主路（100）的流量为Q M ；
步骤S20：调节各供气支路（400）上针阀（410）的开度；
步骤S30：调节供气旁路（300）上调节阀（310）的开度，使模拟主路（200）上第一压力传感器（220）的压力值P s 保持稳定。
7.如权利要求6所述的一种结冰风洞供气方法，其特征在于，步骤S10中，所述供气主路（100）流量Q M =A·Q st ，其中，Q st 为供气流量之和，A为流量系数，1.5<A<2，所述供气流量之和Q st 为N个供气支路供气流量之和，N为供气支路总个数。
8.如权利要求7所述的一种结冰风洞供气方法，其特征在于，步骤S20中，第i个供气支路针阀的开度为
Figure DEST_PATH_IMAGE001
，其中，1≤i≤N，i为供气支路的序号；当i=m时，m为所需供气流量最大的供气支路的序号，所需供气流量最大的供气支路上针阀的开度
Figure 767485DEST_PATH_IMAGE002
；当i≠m时，第i个供气支路针阀的开度
Figure DEST_PATH_IMAGE003
。
9.如权利要求8所述的一种结冰风洞供气方法，其特征在于，当i≠m时，第i个供气支路上针阀的开度
Figure 336000DEST_PATH_IMAGE004
，其中，S sm 为所需供气流量最大的供气支路上针阀的吼道面积，S w 为供气支路上临界文氏管的吼道面积，α si 为第i个供气支路的比例系数，所述第i个供气支路的比例系数
Figure DEST_PATH_IMAGE005
，Q si 为第i个供气支路上的所需供气流量，Q sm 为所需供气流量最大的供气支路的供气流量。
10.如权利要求9所述的一种结冰风洞供气方法，其特征在于，步骤S30中，第一压力传感器（220）的压力值
Figure 771399DEST_PATH_IMAGE006
，其中，T为温度传感器（430）的温度值。
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