CN113358319A

CN113358319A - 一种进气模拟系统和方法

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Publication number: CN113358319A
Application number: CN202110909419.9A
Authority: CN
Inventors: 冉林; 熊建军; 易贤; 赵照; 李自雨
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: 2021-08-09
Filing date: 2021-08-09
Publication date: 2021-09-07
Anticipated expiration: 2041-08-09
Also published as: CN113358319B

Abstract

本发明适用于风洞试验技术领域，提供了一种进气模拟系统和方法，该系统包括抽气装置、主路管道、第一外部支路管道和流量计；抽气装置包括N个抽气支路，第i号抽气支路与第i+1号抽气支路并联，每个抽气支路上均设置有开关阀和水环泵，第i号抽气支路上的开关阀和水环泵的序号同样记为i，第i号水环泵的最高转速小于第i+1号水环泵的最高转速，其中，i为抽气支路的序号，i=1、2、3、...、N‑1；主路管道的出气端与第一外部支路管道的进气端和抽气装置的进气端相连通，第一外部支路管道上设置有可调开关阀；流量计设置于主路管道上。本发明提供的一种进气模拟系统和方法，具有结构简单、容易控制且流量稳定的特点。

Description

一种进气模拟系统和方法

技术领域

本发明属于风洞试验技术领域，尤其是涉及一种进气模拟系统和方法。

背景技术

飞行器结冰是飞行安全事故重大危险源之一，飞行器不同部件出现结冰对飞行器性能造成影响差异较大，因此，需要针对飞行器结冰及防除冰等相关问题展开研究。具体在飞行器结冰和防除冰研究中以飞行器发动机部件作为主要研究对象，通过进气模拟系统吸入大量气体助燃产生动力。

目前，研究发动机结冰问题或验证防除冰措施的最有效手段是结冰风洞试验，发动机的结冰风洞试验中不仅需要结冰风洞的动力系统、制冷系统、喷雾系统等基础系统，还需要能模拟发动机进气条件的抽气系统，多个系统共同工作以模拟发动机运行状态时的结冰环境。但由于不同发动机的结构差异较大，进而对于建设一旦完成之后难以更改的进气模拟系统，难以满足发动机进气入口面积较小情况下，对“小流量，大压损”进气模拟的需求。发动机模型进气入口面积较小，流量与压力损失之间为非线性正比关系，流量增大同时压损随着变化更大，要求抽气设备能适应较宽范围的压力损失。

现有技术中的进气模拟系统结构复杂，如申请人之前申请的中国发明专利202110778697.5中公开了一种进气模拟系统、进气模拟方法和空模型压损模拟方法，其中通过调节大离心风机和小离心风机的输出压升，并通过多个压力传感器调整进气模拟系统中的流量大小，即主要通过闭环压力控制实现对进气模拟系统流量和压损的双控制，但这种闭环压力控制方法中由于离心风机等压力控制装置的干扰，导致这种进气模拟系统整体的流量稳定性差。

综上所述，现有技术中存在的技术问题有：

1. 现有技术中的进气模拟系统难以满足发动机进气入口面积较小情况下对“小流量，大压损”进气模拟的需求，同时当进气模拟系统中需要“小流量”时，气流相对较容易受到管道上其他结构的影响，从而导致“小流量”的目标流量稳定性差；

2. 现有技术中的进气模拟系统结构复杂，主路管道中压力控制装置、流量控制装置的设置干扰主路管道中气体流量的内流程，导致主路管道上流量的大幅波动，严重影响了整体进气模拟系统的流量稳定性，影响了流场模拟结果的准确性。

发明内容

本发明的目的是提供结构简单、容易控制且流量稳定的一种进气模拟系统和方法。

本发明提供了一种进气模拟系统，包括抽气装置、主路管道、第一外部支路管道和流量计；

所述抽气装置包括N个抽气支路，第i号抽气支路与第i+1号抽气支路并联，每个抽气支路上均设置有开关阀和水环泵，第i号抽气支路上的开关阀和水环泵的序号同样记为i，第i号水环泵的最高转速小于第i+1号水环泵的最高转速，其中，i为抽气支路的序号，i= 1、2、3、...、N-1，N为抽气支路总个数；

所述主路管道的出气端与第一外部支路管道的进气端和所述抽气装置的进气端相连通，所述第一外部支路管道上设置有可调开关阀；

所述第一外部支路管道的进气端、所述抽气装置的出气端均与外部环境连通，所述主路管道的另一端与试验模型入口连接；

所述流量计设置于所述主路管道上。

进一步的，所述流量计为文丘里管流量计，所述文丘里管流量计沿气流方向依次设置有前段、喉道，所述前段和所述喉道上均设置有至少4个测压孔，所述前段通过所述测压孔连接前段环状测压管，所述喉道通过所述测压孔连接喉道环状测压管，所述前段环状测压管和所述喉道环状测压管均与流量计控制模块连接。

进一步的，所述流量计控制模块包括差压传感器和数据采集装置，所述数据采集装置分别与所述差压传感器和终端相连；所述水环泵包括控制器、驱动器和水环泵电机，所述控制器、所述驱动器和所述水环泵电机依次连接，所述控制器连接所述终端。

本发明还提供了一种进气模拟方法，所述进气模拟方法依次包括预备阶段和试验阶段，其中，预备阶段包括如下步骤：

步骤S10：布置所述进气模拟系统，并由目标流量值和目标压损值得到总目标转速；

步骤S20：根据总目标转速值选择相应转速区间的目标水环泵；

步骤S30：开启所述目标水环泵和相应的开关阀；

步骤S40：调整所述可调开关阀的开度，直至主路管道的流量值与目标流量值相同。

进一步的，步骤S20中，若总目标转速小于第1号水环泵的最低转速时，则目标水环泵为第1号水环泵；若总目标转速位于第A号水环泵的转速区间时，则目标水环泵为第A号水环泵，其中，A为目标水环泵的序号；若总目标转速大于第N个水环泵的最高转速时，则目标水环泵为j个水环泵，其中，j个水环泵为除第1号水环泵外的水环泵，j为整数且N-1≧j≧2，所述j个水环泵的最高转速之和大于总目标转速，j个水环泵的最高转速之和与j个水环泵中最高转速最小的水环泵的差值小于总目标转速。

进一步的，步骤S30中，当所述目标水环泵为第1号水环泵，且总目标转速小于第1号水环泵的最低转速时，开启第1号开关阀和第1号水环泵，控制第1号水环泵的转速为最低转速，直至流量计的流量值稳定。

进一步的，当A=1时，则开启第1号开关阀和第1号水环泵，控制第1号水环泵的转速为总目标转速，直至流量计的流量值稳定；当A≧2，计算第一分目标转速，其中，第一分目标转速为第A号水环泵的最高转速与总目标转速的差值，则开启第1号开关阀和第A号开关阀，开启第1号水环泵和第A号水环泵，控制第A号水环泵的转速为最高转速，控制第1号水环泵的转速与第一分目标转速相同，直至流量计的流量值稳定。

进一步的，当目标水环泵为j个水环泵时，计算第二分目标转速，其中，第二分目标转速为j个水环泵的最高转速之和与总目标转速的差值，开启第1号开关阀和j个开关阀，开启第1号水环泵和j个水环泵，控制j个水环泵的转速均为最高转速，控制第1号水环泵的转速与第二分目标转速相同，直至流量计的流量值稳定。

进一步的，所述j个水环泵由从所有水环泵中按照最高转速从大到小进行选择得到。

进一步的，在试验阶段，调整所述可调开关阀的开度和/或调整第1号水环泵的转速，直至流量计的流量值与目标流量值相同。

综上所述，本发明至少能够实现如下技术效果：

1. 本发明通过在第一外部支路管道上设置可调开关阀，实现了对主路管道流量的吸气分流，进而能够实现主路管道中的目标流量值小于所有水环泵中最低转速的流量值，满足了发动机进气入口面积较小情况下对“小流量，大压损”进气模拟的需求；

2. 本发明通过水环泵、开关阀、流量计的简单设置，避免了现有技术中离心风机、压力传感器、大小支路管道等其他设置，简化了装置，降低了成本，同时极大减少了其他装置对主路管道内流场的干扰，避免了主路管道上流量的大幅波动，提高了整体进气模拟系统的流量稳定性，提高了流场模拟的准确性；

3. 本发明通过多个水环泵并联，且第i水环泵的最高转速小于所述第i+1水环泵的最高转速，从而增加了进气模拟系统流量的范围，保证了大目标流量的实现，同时，通过可调开关阀对大目标流量下的流量值实现微调，在保证大目标流量情况下，也能够实现目标流量的精确调节和稳定；

4. 本发明通过在主路管道上设置流量计，控制使得试验模型进气入口的流量值达到目标流量，进而根据目标流量值得到压损值，再根据目标流量值和压损值匹配水环泵的理论工作曲线，从而选择合适流量的水环泵投入工作；

5. 本发明通过设置可调开关阀从而在总目标转速小于第1水环泵最低转速时，通过可调开关阀形成吸气分流，进而调整可调开关阀的开度使得主路管道流量的满足总目标转速；并且，在总目标转速位于第1水环泵转速区间时，仅通过将第一水环泵的转速运行至总目标转速，再通过调整可调开关阀的开度，从而实现对主路管道上流量的精确达到目标流量值，保证试验结果的真实性和有效性；

6. 本发明通过仿真计算得到目标流量值后，根据目标流量值得到目标压损值，再将目标流量值和目标压损值与水环泵的理论工作曲线进行匹配，进而获得总目标转速，通过选择不同的水环泵，调整水环泵的转速和可调开关阀的开度实现对主路管道中流量的调节，即通过水环泵和开关阀直接调整流量大小获得目标流量值和目标压损值，避免了现有技术中通过离心风机、压力传感器等其他装置的闭环压力控制而间接获得的目标流量，方法简单。

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是本发明中进气模拟系统包括两个水环泵的示意图；

图2是本发明中进气模拟系统包括三个水环泵的示意图；

图3是本发明中水环泵理论工作曲线；

图4是本发明中文丘里管的结构示意图；

图5是本发明中文丘里管的测压结构示意图；

图6是本发明中控制系统的示意图；

图7是本发明中进气模拟方法的流程图。

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、图2所示，本发明实施例1提供了一种进气模拟系统，包括抽气装置、主路管道、第一外部支路管道和流量计；

所述流量计设置于所述主路管道上。

如图2所示，当i≦3时，第1号水环泵为小转速水环泵，第2号水环泵为中转速水环泵，第3号水环泵为大转速水环泵，小转速水环泵、中转速水环泵与大转速水环泵相互并联，小转速水环泵的最高转速小于中转速水环泵的最高转速，中转速水环泵的最高转速小于大转速水环泵的最高转速。

通过在第一外部支路管道上设置可调开关阀，实现了对主路管道流量的吸气分流，进而能够实现主路管道中的目标流量值小于所有水环泵中最低转速的流量值，满足了发动机进气入口面积较小情况下对“小流量，大压损”进气模拟的需求。

通过多个水环泵并联，且第i水环泵的最高转速小于所述第i+1水环泵的最高转速，从而增加了进气模拟系统流量的范围，保证了大目标流量的实现，同时，通过可调开关阀对大目标流量下的流量值实现微调，在保证大目标流量情况下，也能够实现目标流量的精确调节和稳定。

在风洞试验中，所述试验模型位于风洞中。在试验中，所述外部环境为大气环境，即压力为一个大气压。如图3所示，水环泵的吸气流量主要与吸气压力和转速有关，通常水环泵的工作压力区间为50kPa以上，一个大气压以下；而水环泵的压差值为水环泵入口处的压力值与一个大气压的差值，当水环泵的压差值为45kPa左右时，水环泵吸气流量的变化相对较小。同时，对于“小流量、大压损”的发动机模型，流量与压力损失之间为非线性正比关系，此种发动机模型所需的压差范围较宽，而水环泵是一种具有较宽的压差抽气范围的设备，因此水环泵更加适于本发明的模拟进气系统。

通过水环泵、开关阀、流量计的简单设置，避免了现有技术中离心风机、压力传感器、大小支路管道等其他设置，简化了装置，降低了成本，同时极大减少了其他装置对主路管道内流场的干扰，避免了主路管道上流量的大幅波动，提高了整体进气模拟系统的流量稳定性，提高了流场模拟的准确性。

通过在主路管道上设置流量计，控制使得试验模型进气入口的流量值达到目标流量，进而根据目标流量值得到压损值，再根据目标流量值和压损值匹配水环泵的理论工作曲线，从而选择合适流量的水环泵投入工作。

文丘里管是一种差压式流量计，是一种用于测量流体压差的装置，是先收缩而后逐渐扩大的管道。文丘里管的结构示意图如图4和图5所示，沿气流方向依次包括前段、收缩段、喉道、扩张段、后段，测得前段和喉道处的静压差，再通过伯努利定理计算得到流量。

为提高流量计测量的准确性，在分别在前段管道和喉道管道垂直于管道轴向的截面处均匀开设多个静压孔，并多个静压孔分别与前段环状测压管和所述喉道环状测压管连接，前段环状测压管和所述喉道环状测压管再与流量计控制模块连接，进而获得压差值并计算得到测量流量值。多个静压孔的设置有助于平均管道径向不同位置的压力，通过平均压力值提高压力测量的准确性，同时，多个静压孔的设置还能够防止由于部分静压孔堵塞而导致的无法测量问题。

如图6所示，所述差压传感器用于测量前端管道与喉道管道之间的压差，并通过数据采集设备计算得到平均压差，再通过PC终端计算得到流量计所测量的流量值。所述驱动器控制所述水环泵电机的转速，所述控制器根据PC终端发出的指令控制所述驱动器。

实施例2：

如图7所示，本发明实施例2还提供了一种进气模拟方法，所述进气模拟方法依次包括预备阶段和试验阶段，其中，预备阶段包括如下步骤：

步骤S30：开启所述目标水环泵和相应的开关阀；

总目标转速由目标流量值、目标压损值和水环泵理论工作曲线（如图3所示）共同匹配得到。

水环泵通过内部叶轮旋转带动水旋转，从而在泵腔内壁形成水环。因此，要形成稳定的水环，叶轮满足最低转速，即水环泵中叶轮旋转至最低转速时，将形成最低流量。若总目标流量低于目标水环泵的最低流量时，只需打开并调节可调开关阀，通过第一外部支路管道引入吸气气流从而形成分流，即第一外部支路管道的吸气气流和进气入口气流之和与目标水环泵的最高转速和第一水环泵的目标转速之和相等。

通过设置可调开关阀从而在总目标转速小于第1号水环泵最小转速时，通过可调开关阀形成吸气分流，进而调整可调开关阀的开度使得主路管道流量的满足总目标转速；并且，在总目标转速位于第1号水环泵转速区间时，仅通过将第一水环泵的转速运行至总目标转速，再通过调整可调开关阀的开度，从而实现对主路管道上流量的精确达到目标流量值，保证试验结果的真实性和有效性。

实际进气模拟试验中，计算得到的目标流量值与系统中实际达到的目标流量值通常存在一定偏差，且计算得到的目标流量值小于系统中实际的目标流量值，因此为了使系统中实际的目标流量值更加接近于计算得到的目标流量值，本发明通过可调开关阀实现吸气分流，并控制吸气分流的流量，同时，调节第1号水环泵的转速，从而使得系统中实际的目标流量值无限接近于计算得到的目标流量值，进一步提高了流场试验和结冰试验结果的准确性。

所述目标流量值和和所述目标压损值均通过仿真计算获得。

通过仿真计算得到目标流量值后，根据目标流量值得到目标压损值，再将目标流量值和目标压损值与水环泵的理论工作曲线进行匹配，进而获得总目标转速，通过选择不同的水环泵，调整水环泵的转速和可调开关阀的开度实现对主路管道中流量的调节，即通过水环泵和开关阀直接调整流量大小获得目标流量值和目标压损值，避免了现有技术中通过离心风机、压力传感器等其他装置的闭环压力控制而间接获得的目标流量，方法简单。

当i≦4时，若总目标转速小于第1号水环泵的最低转速时，开启第1号开关阀和第1号水环泵，控制第1号水环泵的转速为最低转速；

若总目标转速位于第1号水环泵的转速区间时，开启第1号开关阀和第1号水环泵，控制第1号水环泵的转速为总目标转速；

若总目标转速位于第2号水环泵的转速区间时，开启第1号水环泵和第1号开关阀，同时开启第2号水环泵及相应支路第2号开关阀，控制第2号水环泵的转速为最高转速，控制第1号水环泵的转速与分目标转速相同；

若总目标转速大于第4号水环泵的最高转速时，此时目标水环泵至少为2个。具体的，当总目标转速与第4号水环泵最高转速和第3号水环泵最高转速之和的差值位于第1号水环泵的转速区间时，选择第4号水环泵和第3号水环泵为目标水环泵，此时j=2；此时，开启第1号开关阀和第1号水环泵，开启第4号水环泵和第3号水环泵，以及相应支路的第4号开关阀和第3号开关阀，控制2个目标水环泵的转速均为最高转速，控制第1号水环泵的转速与分目标转速相同。

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

1.一种进气模拟系统，其特征在于，包括抽气装置、主路管道、第一外部支路管道和流量计；

所述抽气装置包括N个抽气支路，第i号抽气支路与第i+1号抽气支路并联，每个抽气支路上均设置有开关阀和水环泵，第i号抽气支路上的开关阀和水环泵的序号同样记为i，第i号水环泵的最高转速小于第i+1号水环泵的最高转速，其中，i为抽气支路的序号，i=1、2、 3、...、N-1，N为抽气支路总个数；

所述流量计设置于所述主路管道上。

2.如权利要求1所述的一种进气模拟系统，其特征在于，所述流量计为文丘里管流量计，所述文丘里管流量计沿气流方向依次设置有前段、喉道，所述前段和所述喉道上均设置有至少4个测压孔，所述前段通过所述测压孔连接前段环状测压管，所述喉道通过所述测压孔连接喉道环状测压管，所述前段环状测压管和所述喉道环状测压管均与流量计控制模块连接。

3.如权利要求2所述的一种进气模拟系统，其特征在于，所述流量计控制模块包括差压传感器和数据采集装置，所述数据采集装置分别与所述差压传感器和终端相连；所述水环泵包括控制器、驱动器和水环泵电机，所述控制器、所述驱动器和所述水环泵电机依次连接，所述控制器连接所述终端。

4.一种进气模拟方法，其特征在于，所述进气模拟方法依次包括预备阶段和试验阶段，其中，预备阶段包括如下步骤：

步骤S10：布置权利要求1-3任一项所述的进气模拟系统，并由目标流量值和目标压损值得到总目标转速；

步骤S30：开启所述目标水环泵和相应的开关阀；

5.如权利要求4所述的一种进气模拟方法，其特征在于，步骤S20中，若总目标转速小于第1号水环泵的最低转速时，则目标水环泵为第1号水环泵；若总目标转速位于第A号水环泵的转速区间时，则目标水环泵为第A号水环泵，其中，A为目标水环泵的序号；若总目标转速大于第N个水环泵的最高转速时，则目标水环泵为j个水环泵，其中，j个水环泵为除第1号水环泵外的水环泵，j为整数且N-1≧j≧2，所述j个水环泵的最高转速之和大于总目标转速，j个水环泵的最高转速之和与j个水环泵中最高转速最小的水环泵的差值小于总目标转速。

6.如权利要求4所述的一种进气模拟方法，其特征在于，步骤S30中，当所述目标水环泵为第1号水环泵，且总目标转速小于第1号水环泵的最低转速时，开启第1号开关阀和第1号水环泵，控制第1号水环泵的转速为最低转速，直至流量计的流量值稳定。

7.如权利要求5所述的一种进气模拟方法，其特征在于，当A=1时，则开启第1号开关阀和第1号水环泵，控制第1号水环泵的转速为总目标转速，直至流量计的流量值稳定；当A≧ 2，计算第一分目标转速，其中，所述第一分目标转速为第A号水环泵的最高转速与总目标转速的差值，则开启第1号开关阀和第A号开关阀，开启第1号水环泵和第A号水环泵，控制第A号水环泵的转速为最高转速，控制第1号水环泵的转速与第一分目标转速相同，直至流量计的流量值稳定。

8.如权利要求5所述的一种进气模拟方法，其特征在于，当目标水环泵为j个水环泵时，计算第二分目标转速，其中，所述第二分目标转速为j个水环泵的最高转速之和与总目标转速的差值，开启第1号开关阀和j个开关阀，开启第1号水环泵和j个水环泵，控制j个水环泵的转速均为最高转速，控制第1号水环泵的转速与第二分目标转速相同，直至流量计的流量值稳定。

9.如权利要求5所述的一种进气模拟方法，其特征在于，所述j个水环泵由从所有水环泵中按照最高转速从大到小进行选择得到。

10.如权利要求4-9任一项所述的一种进气模拟方法，其特征在于，在试验阶段，调整所述可调开关阀的开度和/或调整第1号水环泵的转速，直至流量计的流量值与目标流量值相同。