CN114018537A - 基于空间立体丝线阵列的风洞内流场状态检测装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于空间立体丝线阵列的风洞内流场状态检测装置和方法，装置包括与风洞直径相同的两个圆环，两个圆环垂直于风洞轴线放置于风洞中，两个圆环之间由数根杆相连，相同水平高度的两个杆间连接有若干塑料支撑线，每一根支撑线上固定有用于检测流场的丝线。本发明可为风洞内流场探测实验等提供可靠的立体的非接触式检测方法，对飞行器的研制和流场的探测具有重要意义。
Description
技术领域
本发明属于流场检测领域，特别涉及了一种风洞内流场状态检测技术。
背景技术
大部分超音速运输机(SST)是三角翼形状的，采用三角翼的优点是具有较小的正面投影面积，大大减少阻力。然而，三角翼飞机的机翼绕流非常复杂，很难用数值方法求解其流场状况，需要更多的研究来验证其复杂性。大量研究表明，从机翼顶点开始，在一定的弦向位置，初级涡开始产生。从这个位置到顶点的上游，气流是附着的。当攻角增大时，涡的起始点向上游移动，并且涡会变得更强，从而使其从机翼表面升空。然而，攻角的过大会引起非定常流动，这种情况会导致涡流的突然崩溃，导致强度下降。这种现象被称为涡破裂，类似于传统机翼的失速条件。涡破裂会降低飞机纵向静稳定性和升力。因此，对三角翼飞机的流场的检测非常的重要。
目前常用的检测流场的方法分为示踪法和光学法，其中示踪法包括丝线法、油流法、升华法、烟流法和蒸汽屏法等，光学法包括阴影仪、纹影仪、干涉仪和全息照相装置等，但这些方法均具有一个共同的缺点——无法对不透明的内部状态苛刻的密闭管道内进行检测。
正电子湮灭技术是一种利用核素衰变产生的正电子与电子湮灭得到γ光子对，通过探测γ光子对进行三维成像的技术。将低活度、短半期核素标记的液体注入工业件内部，探测器捕获湮灭产生的γ光子，由数据重组和图像重建得到放射性物质的分布及图像。正电子湮灭产生的γ光子对具有稳定的方向和能量特性，不受电场、磁场、温度等外界环境变化的影响，能穿透密度较大的金属及其它材料，这使得PET技术在工业无损检测方面呈现出独特的优势。
随着科学技术的进步和经济的发展，许多领域(特别是石油化工、航空等)对高性能的流体机械需求越来越迫切。为了设计出高性能的流体机械，传统的设计方法已无法满足需要，必须采用现代设计理论和方法。例如观察风洞中物体模型对气流的扰动，传统方法是在物体表面粘贴丝线，然后使用高速CCD相机拍照检测。但当风洞中压强过大时，风洞试验段的玻璃管存在破裂的危险，此时无法使用高速CCD相机从试验段拍照；并且如果使用常规的相机进行拍照，往往需要在试验段开窗，而这在某些实验条件下是无法满足；并且传统的丝线法将丝线粘贴于工业件的表面的方法仅可以探测被测物表面的流场，对稍远的空间无法有效的检测。
发明内容
为了解决上述背景技术提到的技术问题，本发明提出了基于空间立体丝线阵列的风洞内流场状态检测装置和方法。
为了实现上述技术目的，本发明的技术方案为：
基于空间立体丝线阵列的风洞内流场状态检测装置，包括与风洞直径相同的两个圆环，两个圆环垂直于风洞轴线放置于风洞中，两个圆环之间由数根杆相连，相同水平高度的两个杆间连接有若干塑料支撑线，每一根支撑线上固定有用于检测流场的丝线，被测物体置于该检测装置内部。
进一步地，两个圆环的间隔距离d由被测物体沿风洞轴向的长度L决定，d-L≥20cm。
进一步地，杆的两端连接于两个圆环的相同位置，且与风洞的轴向平行，各杆呈对称分布，杆的数量由风洞的直径决定。
进一步地，支撑线与水平面平行，而与杆垂直，相邻支撑线的距离为15mm，其数量由被测物体沿风洞轴向的长度决定。
进一步地，丝线一端粘贴于支撑线，另一端为自由端，丝线间隔距离为15mm，其数量由被测物体沿风洞径向的尺寸决定。
进一步地，所述被测物体为三角翼飞机模型。
基于空间立体丝线阵列的风洞内流场状态检测方法，基于上述的检测装置，包括以下步骤：
(1)制备具有活度的正电子核素，标记于载体溶剂上后均匀涂抹在所述丝线上；
(2)将所述检测装置固定于风洞内，将被测物体置于检测装置内，将γ光子探测器安装在风洞周围，保证被测物体位于γ光子探测器的有效视野内，同时保证丝线能够真实的接受到气流；
(3)气流流过检测装置，丝线阵列反映出流场的特征，γ光子探测器对γ光子符合事件数据进行记录，得到风洞内流场状态的三维图像。
进一步地，在步骤(1)中，正电子核素的活度根据丝线阵列的密度决定，单位体积丝线上的核素活度不小于2.5μCi/mm3。
进一步地，在步骤(3)中，气流流过被测物体，被测物体周围的丝线阵列随气流飘动，并维持短暂稳定状态，此时丝线上的正电子会与周围的电子发生碰撞并湮灭产生一对γ光子，γ光子探测器把符合判断标准的γ光子信息记录下来，得到风洞内流场状态的三维图像。
进一步地，气流流过被测物体时，丝线上的正电子会与周围的电子发生碰撞并湮灭产生一对能量为511keV、方向互成180°的γ光子。
采用上述技术方案带来的有益效果：
传统的丝线法将丝线粘贴于被测物的表面，这可能会破坏被测物的本身的物理结构和特性，影响实验的准确性，并且无法探测到距离被测物一定距离的流场；本发明利用γ光子强大的穿透性对丝线法进行改进，使得对风洞内被测模型周围整个空间的流场探测成为可能，大大扩展了丝线法的测量范围与准确性。
附图说明
图1为装置中圆环和杆的示意图；
图2为装置中某一杆组的支撑线与丝线示意图；
图3为检测方法流程图；
图4为三角翼飞机模型示意图；
图5为测量过程示意图。
具体实施方式
以下将结合附图，对本发明的技术方案进行详细说明。
本发明设计了基于空间立体丝线阵列的风洞内流场状态检测装置，如图1所示，其中(a)是装置立体图，(b)是装置俯视图，与风洞直径相同为30cm的两个圆环1、2，两个圆环可以恰好放置于风洞中，且两个圆环的间隔距离为40cm。两个圆环由间数根杆相连，杆的两端连接于两个圆环的相同的位置，共有12根杆，即3-14，杆与风洞的轴向平行杆，且呈左右与上下的对称分布，相同水平高度的杆组成一组，即3/8、4/7 5/6、9/14、10/13、11/12，且分为上下两部分，每个部分的三组杆间的竖直距离为15mm，而杆组3/8与9/14的竖直距离为30mm，此空间用于放置被测物体。
如图2所示的杆组3/8，15是支撑线，16是丝线。每组杆间会连接支撑线15(此图中仅取杆组3/8)，支撑线与水平面平行，与杆垂直，相邻支撑线的距离为15mm左右，为了使支撑线能覆盖整个模型，在此取6根支撑线，且支撑线的材料为较硬的塑料。每一根支撑线上固定有丝线16，丝线一段粘贴于支撑线，另一端为自由端，丝线间隔距离为15mm，丝线应尽量设置于模型周围。
丝线的长度在10-15mm左右，直径应小于1mm，否则会影响后面的成像，采用棉这种能随风飘动的较软的材料，并且为了保证丝线能吸附足够多的带核素的水，在实验前应对丝线进行脱脂处理。丝线的固定方式有两种：一种是将丝线栓在支撑线上，然后在支撑线上贴上细胶条，保证丝线在实验过程中的稳定。另一种是直接用胶水将丝线粘贴于支撑线上。
如图3所示，利用上述检测装置的风洞内流场状态检测方法，包括如下步骤：
本发明实施例中被测物为三角翼飞机模型，具体结构如图4所示，其中(a)是俯视图，(b)为主视图。飞机模型与风洞的轴向呈27°夹角。
步骤1，制备一定活度的正电子核素，将其标记于载体溶剂上后均匀涂抹在丝线上；
将载体溶剂与具有活度的正电子核素充分混合。然后将丝线在其中充分浸润，或是直接将混合溶液涂覆与丝线上，得到被核素标记的丝线，其中正电子核素由医用回旋加速器制备得到。
正电子核素活度应根据丝线阵列的密度决定，被测物体单位体积丝线上的核素活度不小于2.5μCi/mm3。
本实施例中，选用棉线作为固定于被测物体表面上的丝线，载体溶剂选用水，将正电子核素标记于水上后均匀涂抹在棉线上，随后静置短暂时间，保证棉线上的液体变干。
步骤2，将被测物体放置在检测装置内，然后将γ光子探测器设置在风洞的外围，并保证被测物体位于γ光子探测器的有效视野内，同时保证丝线能够真实的接受到密闭腔体内的气流。
如图5所示，其中(a)是整个检测系统的立体图；(b)是侧视图。图中17是γ光子探测器，18是风洞，19是放置的三角翼飞机模型。实施例中密闭腔体为小型低速风洞，被测物体为三角翼飞机模型，进行测量风洞内流场状态。将模型置于风洞中，然后将γ光子探测器设置在小型低速风洞外围，并保证进气道模型位于γ光子探测器的有效视野内。
在本实施例中，γ光子探测器采用圆环式套设在小型低速风洞试验段的外围，用来接收γ光子符合事件数据。
步骤3，气流通过被测物体，被测物体周围的丝线阵列随气流飘动，丝线的方向与气流的方向一致，并维持短暂稳定状态，不同位置的丝线就反映了不同位置气流的瞬时流向，整个丝线阵列也就反映了被测物体周围风洞空间的流场状况。此时丝线上带有放射性示踪原子的液体，示踪原子核发生衰变时发射出正电子，正电子会飞行了一段的距离后与周围的电子发生碰撞并湮灭产生两个方向相反、能量为511keV、方向互成180°的γ光子，γ光子探测器把符合判断标准的γ光子信息记录下来形成一个计数，由此记录下一个γ光子符合事件数据，在获得大量的事例后，通过一系列的数据重组，得到被测物体表面流场状态的三维图像，即为密闭腔体内流场状态的三维图像。可以获得放射性物质在此空间的分布情况，又由于放射性物质从附着于丝线上，放射性物质的分布的情况即可以反映丝线的状况，进一步检测风洞内的流场状况。
综上，本发明实施例的丝线阵列是个立体的网格结构，传统的丝线法无法探测风洞密闭空间模型周围的大范围流场情况，但使用空间立体丝线阵列的流场状态检测的方法可以检测其立体的流场状况。说明了本发明可以应用于任意模型在密闭空间内的立体流场的检测。
实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。
Claims (10)
1.基于空间立体丝线阵列的风洞内流场状态检测装置，其特征在于：包括与风洞直径相同的两个圆环，两个圆环垂直于风洞轴线放置于风洞中，两个圆环之间由数根杆相连，相同水平高度的两个杆间连接有若干塑料支撑线，每一根支撑线上固定有用于检测流场的丝线，被测物体置于该检测装置内部。
2.根据权利要求1所述基于空间立体丝线阵列的风洞内流场状态检测装置，其特征在于：两个圆环的间隔距离d由被测物体沿风洞轴向的长度L决定，d-L≥20cm。
3.根据权利要求1所述基于空间立体丝线阵列的风洞内流场状态检测装置，其特征在于：杆的两端连接于两个圆环的相同位置，且与风洞的轴向平行，各杆呈对称分布，杆的数量由风洞的直径决定。
4.根据权利要求1所述基于空间立体丝线阵列的风洞内流场状态检测装置，其特征在于：支撑线与水平面平行，而与杆垂直，相邻支撑线的距离为15mm，其数量由被测物体沿风洞轴向的长度决定。
5.根据权利要求1所述基于空间立体丝线阵列的风洞内流场状态检测装置，其特征在于：丝线一端粘贴于支撑线，另一端为自由端，丝线间隔距离为15mm，其数量由被测物体沿风洞径向的尺寸决定。
6.根据权利要求1所述基于空间立体丝线阵列的风洞内流场状态检测装置，其特征在于：所述被测物体为三角翼飞机模型。
7.基于空间立体丝线阵列的风洞内流场状态检测方法，其特征在于，基于如权利要求1-6中任一项所述的检测装置，包括以下步骤：
(1)制备具有活度的正电子核素，标记于载体溶剂上后均匀涂抹在所述丝线上；
(2)将所述检测装置固定于风洞内，将被测物体置于检测装置内，将γ光子探测器安装在风洞周围，保证被测物体位于γ光子探测器的有效视野内，同时保证丝线能够真实的接受到气流；
(3)气流流过检测装置，丝线阵列反映出流场的特征，γ光子探测器对γ光子符合事件数据进行记录，得到风洞内流场状态的三维图像。
8.根据权利要求6所述基于空间立体丝线阵列的风洞内流场状态检测方法，其特征在于，在步骤(1)中，正电子核素的活度根据丝线阵列的密度决定，单位体积丝线上的核素活度不小于2.5μCi/mm3。
9.根据权利要求6所述基于空间立体丝线阵列的风洞内流场状态检测方法，其特征在于，在步骤(3)中，气流流过被测物体，被测物体周围的丝线阵列随气流飘动，并维持短暂稳定状态，此时丝线上的正电子会与周围的电子发生碰撞并湮灭产生一对γ光子，γ光子探测器把符合判断标准的γ光子信息记录下来，得到风洞内流场状态的三维图像。
10.根据权利要求9所述基于空间立体丝线阵列的风洞内流场状态检测方法，其特征在于，气流流过被测物体时，丝线上的正电子会与周围的电子发生碰撞并湮灭产生一对能量为511keV、方向互成180°的γ光子。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20220208 |
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