CN114414195A - 行星大气声探测研究用真空实验装置及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种行星大气声探测研究用真空实验装置，包括真空罐和风洞结构，真空罐包括罐体和端盖，罐体和端盖的内侧敷设有保温层，罐体的保温层的内侧设有第一热屏蔽层，端盖的保温层的内侧设有第二热屏蔽层，第二热屏蔽层罩扣于第一热屏蔽层的端部，第一热屏蔽层内侧设热沉，风洞结构设置在罐体内包括依次连接的进风收缩段、试验仓段和风机段，外侧与热沉之间构成循环回流风道，进风收缩段的入口设有将循环回流风道的气流导入的前导流盖，风机段的出口设有后导流盖，前导流盖与循环回流风道的交界处设有环状翅片换热器，环状翅片换热器包括若干介质环管，介质环管表面设有翅片。本发明达到了正负压环境下‑173℃的风洞气流环境温度。
Description
技术领域
本发明涉及一种风洞装置，特别是涉及一种行星大气声探测研究用真空实验装置及系统。
背景技术
行星大气声探测研究是在空间科学行星探索中开展声信号的探测与分析，通过模拟行星大气的压力、温度、气体成分、风速、声学环境条件，深入探究大气环境、研究行星气候规律、探索生命活动等。现有的具有风洞结构的真空罐如公开号为CN110567668A的中国专利中的技术方案，在真空罐内设置低压结冰风洞、水喷雾喷嘴阵列、蜂窝器、蒸发器等，其目的是模拟高海拔100km内的低温低压环境，而行星大气声探测研究中，环境温度要求低至-173℃以下，气压在100Pa至2atm范围内变化，而显然上述现有技术的真空罐风洞结构，其风洞产生的气流与真空罐罐体形成热传导，因此内部环境无法达到上述要求。
发明内容
针对上述现有技术的缺陷，本发明提供了一种行星大气声探测研究用真空实验装置，解决风洞在真空罐内形成的气流导致与真空罐罐体热传导而难以使温度达到-173℃以下的问题。本发明还提供一种行星大气声探测研究用真空实验系统。
本发明技术方案如下：一种行星大气声探测研究用真空实验装置，包括真空罐和风洞结构，所述真空罐包括罐体和端盖，所述罐体和所述端盖的内侧敷设有保温层，所述罐体的保温层的内侧设有第一热屏蔽层，所述端盖的保温层的内侧设有第二热屏蔽层，所述第二热屏蔽层的周向设有翻边，所述翻边直径大于所述第一热屏蔽层的直径，所述第二热屏蔽层罩扣于所述第一热屏蔽层的端部，所述第一热屏蔽层内侧设有热沉，所述风洞结构设置在所述罐体内，所述风洞结构包括依次连接的进风收缩段、试验仓段和风机段，所述风洞结构的外侧与所述热沉之间构成循环回流风道，所述进风收缩段的入口设有将所述循环回流风道的气流导入所述进风收缩段的前导流盖，所述风机段的出口设有将气流导入所述循环回流风道的后导流盖，所述前导流盖与所述循环回流风道的交界处设有环状翅片换热器，所述环状翅片换热器包括若干围绕所述进风收缩段设置的介质环管，所述介质环管表面设有翅片。
进一步地，所述前导流盖的外缘与所述热沉之间以及所述后导流盖的外缘与所述热沉之间均设有密封环。密封环的设置可以进一步减少风洞结构形成的气流循环与真空罐内其他部位间的气体对流，提高控温效果。
进一步地，所述前导流盖和所述后导流盖内设有若干层叠设置的导流片，相邻的所述导流片之间构成气流通道。导流片的设置使得经过热沉换热后的气流及风机段排出的气流在转向时减少乱流的产生，降低从导流端盖处产生的热交换。
进一步地，所述前导流盖形成的每个所述气流通道的入口设有一个环状翅片换热器的介质环管。在每个气流通道入口设置的介质环管更有利于对流入进风收缩段的气流进行快速降温，使各气流通道内气流温度更为均匀。
进一步地，所述保温层为聚四氟乙烯发泡板。该材料既可以达到低温保温性能，减少通过真空罐的管壁的热量交换，同时又能满足真空环境无油要求。
进一步地，所述热沉和所述介质环管内通入液氮或氮气控温。
本发明的另一技术方案为：
一种行星大气声探测研究用真空实验系统，包括上述行星大气声探测研究用真空实验装置、抽气系统和充气系统，所述抽气系统与所述真空罐罐体连接从所述真空罐罐内抽气，所述充气系统与所述真空罐罐体连接向所述真空罐罐内充气。
本发明所提供的技术方案的优点在于：
由热沉构成循环回流风道的一侧，使回流气流直接与热沉通过对流和辐射双重热交换达到快速降温的目的，在前导流端盖处设置环状翅片换热器使气流在进入风洞时进一步控制温度稳定达到要求。本发明结合热屏蔽罩扣结构和前后导流端盖结构，尽可能减少了真空罐内非风洞结构部分的气流流动，减少了通过真空罐罐体的热交换。未使用真空绝热夹套，在保证制造成本较低的前提下达到了-173℃的风洞气流环境温度。
附图说明
图1是实施例的行星大气声探测研究用真空实验系统结构示意图。
图2是实施例的行星大气声探测研究用真空实验装置示意图。
图3是第一热屏蔽层和第二热屏蔽层结合处局部示意图。
图4是环状翅片换热器结构示意图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本说明之后，本领域技术人员对本说明的各种等同形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围内。
实施例，请结合图1所示，本实施例的行星大气声探测研究用真空实验系统包括行星大气声探测研究用真空实验装置以及抽气系统1和充气系统2，行星大气声探测研究用真空实验装置主要包括真空罐3以及设置在真空罐3内的风洞结构。抽气系统1配置有多个并联的低温泵101、分子泵102和罗茨泵103，然后连接有前级抽气机组104和粗抽机组105，抽气系统1与真空罐3的罐体301连接从真空罐3的罐内抽气，抽气系统1具体的管路连接结构与现有技术相同，不再赘述。充气系统2一般包括多个与真空罐3连接的充气阀，各种需要的气源连接于充气阀向真空罐3内充气。
请结合图2至图4所示，行星大气声探测研究用真空实验装置包括真空罐3和风洞结构，真空罐3包括罐体301和端盖302，在罐体301和端盖302的内侧敷设有保温层4，保温层4采用聚四氟乙烯发泡板，材料既可以达到低温保温性能又能满足真空无油的要求。在罐体301的保温层4的内侧设有第一热屏蔽层5，第一热屏蔽层5呈筒状，端盖302的保温层4的内侧设有第二热屏蔽层6，第二热屏蔽层6一般设置为略带弧度的圆盘状，与端盖302之间留出空间。第一热屏蔽层5和第二热屏蔽层6采用镜面抛光不锈钢板制成。在第二热屏蔽层6的周向设有翻边601，翻边601直径大于第一热屏蔽层5的直径，当真空罐3的端盖302与罐体301盖合时，第二热屏蔽层6罩扣于第一热屏蔽层5的端部，两者连接处形成较小的间隙一方面在对真空罐3内进行抽真空或充气时，保证真空罐3内各处的连通，另一方面，罐体301内的风洞结构产生的气流在这个连接处不容易对热屏蔽层5,6与罐体301之间的气体产生扰动，可以减少内部气流与真空罐3罐壁的热交换，以保证内部气流可以达到较低的温度。
在罐体301内，位于第一热屏蔽层5内侧设有热沉7，热沉7也构成筒状，应当指出的是图2中为了能够展示风洞结构的气流通道，热沉7仅示出了上半部分。风洞结构设置在罐体301位于热沉7构成的筒状结构内。风洞结构包括依次连接的进风收缩段8、试验仓段9和风机段10，风洞结构的外侧与热沉7之间构成循环回流风道11，也就是说，风洞结构中由风机段10引出的气流从风洞结构的外侧与热沉7之间的循环回流风道11回到进风收缩段8外侧，然后进入进风收缩段8，经过试验仓段9后再从风机段10引出形成循环流动。进风收缩段8的入口设有将循环回流风道11的气流导入进风收缩段8的前导流盖12，风机段10的出口设有将气流导入循环回流风道11的后导流盖13，前导流盖12和后导流盖13内都设有若干层叠设置的导流片14，每个导流片14都为环形槽状构造，相邻的导流片14之间构成气流通道。经过前导流盖12和后导流盖13对气流的引导，在循环回流风道11内，靠近热沉7的气流更多地被导入至进风收缩段8的中心，而靠近风洞结构的气流更多地被导入至进风收缩段8的边缘，前导流盖12的外缘与热沉7之间以及后导流盖13的外缘与热沉7之间均设有密封环15。由此使得风洞结构内部空间与真空罐3内空间产生一定的隔绝，应当指出的是，这种隔绝并不能形成严格意义上的真空密封，也就是不会影响真空罐3内整体的抽真空或充气，但是可以阻碍大部分风洞产生的气流外泄至真空罐3内，从而形成更多的热交换而破坏低温环境。导流片14的设置使得经过热沉7换热后的气流及风机段10排出的气流在转向时减少乱流的产生，降低从导流端盖12,13处产生的热交换。为了保证进入进风收缩段8的气流的温度能够达到最低且气流温度均匀，前导流盖12与循环回流风道11的交界处设有环状翅片换热器16，请结合图4所示，环状翅片换热器16包括若干围绕进风收缩段8设置的介质环管1601，介质环管1601表面设有翅片1602。这些介质环管1601呈同心圆分布，使前导流盖12形成的每个气流通道的入口设有一个环状翅片换热器16的介质环管1601。所有的介质环管1601的直径端的一端连通形成入口1603，另一端则形成出口1604，在热沉7内以及介质环管1601内通入低温的液氮或者高温的氮气从而对真空罐3内温度进行调节。
行星大气声探测研究用真空实验系统的低温控制过程是这样的，真空罐3先通过抽气系统1抽真空，然后在真空条件下向热沉7和介质环管1601通入液氮，开启热沉7制冷和环状翅片换热器16制冷，将热沉7和环状翅片换热器16快速降温至-173℃以下，使风洞结构进行快速预冷。然后再由充气系统2充入行星大气组分气体至所需气压，再开启风洞循环，在热沉7和环状翅片换热器16的共同作用下实现风洞内部试验段温度-173℃要求。
Claims (7)
1.一种行星大气声探测研究用真空实验装置，包括真空罐和风洞结构，其特征在于，所述真空罐包括罐体和端盖，所述罐体和所述端盖的内侧敷设有保温层，所述罐体的保温层的内侧设有第一热屏蔽层，所述端盖的保温层的内侧设有第二热屏蔽层，所述第二热屏蔽层的周向设有翻边，所述翻边直径大于所述第一热屏蔽层的直径，所述第二热屏蔽层罩扣于所述第一热屏蔽层的端部，所述第一热屏蔽层内侧设有热沉，所述风洞结构设置在所述罐体内，所述风洞结构包括依次连接的进风收缩段、试验仓段和风机段，所述风洞结构的外侧与所述热沉之间构成循环回流风道，所述进风收缩段的入口设有将所述循环回流风道的气流导入所述进风收缩段的前导流盖，所述风机段的出口设有将气流导入所述循环回流风道的后导流盖，所述前导流盖与所述循环回流风道的交界处设有环状翅片换热器，所述环状翅片换热器包括若干围绕所述进风收缩段设置的介质环管，所述介质环管表面设有翅片。
2.根据权利要求1所述的行星大气声探测研究用真空实验装置，其特征在于，所述前导流盖的外缘与所述热沉之间以及所述后导流盖的外缘与所述热沉之间均设有密封环。
3.根据权利要求1所述的行星大气声探测研究用真空实验装置，其特征在于，所述前导流盖和所述后导流盖内设有若干层叠设置的导流片，相邻的所述导流片之间构成气流通道。
4.根据权利要求3所述的行星大气声探测研究用真空实验装置，其特征在于，所述前导流盖形成的每个所述气流通道的入口设有一个环状翅片换热器的介质环管。
5.根据权利要求1所述的行星大气声探测研究用真空实验装置，其特征在于，所述保温层为聚四氟乙烯发泡板。
6.根据权利要求1所述的行星大气声探测研究用真空实验装置，其特征在于，所述热沉和所述介质环管内通入液氮或氮气控温。
7.一种行星大气声探测研究用真空实验系统，其特征在于：包括权利要求1至6中任意一项所述的行星大气声探测研究用真空实验装置、抽气系统和充气系统，所述抽气系统与所述真空罐的罐体连接从所述真空罐罐内抽气，所述充气系统与所述真空罐的罐体连接向所述真空罐罐内充气。
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