CN114739622A - 一种结霜实验装置及应用 - Google Patents

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颜少航
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Abstract

本申请属于观测设备技术领域，特别是涉及一种结霜实验装置及应用。现有测量装置不能直接观测超音速下霜层表面流场特性及激波对霜层的影响，没有合适的模型来预测结霜量。本申请提供了一种结霜实验装置，包括纹影产生机构、高速风道和控温机构，所述纹影产生机构包括光源组件和纹影观测组件，所述光源组件设置于所述高速风道一侧，所述纹影观测组件设置于所述高速风道另一侧，所述控温机构设置于所述高速风道内，所述高速风道中的高速气流经过所述控温机构时，由于流通截面面积发生变化，使得气流在所述控温机构处能够达到超音速状态。可以直观有效地观测超音速下霜层表面流场特性及激波对霜层的影响。

Description

一种结霜实验装置及应用
技术领域
本申请属于观测设备技术领域，特别是涉及一种结霜实验装置及应用。
背景技术
随着航空航天工业的发展，机翼的结霜特性及除霜技术被广泛地关注。目前，利用低温风洞技术对飞机的飞行状态进行模拟，来观测机翼的结霜及除霜特性是主要的测试手段。飞行器以超音速飞行时，扰动来不及传到飞行器的前面去，前面的气体受到压缩，形成集中的强扰动，这时出现一个压缩过程的界面，即为激波。经过激波气体密度会产生较大的突变。激波对气体的热物理性能有一定的影响。而超音速下激波对结霜的影响，目前的研究还不够深入。
现有测量装置不能直接观测超音速下霜层表面流场特性及激波对霜层的影响，没有合适的模型来预测结霜量。
发明内容
1.要解决的技术问题
基于现有测量装置不能直接观测超音速下霜层表面流场特性及激波对霜层的影响的问题，本申请提供了一种结霜实验装置及应用。
2.技术方案
为了达到上述的目的，本申请提供了一种结霜实验装置，包括纹影产生机构、高速风道和控温机构，所述纹影产生机构包括光源组件和纹影观测组件，所述光源组件设置于所述高速风道一侧，所述纹影观测组件设置于所述高速风道另一侧，所述控温机构设置于所述高速风道内，所述高速风道中的高速气流经过所述控温机构时，由于流通截面面积发生变化，使得气流在所述控温机构处能够达到超音速状态。
本申请提供的另一种实施方式为：所述光源组件包括依次排列的光源和第一反光镜，所述光源与所述第一反光镜之间设置有第一凹面镜，所述纹影观测组件包括依次排列的第二反光镜、刀片和高速摄像机，所述刀片与所述高速摄像机之间设置有第二凹面镜；所述光源发出的光经所述第一反光镜反射至所述第一凹面镜穿过所述高速风道后，经过所述第二凹面镜反射至第二反光镜后经过刀片在所述高速摄像机上形成明暗相间的纹影。
本申请提供的另一种实施方式为：所述高速风道采用透明材质制成，所述光源组件发出的光穿过所述高速风道到达所述纹影观测组件。
本申请提供的另一种实施方式为：所述控温机构包括相互连接的空腔球体和充注排出管路，所述充注排出管路包括气体充注排出管和液体充注排出管，所述气体充注排出管与所述空腔球体连通，所述液体充注排出管伸入所述空腔球体内部。
本申请提供的另一种实施方式为：所述充注排出管路与支撑组件连接，。
本申请提供的另一种实施方式为：所述支撑组件包括底座，所述底座通过若干流道支承架与所述高速风道连接，所述底座上设置有支撑台，所述充注排出管路设置于所述支撑台上。
本申请提供的另一种实施方式为：所述高速风道为圆柱形流道。
本申请还提供一种对所述的结霜实验装置的应用，可对流道中的空腔球体偏心布置，将所述装置用于观测不同流速状态下霜层表面流场特性及激波对霜层的影响。
本申请提供的另一种实施方式为：所述装置应用于结霜实验或者融霜实验。
3.有益效果
与现有技术相比，本申请提供的结霜实验装置的有益效果在于：
本申请提供的结霜实验装置，为一种超音速流场中观测物体结霜与融霜特性的实验装置。
本申请提供的结霜实验装置，利用纹影法可以直观有效地观测超音速下霜层表面流场特性及激波对霜层的影响。
本申请提供的结霜实验装置，可测量前后压差等参数，拟合霜层的经验关联式、形成对应关系，进而达到可通过压差反向推算入口气流水蒸气含量的功能。
附图说明
图1是本申请的结霜实验装置结构示意图；
图2是本申请的纹影产生机构结构示意图；
图3是本申请的结霜实验装置局部结构示意图；
图4是本申请的控温机构局部结构示意图。
具体实施方式
在下文中，将参考附图对本申请的具体实施例进行详细地描述，依照这些详细的描述，所属领域技术人员能够清楚地理解本申请，并能够实施本申请。在不违背本申请原理的情况下，各个不同的实施例中的特征可以进行组合以获得新的实施方式，或者替代某些实施例中的某些特征，获得其它优选的实施方式。
纹影法是一种常用的光学观测方法。其基本原理，是利用光在被测流场中的折射率梯度正比于流场的气流密度进行测量。通过被测流场的光，在经过高速摄像机前刀片时，密度大的区域因为偏折大被刀口挡住，在屏幕上呈现暗纹，密度小的区域因为偏折小未被挡住，在屏幕上呈现亮纹。
参见图1～4，本申请提供一种结霜实验装置，包括纹影产生机构、高速风道和控温机构，所述纹影产生机构包括光源组件和纹影观测组件，所述光源组件设置于所述高速风道一侧，所述纹影观测组件设置于所述高速风道另一侧，所述控温机构设置于所述高速风道内，所述高速风道中的高速气流经过所述控温机构的空腔球体9时，由于流通截面面积发生变化，使得气流在所述空腔球体9最大半径处能够达到超音速状态。高速风道和空腔球体9相互配合达到缩放喷管的效果，使气流通过空腔球体9时可达到超音速状态。
气体流过被测物体(控温机构)时，由于流道面积的改变，在被测物体的最大径向半径处使其速度达到音速，风道内的空腔物体表面可在超音速气流条件下结霜；采用纹影法观测超音速风道中结霜物体周围激波的特性，以及激波对霜层的影响；在高速低温风道两侧，纹影产生机构通过光源组件在高速风道形成投影后通过纹影观测组件进行观测。控温机构可以通过调节温度实现表面的结霜或融霜。
具体的，控温机构在高速风道中，光源组件通过高速风道将光摄入控温机构表面后进入纹影观测组件，通过纹影观测组件观测控温机构表面观测从亚音速到超音速的不同流速下结霜或融霜的特性。
进一步地，所述光源组件包括依次排列的光源1和第一反光镜2，所述光源1与所述第一反光镜2之间设置有第一凹面镜3，所述纹影观测组件包括依次排列的第二反光镜5、刀片6和高速摄像机7，所述刀片6与所述高速摄像机7之间设置有第二凹面镜4；所述光源1发出的光经所述第一反光镜2反射至所述第一凹面3镜穿过所述高速风道后，经过所述第二凹面镜4反射至第二反光镜5后经过刀片6在所述高速摄像机7上形成明暗相间的纹影。
由光源1发出的光，经第一反光镜2与第一凹面镜3，垂直经过高速风道结霜，再通过第二凹面镜4与第二反光镜5，经刀片6进入高速摄像机7进行成像。由于光的偏折，则可产生明暗相间的纹影来呈现出激波的特性。
参见图2，光源1和第一反光镜2之间没有障碍物，第一凹面镜3设置于第一反光镜2反射光的光路上；第一凹面镜3在光源1和第一反光镜2形成的平面下方。第二凹面镜4在第二反光镜5与高速摄像机7形成的平面上方。
气体经圆柱形流道8，在被测空腔球体9的最大径向半径处，即类似缩放喷管的喉部处达到音速，空腔球体9表面结霜，并且产生激波效应，改变周围的气体密度。由于产生激波的区域气体密度会突变，进入高速风道结霜位置的光线，部分穿过密度大的气体，会产生较大的偏折经刀片6遮挡，在屏幕上呈现暗纹，部分光线穿过密度小的气体因为偏折小未被挡住，在屏幕上呈现亮纹。
进一步地，所述高速风道为圆柱形流道8，圆柱形流道8保证各方向上流动的均匀，并且圆柱形流道8为透明的，实现装置可视化。高速风道与控温机构的形状不限，可采用圆柱形通道8与空腔球体9的组合。
进一步地，所述控温机构包括相互连接的空腔球体9和充注排出管路10，所述充注排出管路10包括气体充注排出管14和液体充注排出管15，所述气体充注排出管14与所述空腔球体9连通，所述液体充注排出管15伸入所述空腔球体9内部。
具体的，所述充注排出管路10有两根管组成，一个为气体充注排出管14，与空腔球体9联接，另一个为液体充注排出管15，伸入空腔球体9内部。
充注排出管路10用于将工质充注到被测空腔球体9的内腔中，进行冷却或加热空腔球体9；可根据实验需求，分别充注低温液体和高温气体，实现空腔球体9表面的结霜或融霜实验；且充入的工质在空腔球体9内发生相变热交换处于两相区，空腔球体9的表面温度可视为均匀等温。在结霜实验中，充注的低温液体吸热蒸发为气体排出，在融霜实验中，充注的高温气体放热冷凝为液体排出，空腔球体9内均处于两相区；空腔球体9采用良好的导热材料，每一处的温度可视为相等的，并可通过测量内部压力来确定温度。
具体的，根据充注工质的不同，可实现在温度较高的气流中，充注低温液体从而使空腔球体9表面结霜；在温度较低的气流中，充注高温气体从而使结霜的空腔球体9表面融霜的不同实验功能，从而实现超音速下物体的结霜以及融霜特性的观测。
通过对充入工质温度的调节，可在较高背压的情况下，充入低温工质用于冷却空腔球体9附近的流场，从而使喉部处气流达到音速状态。
实验中，空腔球体9可偏心布置，以此来观测到不同流速下的结霜与融霜特性。
进一步地，所述控温机构在所述高速风道中从流道出口伸入至流道内部；由充注排出管路10连接的空腔球体9与流道在轴向上保证同轴性。
并且还可测量前后压差等参数，拟合霜层的经验关联式、形成对应关系，进而可通过压差反向推算入口气流水蒸气含量。
进一步地，所述充注排出管路10与支撑组件连接，。所述支撑组件包括底座13，所述底座13通过若干流道支承架12与所述高速风道连接，所述底座13上设置有支撑台11，所述充注排出管路10设置于所述支撑台11上。
支撑台11与流道支承架12固定在开有通槽的底座13上，在轴向上保证同轴性。
进一步地，所述高速风道为圆柱形流道。
在流道入口、出口和喉部处监测流场关键参数，从而进行结霜经验关联式的拟合，形成对应关系，进而可通过压差反向推算入口气流水蒸气含量。
具体的，多个传感器分别布置在流道进出口及喉部位置，监测关键工况参数，通过进出口气流的含湿量与流量确定结霜量，进而通过前后压差等参数拟合霜层的经验关联式，得到结霜的规律，进而达到通过前后压差等参数可反向推算出入口气流水蒸气含量的目的。
空腔球体9通过充注排出管路10与支撑台11连接，从流道出口伸入至喉部位置，并保证空腔球体9在圆柱形流道内部，起到改变流场的作用，从而改变流道截面面积，达到缩放喷管的效果，使气流通过空腔球体可达到超音速状态，流道形状与被测物体形状不仅限于此。
尽管在上文中参考特定的实施例对本申请进行了描述，但是所属领域技术人员应当理解，在本申请公开的原理和范围内，可以针对本申请公开的配置和细节做出许多修改。本申请的保护范围由所附的权利要求来确定，并且权利要求意在涵盖权利要求中技术特征的等同物文字意义或范围所包含的全部修改。

Claims (9)

1.一种结霜实验装置，其特征在于：包括纹影产生机构、高速风道和控温机构，所述纹影产生机构包括光源组件和纹影观测组件，所述光源组件设置于所述高速风道一侧，所述纹影观测组件设置于所述高速风道另一侧，所述控温机构设置于所述高速风道内，所述高速风道中的高速气流经过所述控温机构时，由于流通截面面积发生变化，使得气流在所述控温机构处能够达到超音速状态。
2.如权利要求1所述的结霜实验装置，其特征在于：所述光源组件包括依次排列的光源和第一反光镜，所述光源与所述第一反光镜之间设置有第一凹面镜，所述纹影观测组件包括依次排列的第二反光镜、刀片和高速摄像机，所述刀片与所述高速摄像机之间设置有第二凹面镜；所述光源发出的光经所述第一反光镜反射至所述第一凹面镜穿过所述高速风道后，经过所述第二凹面镜反射至第二反光镜后经过刀片在所述高速摄像机上形成明暗相间的纹影。
3.如权利要求1所述的结霜实验装置，其特征在于：所述高速风道采用透明材质制成，所述光源组件发出的光穿过所述高速风道到达所述纹影观测组件。
4.如权利要求1所述的结霜实验装置，其特征在于：所述控温机构包括相互连接的空腔球体和充注排出管路，所述充注排出管路包括气体充注排出管和液体充注排出管，所述气体充注排出管与所述空腔球体连通，所述液体充注排出管伸入所述空腔球体内部。
5.如权利要求4所述的结霜实验装置，其特征在于：所述充注排出管路与支撑组件连接，。
6.如权利要求5所述的结霜实验装置，其特征在于：所述支撑组件包括底座，所述底座通过若干流道支承架与所述高速风道连接，所述底座上设置有支撑台，所述充注排出管路设置于所述支撑台上。
7.如权利要求6所述的结霜实验装置，其特征在于：所述高速风道为圆柱形流道。
8.一种对权利要求1～7中任一项所述的结霜实验装置的应用，其特征在于：将所述装置用于观测从亚音速到超音速状态下霜层表面流场特性及激波对霜层的影响。
9.如权利要求8所述的结霜实验装置的应用，其特征在于：所述装置应用于结霜实验或者融霜实验。
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