CN115683538B - 一种基于等离子体激励的风洞沙尘环境模拟装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于等离子体激励的风洞沙尘环境模拟装置和方法，装置包括设置在风洞实验段入口的沙尘发生组件和风场发生阵列；所述沙尘发生组件用于向所述风洞中注入落沙；所述风场发生阵列由多个等离子体激励组件阵列排布而成；所述等离子体激励组件用于周期性交替产生垂直上升射流和旋转流动，所述沙尘发生组件注入的落沙在两个方向的流动与所述风洞内流动耦合作用下，形成所需沙尘环境。本发明通过电离空气产生等离子体，带电粒子在电场/磁场作用下相互碰撞或与中性粒子碰撞，进而诱导产生射流，从而为沙尘提供垂向速度和旋转速度，以模拟真实环境下沙尘运行轨迹。

Description

一种基于等离子体激励的风洞沙尘环境模拟装置和方法

技术领域

本发明属于风洞实验技术领域，具体涉及一种基于等离子体激励的风洞沙尘环境模拟装置和方法，可在风洞中模拟大气内沙尘暴等风沙环境，以开展飞行器在沙尘环境内的飞行特性研究，同时也可用来进行风沙环境下风力机及建筑物的受力研究等。

背景技术

沙漠戈壁占地面积广泛，沙尘天气众多且影响区域大。飞行器在沙尘环境下工作，其发动机、机翼等结构性能会受到极大影响，严重情况下甚至会造成安全事故；随着风力发电技术的广泛应用，沙尘暴等沙尘天气同样会对风力机性能和安全产生影响，相关研究逐渐受到重视。

目前开展沙尘暴等沙尘环境研究，除实地开展外，更多需要通过风洞实验模拟沙尘环境完成。目前常用的风沙模拟系统多采用地面铺沙和垂向落沙方式。其中，若采用地面铺沙，风沙流主要局限于地面200mm以内，风沙难以均匀分布于整个风洞截面，有效面积较小，仅能开展小尺寸低矮实验模型研究；垂向落沙存在同样的问题，在风速不够高的情况下，沙尘会快速沉降，在到达实验截面时分布不均，另外仅能模拟单一速度的风沙流，而自然界中沙尘运动特别是沙尘暴天气下沙尘的运动方向是复杂的，现有的方法均无法真实模拟沙尘环境。

发明内容

为了解决现有沙尘环境模拟技术无法真实模拟沙尘环境的问题，本发明提供了一种基于等离子体激励的风洞沙尘环境模拟装置和方法。本发明通过电离空气产生等离子体，带电粒子在电场/磁场作用下相互碰撞或与中性粒子碰撞，进而诱导产生射流，从而为沙尘提供垂向速度和旋转速度，以模拟真实环境下沙尘运行轨迹。

本发明通过下述技术方案实现：

一种基于等离子体激励的风洞沙尘环境模拟装置，包括设置在风洞实验段入口的沙尘发生组件和风场发生阵列；

所述沙尘发生组件用于向所述风洞中注入落沙；

所述风场发生阵列由多个等离子体激励组件阵列排布而成；

所述等离子体激励组件用于周期性交替产生垂直上升射流和旋转流动；

所述沙尘发生组件注入的落沙在两个方向的流动与所述风洞内流动耦合作用下，形成所需沙尘环境。

作为优选实施方式，本发明的等离子体激励组件包括磁场发生单元、垂直上升射流发生单元和旋转流动发生单元；

所述垂直上升射流发生单元包括环形交流高压电极和环形交流低压电极，由交流电源供电；

所述旋转流动发生单元包括环形直流高压电极和环形直流低压电极，由直流电源供电；所述环形直流高压电极和环形直流低压电极同轴设置，且所述环形直流低压电极设置在所述环形直流高压电极外侧，所述磁场发生单元设置在所述旋转流动发生单元下方。

作为优选实施方式，本发明的磁场发生单元采用环形磁场发生装置；

所述环形直流高压电极的外径等于所述环形磁场发生装置的内径；

所述环形直流低压电极的内径等于所述环形磁场发生装置的外径。

作为优选实施方式，本发明的旋转流动发生单元和所述垂直上升射流发生单元中的电极均采用铜箔。

作为优选实施方式，本发明的等离子体激励组件还包括函数发生器和调压器；

所述函数发生器用于分别控制所述磁场发生单元、垂直上升射流发生单元和旋转流动发生单元的周期性工作与关闭；

所述调压器，用于调节所述垂直上升射流发生单元和旋转流动发生单元的输入电压幅值和频率。

作为优选实施方式，本发明的函数发生器采用多通道输出驱动信号的方式进行控制。

作为优选实施方式，本发明的调压器包括直流调压器和交流调压器；

所述直流调压器与所述直流电源连接，所述交流调压器与所述交流电源连接。

第二方面，本发明提出了上述风洞沙尘环境模拟装置的工作方法，包括：

运行风洞，产生均匀来流；

初始化函数发生器，函数发生器分别输出驱动信号至所述磁场发生单元、垂直上升射流发生单元和旋转流动发生单元；

控制所述磁场发生单元和所述旋转发生单元同时启动，并控制所述垂直上升射流发生单元关闭，产生旋转流动；

在预设时间间隔后，控制所述垂直上升射流发生单元启动，并控制所述磁场发生单元和所述旋转流动发生单元关闭，产生垂直上升射流；

与预设时间间隔周期性交替产生旋转流动和垂直上升射流，两个方向的流动与所述风洞内流动耦合，从而形成所需风场结构；

打开所述沙尘发生组件，为所述风洞内注入落沙，其在所述风场结构的作用下形成所需沙尘环境。

作为优选实施方式，本发明的初始化函数发生器，具体为：

设置函数发生器的输出信号，函数发生器的3个输出通道同步以5V的TTL信号作为输出，且3个输出通道输出的信号的电位差、频率一致；

输入所述磁场发生单元和所述旋转流动发生单元的信号的波形相位一致；

输入所述垂直上升射流发生单元的信号与输入所述磁场发生单元和所述旋转流动发生单元的信号波形相位相差0.5T，其中，T为信号周期。

作为优选实施方式，本发明的方法还包括：

通过调整所述垂直上升射流发生单元和所述旋转流动发生单元的输入电压幅值和频率，从而调整形成的沙尘强度。

本发明具有如下的优点和有益效果：

本发明采用了纯电驱动的形式，通过电离空气产生等离子体，随后带电粒子在电场/磁场作用下相互碰撞或与中性粒子碰撞，进而诱导产生射流，为沙尘提供垂向速度和旋转速度，从而模拟真实环境下沙尘运行轨迹。

本发明通过控制电磁场强度和带电离子密度，实现对垂直风速和旋转风速的控制，使得沙尘在到达实验截面前防止沙尘因重力下落，提高实验段沙尘分布均匀性。

本发明结构简单，便于维护，成本低且易于实现。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为本发明实施例的装置结构示意图。

图2为本发明实施例的等离子体激励组件结构示意图。

图3为本发明实施例的等离子体激励单元剖视图。

图4为本发明实施例的等离子体激励单元俯视图。

图5为本发明实施例的等离子体激励单元仰视图。

图6为本发明实施例的旋转流动产生示意图。

图7为本发明实施例的垂直射流产生示意图。

附图中标记及对应的零部件名称：

1-风洞，2-沙尘发生组件，3-风场发生阵列，4-第一电极，5-第二电极，6-第一绝缘介质层，7-第三电极，8-绝缘填充层，9-第二绝缘介质层，10-磁场发生单元。

具体实施方式

在下文中，可在本发明的各种实施例中使用的术语“包括”或“可包括”指示所发明的功能、操作或元件的存在，并且不限制一个或更多个功能、操作或元件的增加。此外，如在本发明的各种实施例中所使用，术语“包括”、“具有”及其同源词仅意在表示特定特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合，并且不应被理解为首先排除一个或更多个其它特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的存在或增加一个或更多个特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的可能性。

在本发明的各种实施例中，表述“或”或“A或/和B中的至少一个”包括同时列出的文字的任何组合或所有组合。例如，表述“A或B”或“A或/和B中的至少一个”可包括A、可包括B或可包括A和B二者。

在本发明的各种实施例中使用的表述(诸如“第一”、“第二”等)可修饰在各种实施例中的各种组成元件，不过可不限制相应组成元件。例如，以上表述并不限制所述元件的顺序和/或重要性。以上表述仅用于将一个元件与其它元件区别开的目的。例如，第一用户装置和第二用户装置指示不同用户装置，尽管二者都是用户装置。例如，在不脱离本发明的各种实施例的范围的情况下，第一元件可被称为第二元件，同样地，第二元件也可被称为第一元件。

应注意到：如果描述将一个组成元件“连接”到另一组成元件，则可将第一组成元件直接连接到第二组成元件，并且可在第一组成元件和第二组成元件之间“连接”第三组成元件。相反地，当将一个组成元件“直接连接”到另一组成元件时，可理解为在第一组成元件和第二组成元件之间不存在第三组成元件。

在本发明的各种实施例中使用的术语仅用于描述特定实施例的目的并且并非意在限制本发明的各种实施例。如在此所使用，单数形式意在也包括复数形式，除非上下文清楚地另有指示。除非另有限定，否则在这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明的各种实施例所属领域普通技术人员通常理解的含义相同的含义。所述术语(诸如在一般使用的词典中限定的术语)将被解释为具有与在相关技术领域中的语境含义相同的含义并且将不被解释为具有理想化的含义或过于正式的含义，除非在本发明的各种实施例中被清楚地限定。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例

针对现有风沙模拟技术无法真实模拟沙尘环境，本实施例提供了一种基于等离子体激励的风洞沙尘环境模拟装置，本发明实施例提出的装置在大气中通过等离子体放电诱导产生垂直射流和旋转射流，两种流动相互耦合作用，与风洞来流一起，形成可控的风沙环境风场。

具体如图1所示，本发明实施例的装置包括设置在风洞1实验段入口的沙尘发生组件2和风场发生阵列3。其中，沙尘发生组件2设置在靠近风洞1顶部的位置，风场发生阵列3设置在靠近风洞1底部的位置。沙尘发生组件2用于向风洞中注入落沙，风场发生阵列3由多个等离子体激励组件阵列排布而成，用于为沙尘发生组件2产生的沙尘提供垂直风速和旋转风速，在沙尘达到实验截面前防止沙尘因重力下落，从而模拟真实环境下沙尘运行轨迹。

具体如图2-图5所示，本发明实施例的等离子体激励组件主要包括磁场发生单元10、等离子体发生单元等。

其中，等离子体发生单元由第一电极4、第二电极5、第三电极7和绝缘介质层构成。

第一绝缘介质层6、绝缘填充层8和第二绝缘介质层从上至下依次设置，第一电极4和第二电极5均设置在第一绝缘介质层6的上表面，且第二电极5设置在第一电极4的外周，第三电极7设置在绝缘填充层8中且位于第一电极4和第二电极5之间的间隙；磁场发生单元10设置在第二绝缘介质层的下表面。

第一电极4、第二电极5和第三电极7均为环形电极，第三电极7和第一电极4形成垂直上升射流发生单元，第一电极4和第二电极5形成旋转流动发生单元，两个单元共同组成等离子体发生单元。在直流电源工作模式下，第一电极4作为直流高压电极连接直流电源的高压输出端，第二电极5作为直流低压电极；在交流电源工作模式下，第三电极7作为交流高压电极连接交流电源的高压输出端，第一电极4作为交流低压电极。

磁场发生单元10采用环形磁场发生装置，在通电后可以产生相应的强度的电磁场。

第一电极4的外径等于环形磁场发生装置内径，第二电极5的内径等于环形磁场发生装置的外径，第三电极7的环形厚度与环形磁场发生装置环形厚度相等。

本实施例中，第一电极4、第二电极5和第三电极7采用的材料为铜箔。

本实施例中，第一绝缘介质层6、绝缘填充层8和第二绝缘介质层9采用的材料为聚四氟乙烯或聚酰亚胺。

本发明实施例提出的装置工作原理为：

等离子体激励组件被用作主动流动控制装置，通过在等离子体发生单元两级电极间施加高电压，使电极间或表面空气发生电离产生等离子体，这些带电的等离子体在电场力作用下定向运动，同时，通过碰撞裹挟中性空气，从而产生射流。对于垂直上升射流发生单元，通过施加交流高压，诱导产生的定向运动会指向环形结构中心，进而产生垂直向上的合成射流。对于旋转流动发生单元，环形磁场发生装置位于第一电极下方位置，旋转流动发生单元通电时，会将两电极中间的气体击穿，形成等离子体，而环形磁场发生装置则提供驱动流动所需的洛伦兹力。

本发明实施例的等离子体激励组件还包括函数发生器和调压器。

函数发生器可多通道输出驱动信号，分别控制磁场发生单元和等离子体发生单元的工作和关闭，通过交替产生垂直上升射流和旋转流动，两种流动相互耦合作用，与风洞来流一起，可形成沙尘环境流场结构。

调压器包括直流调压器和交流调压器，通过与直流电源或交流电源连接，用于实现供电并调节电压、频率等输入参数。本发明实施例可根据实际需求来调整电压的幅值和频率，分别实现对垂直上升射流和旋转流动强度的调节，即通过控制电磁场强度和带电离子密度，调控垂直风速和旋转风速，在沙尘到达实验截面前防止沙尘因重力下落，提高实验段沙尘分布均匀性，同时为沙尘提供垂向速度和旋转速度，以模拟真实环境下沙尘暴等风沙环境，从而开展风沙环境下飞行器性能测试与特性研究，同时可开展风力机和建筑物的受力及损害研究。

本发明实施例提出的装置的工作过程包括：

步骤1，运行风洞，产生均匀来流。

步骤2，初始化函数发生器。具体为设置函数发生器的输出信号，调整通道1、通道2和通道3同步以5V的TTL信号作为输出，3个通道输出信号的电位差、频率一致，其中通道1和通道2输出信号的波形相位也一致，通道3的波形相位与通道1、通道2的波形相位相差0.5T，随后开启函数发生器输出信号；其中，T为信号周期。

步骤3，直流调压器和交流调压器输出端分别连接直流电源和交流电源的输入端，可实现对直流电源输出电压和对交流电源输出电压、频率的调节。

步骤4，函数发生器的3个输出端分别连接磁场发生单元、垂直上升射流发生单元的高压交流电源和旋转流动发生单元的高压直流电源，3个通道的输出信号分别控制对应设备内的驱动模块。

步骤5，函数发生器控制磁场发生单元和旋转流动发生单元同时启动，垂直上升射流发生单元此时关闭，产生如图6所示的旋转流动。

步骤6，0.5T后垂直上升射流发生单元启动，磁场发生单元和旋转流动发生单元关闭，产生如图7所示的垂直上升射流。

步骤7，步骤4和步骤5以0.5T的相位差周期性交替进行，从而实现垂直上升射流和旋转流动的周期性产生，两个方向的流动与风洞内流动耦合，共同形成沙尘环境风场结构。

步骤8，打开沙尘发生组件，模拟沙尘暴等沙尘环境，可通过调整调压器改变沙尘强度。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于等离子体激励的风洞沙尘环境模拟装置，其特征在于，包括设置在风洞实验段入口的沙尘发生组件和风场发生阵列；

所述沙尘发生组件用于向所述风洞中注入落沙；

所述风场发生阵列由多个等离子体激励组件阵列排布而成；

所述等离子体激励组件用于周期性交替产生垂直上升射流和旋转流动；

所述沙尘发生组件注入的落沙在两个方向的流动与所述风洞内流动耦合作用下，形成所需沙尘环境；所述等离子体激励组件包括磁场发生单元、垂直上升射流发生单元和旋转流动发生单元；

所述垂直上升射流发生单元包括环形交流高压电极和环形交流低压电极，由交流电源供电；

所述旋转流动发生单元包括环形直流高压电极和环形直流低压电极，由直流电源供电；所述环形直流高压电极和环形直流低压电极同轴设置，且所述环形直流低压电极设置在所述环形直流高压电极外侧，所述磁场发生单元设置在所述旋转流动发生单元下方；

所述环形交流低压电极和所述环形直流高压电极采用同一电极；

所述环形直流高压电极和所述环形直流低压电极均设置在第一绝缘介质层的上表面，所述环形交流高压电极设置在绝缘填充层中且位于所述环形直流高压电极和所述环形直流低压电极之间的间隙；

所述磁场发生单元设置在第二绝缘介质层的下表面；

所述第一绝缘介质层、绝缘填充层和第二绝缘介质层依次层叠设置。

2.根据权利要求1所述的一种基于等离子体激励的风洞沙尘环境模拟装置，其特征在于，所述磁场发生单元采用环形磁场发生装置；

所述环形直流高压电极的外径等于所述环形磁场发生装置的内径；

所述环形直流低压电极的内径等于所述环形磁场发生装置的外径。

3.根据权利要求1所述的一种基于等离子体激励的风洞沙尘环境模拟装置，其特征在于，所述旋转流动发生单元和所述垂直上升射流发生单元中的电极均采用铜箔。

4.根据权利要求1所述的一种基于等离子体激励的风洞沙尘环境模拟装置，其特征在于，所述等离子体激励组件还包括函数发生器和调压器；

所述函数发生器用于分别控制所述磁场发生单元、垂直上升射流发生单元和旋转流动发生单元的周期性工作与关闭；

所述调压器，用于调节所述垂直上升射流发生单元和旋转流动发生单元的输入电压幅值和频率。

5.根据权利要求4所述的一种基于等离子体激励的风洞沙尘环境模拟装置，其特征在于，所述函数发生器采用多通道输出驱动信号的方式进行控制。

6.根据权利要求4所述的一种基于等离子体激励的风洞沙尘环境模拟装置，其特征在于，所述调压器包括直流调压器和交流调压器；

所述直流调压器与所述直流电源连接，所述交流调压器与所述交流电源连接。

7.如权利要求1-6任一项所述的一种基于等离子体激励的风洞沙尘环境模拟装置的工作方法，其特征在于，包括：

运行风洞，产生均匀来流；

初始化函数发生器，函数发生器分别输出驱动信号至所述磁场发生单元、垂直上升射流发生单元和旋转流动发生单元；

控制所述磁场发生单元和所述旋转流动发生单元同时启动，并控制所述垂直上升射流发生单元关闭，产生旋转流动；

在预设时间间隔后，控制所述垂直上升射流发生单元启动，并控制所述磁场发生单元和所述旋转流动发生单元关闭，产生垂直上升射流；

与预设时间间隔周期性交替产生旋转流动和垂直上升射流，两个方向的流动与所述风洞内流动耦合，从而形成所需风场结构；

打开所述沙尘发生组件，为所述风洞内注入落沙，其在所述风场结构的作用下形成所需沙尘环境。

8.根据权利要求7所述的工作方法，其特征在于，初始化函数发生器，具体为：

设置函数发生器的输出信号，函数发生器的3个输出通道同步以5V的TTL信号作为输出，且3个输出通道输出的信号的电位差、频率一致；

输入所述磁场发生单元和所述旋转流动发生单元的信号的波形相位一致；

输入所述垂直上升射流发生单元的信号与输入所述磁场发生单元和所述旋转流动发生单元的信号波形相位相差0.5T，其中，T为信号周期。

9.根据权利要求7所述的工作方法，其特征在于，还包括：

通过调整所述垂直上升射流发生单元和所述旋转流动发生单元的输入电压幅值和频率，从而调整形成的沙尘强度。

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