CN115791574A

CN115791574A - 一种固态与液态云粒子比例测量装置

Info

Publication number: CN115791574A
Application number: CN202310081358.0A
Authority: CN
Inventors: 胡站伟; 张平涛; 郭向东; 柳庆林; 丁亮
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: 2023-02-08
Filing date: 2023-02-08
Publication date: 2023-03-14
Anticipated expiration: 2043-02-08
Also published as: CN115791574B

Abstract

本发明适用于云雾测量技术领域，提供了一种固态与液态云粒子比例测量装置，包括等动力采样头、导流管、声信号收集器、计数器和壳体；所述等动力采样头的轴线上设置主流道，所述主流道的内径与导流管的内径相等；所述导流管与所述等动力采样头固定连接；所述主流道、所述导流管和所述声信号收集器沿来流方向依次同轴设置；所述计数器设置在所述导流管或所述主流道上，或设置在导流管和主流道连接的位置；所述导流管和所述声信号收集器设置在所述壳体内，所述壳体固定连接所述等动力采样头。本申请的测量装置利用粒子撞击声信号实现粒子性质判别，从而实现对固态与液态云粒子比例的分析。本申请的测量装置器件少，结构简单，使用方便。

Description

一种固态与液态云粒子比例测量装置

技术领域

本发明涉及云雾测量技术领域，尤其是涉及一种固态与液态云粒子比例测量装置。

背景技术

飞行器在穿越云层飞行时，常常遭遇结冰气象条件，造成严重的飞行事故。过冷水结冰主要发生在飞行器的迎风湿表面上，其结冰机理和防除冰研究已经相对成熟；而包含固态水的冰晶/混合相结冰事故会在发动机内压气机叶片和机匣、风速管内部等相对高温表面形成冰堆积，会导致发动机动力损失、飞机失事等严重事故。针对过冷水结冰的适航条例建立较早，主要包括（FAA regulations为世界范围广接受的通用规范为例）针对过冷水云的FAR 14 Part 25Appendix C 和针对过冷大水滴的FAR 14 Part 33 Appendix O。冰晶结冰领域的危害逐渐在事故中被人们重视，并形成了针对冰晶结冰的适航条例修正案（FAR14 Part 33 Appendix D等）。

飞行器结冰安全防护领域，冰晶指水结冰形成的中值质量尺寸(medianmassdimension，MMD)范围为50-200微米(等效球尺寸)的颗粒。冰晶颗粒对飞行的威胁比雨水要严重的多，当飞机遇上冰晶云时易产生干结冰，在飞行中一旦发生积冰，飞机的空气动力性能就会变差，流线型也受到破坏，表面粗糙度大大增加，使正面阻力增大，升力和推力减小，影响飞机的稳定性，使操纵困难，严重时会造成飞机失事。结冰严重的高度通常是外界温度在-5℃至-15℃附近，此时冰晶粘度大，容易附着在机体表面。

在冰晶探测研究方面，国际上的主要方法是通过飞机健康参数或粒子探测器进行探测，美国DropletMeasurementTechnologies公司提出了一种基于光纤的粒子探测器，可以测量水滴粒径及冰晶、尘霾等，但存在仪器过于昂贵、精密且笨重等问题。美国Freer等人提出了一种基于后向散射原理的云层探针技术，通过粒子散射的特性区分水滴、尘霾及冰晶，该方法具有很好的发展前景，但目前探测稳定性较差、且实现应用难度较大。NASA拟通过飞机发动机的健康参数反演出发动机表面的冰晶附着情况，该反演算法在某些固定工作状态下可以很好地判断冰晶附着情况，但在实际飞行中却很难区分冰晶对发动机的影响及节流阀动作对参数的影响。

多热线水含量测量分析系统(WCM-2000)为Science Engineer Associates公司产品，该设备旨在为飞机和风洞用户提供一个单一、坚固的传感器，以同时测量液体含水量（LWC）、总含水量（TWC）和冰水含量（IWC）。这种方法利用冰晶和水滴在不同形状热线表面收集系数的差异实现对冰晶含量的解析。但这一方法在实践中可能存在热线表面冰晶破裂、堆积等现象，测量精度有限。

由于以上设备的国产化程度低、系统相对昂贵且尺寸相对较大，在一些小尺寸云雾环境中使用存在不便。

发明内容

为了解决以上技术问题，本发明提供一种固态与液态云粒子比例测量装置，利用粒子撞击声信号实现粒子性质判别，从而实现对固态与液态云粒子比例的分析。

本申请提供一种固态与液态云粒子比例测量装置，包括等动力采样头、导流管、声信号收集器、计数器和壳体；所述等动力采样头的轴线上设置主流道，所述主流道的内径与所述导流管的内径相等；所述导流管与所述等动力采样头固定连接；所述主流道、所述导流管和所述声信号收集器沿来流方向依次同轴设置；所述计数器设置在所述导流管或所述主流道上，或设置在所述导流管和所述主流道连接的位置；所述导流管和所述声信号收集器设置在所述壳体内，所述壳体固定连接所述等动力采样头。

采用本申请的一种固态与液态云粒子比例测量装置，相对于现有技术，本申请具有如下有益效果：

（1）本申请的测量装置器件少，结构简单，适用于风洞、大气、飞行等云雾场测量领域；

（2）本申请采用声信号进行粒子形态区分，技术成熟，结构简单，系统紧凑；

（3）本申请采用双三角构型旋成体作为等动力采样头，并且通过模拟计算，发现最大外缘处粒子撞击概率小，并且附近的流场静压稍高于环境静压，在此处开设等静压调节孔，并配合内部的毛细管，向装置内部流道引入切向鞘气，从而避免云粒子撞击流道壁，保证液态的粒子能够撞击到膜片上；是一种低成本鞘气体等动力采样。

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是本发明实施例的一种固态与液态云粒子比例测量装置的第一角度剖面结构示意图；

图2是本发明实施例的一种固态与液态云粒子比例测量装置的第二角度剖面结构示意图；

图3是液态粒子撞击产生的声信号示意图；

图4是固态粒子撞击产生的声信号示意图；

图5是图2中的局部放大图。

图中，10-等动力采样头，11-冷却进气孔，12-主流道，13-采样头主体，131-前缘主体，132-后缘主体，14-静压调节结构，141-静压调节孔，142-毛细管，143-切向进气通道，15-回流通道；20-导流管；30-声信号收集器，31-膜片，32-共鸣腔，33-单指向麦克风，34-隔音外壳；40-计数器，50-壳体。

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。

一种固态与液态云粒子比例测量装置，如图1-2所示，包括等动力采样头10、导流管20、声信号收集器30、计数器40和壳体50；所述等动力采样头10的轴线上设置主流道12，所述主流道12的内径与所述导流管20的内径相等；所述导流管20与所述等动力采样头10固定连接；所述主流道12、所述导流管20和所述声信号收集器30沿来流方向依次同轴设置；所述计数器40设置在所述导流管20或所述主流道12上，或设置在所述导流管20和所述主流道连接的位置；所述导流管20和所述声信号收集器30设置在所述壳体50内，所述壳体50固定连接所述等动力采样头10。

等动力采样是指进入采样器探头孔内的风流速度与探头附近的风流速度相等的在流动气体中采样的技术。本实施例中，为了确保大概率拾取单云滴，等动力采样头10上的主流道12的直径设计为等于平均云粒子间距。例如，根据典型云雾含量1g/m³,云粒子平均直径20μm估算，云粒子之间的间距为3.1mm，则可将主流道12的直径D取值为3mm。

由此，云粒子通过主流道12进入导流管20，撞击在声信号收集器30上，由声信号收集器30收集云粒子撞击的声音，根据声音的特性来区分是固态还是业态，如图3和图4所示。图3为液态粒子撞击产生的声信号示意图，图4是固态粒子撞击产生的声信号示意图，可以看到，两者撞击产生的声信号差别很大。其中，固态粒子撞击产生的声信号是按照常规阻尼的方式逐渐衰减，而液态粒子撞击产生的声信号衰减过程比较无序，因而很容易通过采集到的云粒子撞击产生的声信号来区分固态粒子和液态粒子。

如图5所示，所述等动力采样头10还包括采样头主体13，所述采样头主体13为双三角构型的旋成体，包括前缘主体131和后缘主体132，所述前缘主体131为第一三角构型，所述后缘主体132为第二三角构型，所述第一三角构型的半角小于第二三角构型的半角。作为优选，所述第一三角构型的半角为8~15°，所述第二三角构型的半角为第一三角构型的半角加10~20°。

为了减小测量误差，壳体50与等动力采样头10平滑过渡，即将壳体50的外径设计为等于后缘主体132的最大外缘半径。

所述等动力采样头10上沿轴向对称设置有至少四组静压调节结构14，所述静压调节结构14包括静压调节孔141、毛细管142和切向进气通道143；所述静压调节孔141设置在后缘主体132的最大外缘位置处，所述静压调节孔141经过毛细管142与所述切向进气通道143连通，所述切向进气通道143使得气流切向进入主流道12，所述毛细管142为特斯拉阀结构。作为优选，设置4-8组静压调节结构。所述静压调节孔141的直径设置为主流道12的直径的0.1-0.3倍。

值得说明的是，本实施例中将等动力采样头主体设置为双三角构型的旋成体，通过申请人对这种构型的表面气动力学模拟，流场中的云粒子撞击最大外缘位置的概率较低，可以在此处开设静压调节孔，形成鞘气，从而省去了现有技术中额外设置的一个鞘气引入装置，从而可以大大减小装置的体积，提高装置的使用便利性。

具体地，后缘主体132的最大外缘位置处附近的流场静压稍高于环境静压，且云粒子撞击概率较低，在此位置开设静压调节孔，并经过类似特斯拉阀的结构的毛细管后，气流通过切向进气通道切向进入主流道，作为鞘气体。该鞘气体能够防止进入主流道的云粒子撞击到流道内壁，进而使得每一个进入主流道的云粒子均能顺利到达声信号收集器30进行声信号收集，从而提高测量的准确性。作为优选，所述主流道12的内壁上周向设置有回流通道15，所述回流通道15与所述切向进气通道143连通。也就是说，通过切向进气通道进来的气流可以在回流通道15处汇流后再沿主流道内壁流动，由此可以更有效地避免进入主流道的云粒子撞击到回流通道以下的流道内壁的任意位置。其中，特斯拉阀结构是现有技术，在此不作赘述。

所述计数器40为对称设置的对射式红外计数器，选择1.1~2.5um的水分子高吸收红外波段，特别的，选择1.94um成熟分析波段，计数频率为30kHz。本领域技术人员可以理解，计数器的安装一定不能影响装置内部流场，从而减少测量误差。

对于导流管20，其内径与主流道12的相同，其长度按照层流边界层理论确定，作为优选，导流管的长度为直径D的6-20倍。

如图5所示，所述声信号收集器30包括膜片31和隔音外壳34，所述膜片31和隔音外壳34之间形成共鸣腔32，在所述共鸣腔32内设置单指向麦克风33。其中，膜片31作为承接云粒子撞击的声学接收器，材质可以选择pet或者金属声学膜片及其复合结构。本实施例中，共鸣腔顶部膜片垂直投影尺寸约为0.6D，与来流方向倾斜10~20°，以利于云粒子撞击后反弹，形成如图3-4所示的声信号图。共鸣腔内部进行电加热，确保内气温为恒值，如10~30℃。

进一步地，为了保证等动力采样头内外风速一致，将膜片设置为距离导流管出口距离为1D~2D，从而尽可能减小压损，以降低对采样管道的流场影响。

对于单指向麦克风33，可选择小尺寸单指向枪式麦克风，端部靠近共鸣腔的顶部斜面，以提高对声音信号的采集率。

对于隔音外壳34，可以在常规外壳的基础上填充隔音材料，例如可以选择填充以下材料：

聚氨酯泡沫塑料：固化的聚氨酯泡沫材料能起到较好的隔音、吸音性能，并且防腐、防水，而且较好的聚氨酯材料有阻燃设计，是隔音材料的好选择。

平静隔音吸音棉：以工业橡塑为载体，添加多种规格的隔音颗粒，氮气发泡成型，灰黑色外观。其正面被微型吸音孔和异型吸音槽覆盖，对不同频率及波长的噪音高效过滤，集成了隔音、吸引功能，满足家装隔音材料要轻量化和环保的要求，性价比很高。

隔音阻尼毡：隔音毡具有良好的宽频段隔音性能和高阻尼性能,是控制噪声在传递途径中衰减的新型隔音材料。

隔音毯：专业的隔音材料，这种材料具有非常优异宽频隔声特性和高阻尼性，可以有效隔绝各类空气传声。

同时，作为优选，如图1所述，在所述前缘主体131和后缘主体132的外壁交界处还周向均匀设置有多组冷却进气孔11，所述冷却进气孔11与所述内腔室连通，所述内腔室为所述导流管20的外壁与所述壳体50的内壁组成的腔室；所述冷却进气孔11的轴线与所述导流管20的轴线平行，其直径为0.2-0.3D。该冷却进气孔用于防止下游静压过低，同时还可以对整个装置的流道进行冷却。而整个等动力采样头10、壳体50的外壁上设置有电加热装置，用于将整个测量装置的外壁保持在零摄氏度以上，防止测量装置外壁结冰，对流场产生影响。

采用本实施例的固态与液态云粒子比例粒子比例测量装置进行测量时，将该装置放置在流场中，云粒子通过主流道12进入测量装置，经过导流管20后撞击在膜片31上，由单指向麦克风进行撞击的声音信号采集，同时，计数器记录进入导流管的云粒子数量NO。

通过采集到的声信号分离出液滴撞击次数N1和冰晶撞击数量N2；

由于云粒子在测量装置内的流道中流动时，随着边界层发展，轴对称粒子逐渐被推向流道中心，不对称粒子（如冰晶）逐渐偏离流道轴线撞击壁面，因而可能会有一些冰晶无法撞击到声信号收集器，存在部分未撞击膜片的粒子。那么，计数器所采集到的粒子数量减去声信号收集器采集到的粒子数量，余下的就是未撞击膜片的粒子数量。即，部分未撞击膜片的粒子数量为N3=N0-N1-N2；

因此，估算液态与固态粒子的数量比为：N1：N2+N3；

进一步地，还可以估算液态与固态粒子的质量比：

：

；

其中，Mwater为单个液态粒子的质量，Mice为单个冰晶粒子的质量。

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

1.一种固态与液态云粒子比例测量装置，其特征在于，包括等动力采样头（10）、导流管（20）、声信号收集器（30）、计数器（40）和壳体（50）；

所述等动力采样头（10）的轴线上设置主流道（12），所述主流道（12）的内径与所述导流管（20）的内径相等；所述导流管（20）与所述等动力采样头（10）固定连接；

所述主流道（12）、所述导流管（20）和所述声信号收集器（30）沿来流方向依次同轴设置；

所述计数器（40）设置在所述导流管（20）或所述主流道（12）上，或设置在所述导流管（20）和所述主流道连接的位置；

所述导流管（20）和所述声信号收集器（30）设置在所述壳体（50）内，所述壳体（50）固定连接所述等动力采样头（10）。

2.根据权利要求1所述的一种固态与液态云粒子比例测量装置，其特征在于，所述等动力采样头（10）还包括采样头主体（13），所述采样头主体（13）为双三角构型的旋成体，包括前缘主体（131）和后缘主体（132），所述前缘主体（131）为第一三角构型，所述后缘主体（132）为第二三角构型，所述第一三角构型的半角小于第二三角构型的半角。

3.根据权利要求2所述的一种固态与液态云粒子比例测量装置，其特征在于，所述第一三角构型的半角为8~15°，所述第二三角构型的半角为第一三角构型的半角加10~20°。

4.根据权利要求1-3任一所述的一种固态与液态云粒子比例测量装置，其特征在于，所述等动力采样头（10）上沿轴向对称设置有至少四组静压调节结构（14），所述静压调节结构（14）包括静压调节孔（141）、毛细管（142）和切向进气通道（143）；所述静压调节孔（141）设置在后缘主体（132）的最大外缘位置处，所述静压调节孔（141）经过毛细管（142）与所述切向进气通道（143）连通，所述切向进气通道（143）使得气流切向进入主流道（12）；所述毛细管（142）为特斯拉阀的结构。

5.根据权利要求4所述的一种固态与液态云粒子比例测量装置，其特征在于，所述主流道（12）的直径D为平均云粒子间距，所述静压调节孔（141）的直径为主流道（12）直径D的0.1-0.3倍。

6.根据权利要求5所述的一种固态与液态云粒子比例测量装置，其特征在于，所述主流道（12）的内壁上周向设置有回流通道（15），所述回流通道（15）与所述切向进气通道（143）连通。

7.根据权利要求6所述的一种固态与液态云粒子比例测量装置，其特征在于，所述声信号收集器（30）包括膜片（31）和隔音外壳（34），所述膜片（31）和隔音外壳（34）之间形成共鸣腔（32），在所述共鸣腔（32）内设置单指向麦克风（33）。

8.根据权利要求7所述的一种固态与液态云粒子比例测量装置，其特征在于，所述膜片（31）具有与来流方向的夹角，所述夹角为10~20°；和/或所述膜片（31）距离所述导流管（20）出口的距离为1D~2D。

9.根据权利要求8所述的一种固态与液态云粒子比例测量装置，其特征在于，所述共鸣腔（32）内部、等动力采样头（10）外壁以及壳体（50）外壁设置有电加热装置。

10.根据权利要求2或3所述的一种固态与液态云粒子比例测量装置，其特征在于，在所述前缘主体（131）和后缘主体（132）的外壁交界处还周向均匀设置有多组冷却进气孔（11），所述冷却进气孔（11）与内腔室连通，所述内腔室为所述导流管（20）的外壁与所述壳体（50）的内壁组成的腔室；所述冷却进气孔（11）的轴线与所述导流管（20）的轴线平行。