CN115824564B - 用于观察风洞深低温高速流动模拟的装置和观察方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及地面特种试验领域，公开了一种用于观察风洞深低温高速流动模拟的装置和观察方法，其中观察风洞深低温高速流动模拟的装置，包括外侧玻璃、内侧玻璃、透明加热膜，外壳结构、离心风机、PTC电加热器等部分，其中观察方法是基于装置，是将外侧玻璃直接与风洞热交换，内侧玻璃与相机防护筒体内部热交换，两侧玻璃间形成了风道，通过风洞驻室引入的低露点气体从防护筒体底部进入离心风机，被PTC电加热器加热后从玻璃夹层中通过，降低了外侧强对流气体对玻璃的影响，通过加热膜对内层玻璃进行加热控温，防止了防护筒体内的水汽凝结；本发明可在低温高雷诺数风洞内部长期稳定工作，为试验件的监视、测量等提供支撑。

Description

用于观察风洞深低温高速流动模拟的装置和观察方法

技术领域

本发明涉及地面特种试验领域，具体讲是用于观察风洞深低温高速流动模拟的装置。

背景技术

为了对高雷诺数流动进行相似模拟，高雷诺数跨音速风洞往往使用低温、高压气体流动，同时，考虑到系统除湿置换、调试、紧急工况等需求，需要设备具有正压(一般可达3个大气压以上)及负压的工作能力(一般可达0.3大气压以下)，以及高温(可达50℃)及低温(-100℃以下)的工作能力。为了达到试验件监控、测量等目的，在风洞试验段需要安装各种类型的大量相机，根据测试，一般相机具有对压力的耐受能力，但难以对极端的环境温度进行耐受，因此一般热防护工装需要在低温状态下对相机进行加热，高温状态下对相机进行散热。

由于相机的前窗直接被风洞内高速气流冲刷，因此温度往往可达到-100℃以下，现有观察装置的玻璃设计往往难以满足漏热控制和结露控制要求，包括：

1.如果使用单层玻璃与全密闭式结构，结露问题往往易于控制，但漏热难以保证；

2.如果使用传统真空密封双层玻璃，漏热可以保证，但需要玻璃直接承受4.5个大气压的压差，同时工业级双层玻璃的密封难以耐受压力、温度的交变循环，可靠性难以保证，水汽一旦进入玻璃内部，在试验中没有消除的手段，使用充惰性气体的双层玻璃也存在同样的问题；

3.使用开式循环的方案，即通过风洞外部高纯氮气对内部进行置换，由于高纯氮气内部也存在微量水，露点可到-70℃以下，但在长期试验中，也会凝结在玻璃表面，并逐渐积累。

所以使用现有常用的上述方案均难以满足风洞内部的使用要求。

发明内容

因此，为了满足风洞内部的使用要求，本发明在此提供用于观察风洞深低温高速流动模拟的装置和观察方法，其中装置部分是双层防结露玻璃，可在低温高雷诺数风洞内部长期稳定工作，便于风洞深低温高速流动模拟的观察，为试验件的监视、测量等提供支撑，而观察方法是基于装置实现，提高观察效果，以便于更好的分析模拟信息。

具体的，用于深低温高速流动模拟观察窗的双层防结露玻璃，包括外侧玻璃、内侧玻璃、透明加热膜，外壳结构、离心风机、PTC电加热器等部分，其中外侧玻璃直接与风洞热交换，内侧玻璃与相机防护筒体内部热交换，两侧玻璃间形成了风道，通过风洞驻室引入的低露点气体从防护筒体底部进入离心风机，被PTC电加热器加热后从玻璃夹层中通过，降低了外侧强对流气体对玻璃的影响，同时通过透明加热膜对内层玻璃进行进一步的加热控温，防止了防护筒体内的水汽凝结。

其中，本发明所述的观察装置（用于观察风洞深低温高速流动模拟的装置）基于非密封结构，防护筒体主要用于对低温进行防护，监视、测量等相机可承载风洞的0.2~4.5大气压；

其中，本发明所述的观察装置使用双层玻璃，其中双层玻璃间为风道结构；

进一步的，其中外侧玻璃为石英玻璃，直接与风洞内侧风道换热，主要作用为屏蔽外侧高速气流，保护内侧结构，为了提供透过率，外侧玻璃两侧镀有减反射膜；

进一步的，其中内侧玻璃为聚碳酸酯有机玻璃，与相机防护筒体内部对流换热，主要用于为进一步隔热，使防护筒体内温度均匀化；

进一步的，内侧玻璃的内侧镀有ITO透明加热膜，用于对玻璃进行进一步的控温，外侧镀有减反射膜，用于提供透过率；

其中，本发明所述的观察装置是通过离心风机，从风洞驻室内引入低露点气体，并将气体加压，经过PTC加热器进行升温，从双层玻璃间隙通过，以对相机防护筒体前窗进行控温；

进一步的，从双层玻璃间隙通过的气体被外层玻璃冷却后，继续进入相机防护筒体内部，对内部设备、结构进行加热，以提高热利用效率；

其中，在一种典型的实施模式下，在风洞极低温(＜-50℃)工况时，本发明使用引气加热与电热膜组合的方式进行前窗控温，在风洞低温(0~-50℃)工况时，本发明使用电热膜加热的方式进行前窗控温，在风洞常温工况时，系统不启动，在风洞高温(＞40℃)工况时，本发明仅进行换气，以带走相机产生的废热。

同时本发明还提供了一种观察方法，该观察方法基于用于观察风洞深低温高速流动模拟的装置实现，具体如下：

在防护筒体内安装用于观察深低温高速流动模拟试验中试验件的摄像机；

通过引风控温装置将防护筒体外的风源经控温后引入到风道，并进入防护筒体的内腔；

利用透明加热膜改变内侧玻璃的温度。

本发明的优点在于：

1、本发明所述的观察装置通过从风洞驻室引气，直接使用了超低露点的氮气进入防护筒体内，防止了结露问题，方便了摄像机的对试验件信息的采集（如摄像或/和拍照）；

2、本发明所述的观察装置通过双层玻璃设计，降低了整个装置强制对流带来的大量漏热；

3、本发明所述的观察装置通过PTC恒温加热器对气体加热，降低了热控成本；

4、本发明所述的观察装置通过风道优化，提高了热气的利用率；

5、本发明所述的观察装置通过非密闭双层玻璃结构，规避了常规双层玻璃在压力、温度交变环境下密封组件的可靠性问题，解决了某设备内部观测相机防护筒前端玻璃的结露问题，具有结构简单、通用性强等优点。

附图说明

图1是本发明的原理示意图；

图2为本发明所述观察装置的剖面示意图；

图3是所述防护筒立体示意图；

图4是所述防护筒内侧结构的示意图；

图5是所述双层玻璃内侧视角示意图。

具体实施方式

下面将结合附图1-图5对本发明进行详细说明，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1、图3和图4所示，用于观察风洞深低温高速流动模拟的装置，包括防护筒体101、外侧玻璃102、内侧玻璃103和透明加热膜104，所述外侧玻璃102和内侧玻璃103相互平行并固定安装于所述防护筒体101的前端，该外侧玻璃102和内侧玻璃103之间具有间隙，该间隙形成风道400。

在该实施例中，所述风道的入口端204安装有引风控温装置，而风道的出风端与所述防护筒体101的内腔连通，通过所述引风控温装置将防护筒体101外的风源经控温后引入到风道，并通过该风道的出风端205进入防护筒体101的内腔。

在该实施例中，所述引风控温装置包括离心风机和PTC加热器，所述离心风机安装于开设在防护筒体101的通风孔201，所述PTC加热器位于离心风机的出口侧并固定于风道的入口端。

在该实施例中，所述防护筒体101用于提供结构上的强度和热控上的隔热能力，由两层构成，内层为隔热材料形成的隔热层，可选择聚氨酯隔热材料等，外层为金属材料形成的金属层，一般为铝或不锈钢制；所述外侧玻璃102为厚度1cm左右的石英玻璃，外侧玻璃的外侧被风洞的试验段直接吹袭，存在极强的对流换热，因此使用耐低温、耐温度梯度，硬度高的石英玻璃，为了增加透过率，石英玻璃的两侧还镀有减反射膜；所述内侧玻璃103为厚度5mm左右的聚碳酸酯光学玻璃，主要作用是隔热，与外侧玻璃102共同构成风道，并进一步降低漏热，内侧玻璃103的内侧镀有透明加热膜104，外侧镀有减反射膜；所述透明加热膜104为ITO材质，通过镀膜金属镀于聚碳酸酯玻璃表面，通电后可对表面进行加热；所述防护筒体上的通风孔201位于防护筒体的侧面，即可从驻室方向进行引气，用于从风洞驻室引入露点极低的气体；所述离心风机202相比与轴流式风机具有风压大、流量低的特点，更适于使气体通过加热器的狭小空间，有利用整个装置的体积优化；所述PTC加热器203是带有PTC的加热器为恒温式加热器，可自动维持在恒定的温度范围，相对于传统加热器更为安全，控制更为简单，在一种典型的实施模式下，可采用50~80℃的PTC加热器进行加热；其中风道的入口端204可采用玻璃开洞或拼接的方式，加热后的气体从此进入，而气体从风道的出风端205流出后进入防护筒内部，继续对内部进行保温、加热，以提高效率；

所述防护筒体的防护筒体内部301为相机等设备所处的区域；而前窗外部300即风洞试验段空间，其内部为气体流动区域，速度可达接近1Ma；风洞试验段壁面302的内部为风洞试验段空间，外部为风洞驻室空间303，所述风洞驻室空间303其内部温度、压力参数与风洞试验段接近，但仅存在微弱的风速。

如图2所示，进一步的，所述防护筒体的防护筒体金属层101-1主要用于承载相机、隔热材料等设备、材料，一般为铝或者不锈钢等金属材料加工，所述隔热层101-2一般为发泡隔热材料，用于减小防护筒的漏热；并在防护筒体的前端设置有防护筒体前法兰101-3，用于与防护筒体金属层101-1连接，保持防护筒体内部301相对独立，并对玻璃等结构进行固定；在该防护筒体前法兰开设固定孔101-4，用于通过螺栓将防护筒体金属层101-1与防护筒体前法兰101-3固定；所述防护筒体的前端开设防护筒体前法兰台阶101-5，用于与外侧玻璃102上的台阶匹配，减小逆气流梯度；所述透明加热膜具有透明加热膜引线焊点104-1，用于将透明加热膜104与引线电连接，以进行供电控温；所述PTC加热器203选用80~100℃左右的恒温加热器，即工作温度为80~100℃，气体经过PTC加热器后被加热，随后通过外侧玻璃102与内侧玻璃103之间的流道，抵消了外侧玻璃102上的部分漏热，随后温度降低至室温附近，沿风道的出风端205进入防护筒体内部内部，进而抵消部分沿防护筒侧面方向的漏热，以提高热气利用效率；并且所述PTC加热器203通过PTC加热器转弯风道203-1与风道400的入口端204相连接。

如图5所示，所述PTC加热器203开设有PTC加热器接线端203-2，用于对PTC加热器进行通电；所述离心风机202开设有离心风机接线端204-1，用于对离心风机进行通电。

在一种典型的实施下，本发明具有多种工作模式：

模式一：在风洞工作于极端低温(＜-100℃)状态时，PTC加热器203开启，离心风机202全功率工作，透明加热膜104控温开启，维持内部处于0℃左右，此时通过从驻室引入的低露点气体可保证玻璃无结露；

模式二：在风洞工作于低温(-100~-50℃)状态时，PTC加热器203开启，离心风机202通过PWM对转速进行调节，以对PTC加热器通过的气体流量进行调节，透明加热膜104控温开启，维持内部处于0℃左右，可确保从风道的出风端205流出的气体温度在室温左右，不会对防护筒内部控温产生不利影响，此时通过从驻室引入的低露点气体可保证玻璃无结露；

模式三：在风洞工作于低温(-50~0℃)状态时，PTC加热器203关闭，离心风机202关闭，透明加热膜104控温开启，维持内部处于0℃左右，此状态下温度较高，通过对玻璃控温即可保证不结露；

模式四：在风洞工作于高温(50℃左右)状态时，PTC加热器203关闭，离心风机202开启，透明加热膜104控温关闭，通过离心风机时刻引入气体，保证内部设备不会产生过热，此时装置仅作为相机废热排散使用。

通过四种工作状态的自动切换，可满足风洞不同工作状态下相机防护要求，同时保证相机前窗的温度稳定和清洁。

本发明主要用于高雷诺数亚音速风洞的地面试验中的监视、测量中，为了在适用某设备风洞内部0.2～4.5大气压、-150～50℃的工作环境，并同时达到减小漏热、防止结雾的要求，使用了非承压双层玻璃的方案，通过引入驻室气体加热的方式对玻璃进行了控温，同时通过透明电热膜进一步提高了内部玻璃的温度，减小了玻璃发生结雾的可能性。

本发明提供的一种观察方法，是基于用于观察风洞深低温高速流动模拟的装置实现，具体如下：

在防护筒体内安装用于观察深低温高速流动模拟试验中试验件的摄像机；

通过引风控温装置将防护筒体外的风源经控温后引入到风道，并进入防护筒体的内腔；

利用透明加热膜改变内侧玻璃的温度。

该方法是通过摄像机获取试验试件信息（如拍照或录视频），通过用于观察风洞深低温高速流动模拟的装置防止了结露问题，降低了整个装置强制对流带来的大量漏热。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (6)

1.一种用于观察风洞深低温高速流动模拟的装置，其特征在于：包括防护筒体、外侧玻璃、内侧玻璃和透明加热膜，所述外侧玻璃和内侧玻璃相互平行并固定安装于所述防护筒体的前端，该外侧玻璃和内侧玻璃之间具有间隙，该间隙形成风道；

所述风道的入口端安装有引风控温装置，而风道的出风端与所述防护筒体的内腔连通，通过所述引风控温装置将防护筒体外的风源经控温后引入到风道，并通过该风道的出风端进入防护筒体的内腔；

所述引风控温装置包括离心风机和PTC加热器，所述离心风机安装于开设在防护筒体的通风孔，所述PTC加热器位于离心风机的出口侧并固定于风道的入口端。

2.根据权利要求1所述用于观察风洞深低温高速流动模拟的装置，其特征在于：所述内侧玻璃的内侧镀有透明加热膜，外侧镀有减反射膜。

3.根据权利要求1所述用于观察风洞深低温高速流动模拟的装置，其特征在于：所述防护筒体为两层，其中内层是由隔热材料形成的隔热层，而外层是由金属材料形成的金属层。

4.根据权利要求1所述用于观察风洞深低温高速流动模拟的装置，其特征在于：所述外侧玻璃的两侧均镀有减反射膜。

5.根据权利要求1所述用于观察风洞深低温高速流动模拟的装置，其特征在于：所述防护筒体前端设置有通过螺栓连接的防护筒体前法兰，该防护筒体前法兰设置有用于安装外侧玻璃和内侧玻璃的防护筒体前法兰台阶。

6.一种基于权利要求1所述用于观察风洞深低温高速流动模拟的装置的观察方法，其特征在于，包括如下步骤：

在防护筒体内安装用于观察深低温高速流动模拟试验中试验件的摄像机；

通过引风控温装置将防护筒体外的风源经控温后引入到风道，并进入防护筒体的内腔；

利用透明加热膜改变内侧玻璃的温度。

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