CN117405349B - 一种低温下高沸点微量杂质气体播撒系统及其试验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于风洞试验技术领域，公开了一种低温下高沸点微量杂质气体播撒系统及其试验方法。播撒系统的杂质气源、流量控制管路、播撒装置依次串联，将杂质气源中的高沸点微量杂质气体经过流量控制后，利用压差原理通过播撒装置均匀的播撒入高速低温流体中，随后，探测装置进行组分浓度测量，测量结果反馈至流量控制器通过流量控制管路进行流量调节。试验方法，利用高速非平衡流动抑制气体相变的原理，将定量的高沸点微量杂质气体以气相状态均匀的掺混至高速低温气流中，解决了在风洞喷管段中进行播撒时高沸点微量杂质气体提前结露或结霜的现象，获得所需的风洞水汽含量控制、试验运行边界获取以及抑制方法的研究结果，具有工程实用价值。
Description
技术领域
本发明属于风洞试验技术领域，具体涉及一种低温下高沸点微量杂质气体播撒系统及其试验方法。
背景技术
跨声速飞行和流动过程存在很多粘性主导的复杂流动现象，如边界层发展与转捩、流动分离、激波与边界层干扰等，直接影响飞行器和透平机械叶片的气动特性。目前，跨声速雷诺数模拟能力严重不足，已经成为制约先进飞行器和透平机械研制与发展的关键技术瓶颈之一，建设低温高雷诺数风洞系统和发展相应的试验方法是解决这一瓶颈问题的可行途径。
在低温高雷诺数风洞中，由于风洞结构的复杂性、绝热材料的亲水性、大气环境水蒸气的渗透性等原因，导致风洞中水汽含量控制较为困难和复杂，容易出现局部水汽含量高而导致出现结露或结霜现象。因此，需要发展一种水汽含量模拟系统，向高速低温流体中定量掺混杂质水蒸气，用以获取结露/结霜水汽含量边界以及研究水汽含量抑制方法。
在高速低温流动中，有一种基于非平衡热力学理论的气体自发凝结现象，该现象出现在气体的高速膨胀过程中，如拉伐尔喷管、透平膨胀机等流道中的膨胀过程。随着气体的高速膨胀，气体静温和静压逐步降低并达到气相饱和温度，但是，由于高速膨胀过程相变能量壁垒相较于稳态（或平衡态）高，气体分子间传热受到抑制，导致气体达到气相饱和温度后仍然无法相变而保持气相状态，只有继续膨胀至低于气相饱和一定水平后，气体才会产生部分相变。
非平衡相变抑制原理同样适用于气流中含有其他微量气体组分的情况，此时的微量气体组分作为高沸点微量杂质气体存在，被称为异质非平衡自发凝结现象，高沸点微量杂质气体沸点可能远高于主要组分气体。这种情况下，高沸点微量杂质气体由于非平衡现象和低分压的同时作用，也会导致高沸点微量杂质气体在高速流动中出现低于气相饱和温度一定水平后才会发生相变的现象，利用该现象就可以将高沸点微量杂质气体掺混入远低于自身气相饱和温度的气流中但仍保持气相状态，为实现风洞中水蒸气的定量播撒和掺混提供了理论基础。
基于非平衡相变抑制原理，在风洞喷管段实现高沸点微量杂质气体的气相掺混和播撒，通过合理的杂质气源、流量控制管路和播撒装置的设计，可以在风洞喷管段进行高精度的高沸点微量杂质气体掺混，获得限定的水汽含量的高速低温流体用于试验研究。同时，采用流量控制器获取高沸点微量杂质气体含量并反馈至流量控制管路，进行高沸点微量杂质气体的高精度流量控制。
当前，亟需发展一种低温下高沸点微量杂质气体播撒系统及其试验方法。
发明内容
本发明所要解决的一个技术问题是提供一种低温下高沸点微量杂质气体播撒系统，本发明所要解决的另一个技术问题是提供一种低温下高沸点微量杂质气体播撒系统的试验方法，为风洞水汽含量控制、试验运行边界获取以及抑制方法的研究提供试验手段。
本发明的低温下高沸点微量杂质气体播撒系统，其特点是，所述的播撒系统包括：杂质气源、流量控制管路、播撒装置、探测装置；
所述的杂质气源、流量控制管路、播撒装置依次串联，将杂质气源中的高沸点微量杂质气体经过流量控制后，利用压差原理通过播撒装置均匀的播撒入高速低温流体中，高沸点微量杂质气体进入高速低温流体后，探测装置进行组分浓度测量，测量结果反馈至流量控制器通过流量控制管路进行流量调节；
所述的杂质气源压力高于高速低温流体压力，用于克服播撒系统管道阻力，为播撒系统提供高沸点微量杂质气体；
所述的流量控制管路由开关阀、控制阀、流量控制器依次连接组成，用以将杂质气源产生的高沸点微量杂质气体进行流量控制，为下游播撒装置提供定量高沸点微量杂质气体；
所述的播撒装置，用以将流量控制管路中的定量高沸点微量杂质气体均匀的播撒至高速低温流体中，实现高速低温流体中的微量杂质掺混；
所述的探测装置，用以测量高速低温流体中的微量高沸点微量杂质气体含量，并将测量结果反馈至流量控制器，进行流量调节；
所述的高速低温流体的流速为马赫数0.15及以上；所述的低温为高速低温流体中的高沸点微量杂质气体的播撒温度范围为95K至常温。
进一步地，所述的杂质气源为高沸点微量杂质气体储存装置，或者使用相变原理的高沸点微量杂质气体发生装置。
进一步地，所述的杂质气源产生高沸点微量杂质气体后，使用另一股与高速低温流体相同气体工质的气流作为载气，混合后进入流量控制管路。
进一步地，所述的杂质气源压力高于高速低温流体压力，采用压缩机压缩、相变自增压或者载气增压的控制方式。
进一步地，所述的流量控制管路根据流量需求分为若干个并列的支路进行控制，各支路包括对应的供给支路和放空支路。
进一步地，所述的播撒装置置于高速低温流体流动区域，利用高速非平衡流动抑制气体相变的原理，使高沸点微量杂质气体以气相状态掺混进入高速低温流体中。
进一步地，所述的探测装置采用取样或者对掺混后的高速低温流体直接进行组分浓度测量；组分浓度测量方法包括光学法、色谱分析法。
进一步地，所述的高沸点微量杂质气体的纯度不低于99.9%；在相同压力下，高沸点微量杂质气体的沸点高于主流气体介质沸点15K以上。
本发明的低温下高沸点微量杂质气体播撒系统的试验方法，包括以下步骤：
S10.对杂质气源使用增压方式，获得高于高速低温流体压力的高沸点微量杂质气体；
S20.高沸点微量杂质气体进入流量控制管路，通过控制阀、流量控制器的流量控制，为播撒装置提供所需流量的高沸点微量杂质气体；
S30.高沸点微量杂质气体进入播撒装置后，利用高速非平衡流动抑制气体相变的原理，将保持气相状态的高沸点微量杂质气体均匀的掺混进高速低温流体中；
S40.通过探测装置的取样或直接测量获得含有高沸点微量杂质气体的高速低温流体的高沸点微量杂质气体含量，并对流量控制管路中的流量控制器进行反馈，按照预先设置的指标控制高沸点微量杂质气体流量；
S50.进行风洞试验，获得所需的风洞水汽含量控制、试验运行边界获取以及抑制方法的研究结果。
本发明的低温下高沸点微量杂质气体播撒系统的主要部件是杂质气源、流量控制管路、播撒装置和探测装置，杂质气源提供高沸点微量杂质气体，流量控制管路供给一定压力的高流量精度高沸点微量杂质气体，播撒装置利用压差原理均匀掺混高沸点微量杂质气体到高速低温气流中，探测装置进行高速低温气流中高沸点微量杂质气体含量测量并反馈进行流量控制。
本发明的低温下高沸点微量杂质气体播撒系统的试验方法，利用高速非平衡流动抑制气体相变的原理，解决了在风洞喷管段中进行播撒时高沸点微量杂质气体提前结露或结霜的现象，使得高沸点高沸点微量杂质气体的高精度定量播撒成为可能，能够有效控制风洞水汽含量，为风洞水汽含量边界获取以及抑制方法的研究提供了有力的试验手段。
附图说明
图1为本发明的低温下高沸点微量杂质气体播撒系统的结构示意图。
图中，1.杂质气源；2.开关阀；3.控制阀；4.流量控制器；5.管路；6.播撒装置；7.探测装置；8.控制反馈线路；9.低温高速气流；10.风洞喷管段；11.杂质播撒气流。
具体实施方式
下面结合附图和实施例详细说明本发明。
实施例1：
如图1所示，本实施例的低温下高沸点微量杂质气体播撒系统的高沸点微量杂质气体采用水蒸气，播撒系统中的杂质气源1、开关阀2、控制阀3、流量控制器4、管路5、播撒装置6依次串联，杂质气源1中获得的高沸点微量杂质气体经过控制阀3和流量控制器4的高精度压力和流量控制通过管路5输送至播撒装置6中，其中开关阀2、控制阀3、流量控制器4、管路5组成流量控制管路；在风洞中采用氮气作为工质，风洞喷管段10中膨胀加速形成低温高速气流9，气流速度为跨声速；播撒装置6将从上游管路中获得的高沸点微量杂质气体在风洞喷管段10中进行播撒，在高速低温流体中形成杂质播撒气流11，与低温高速气流9掺混形成具有一定高沸点微量杂质气体含量的高速低温流体；探测装置7对具有一定高沸点微量杂质气体含量的低温高速气流9进行杂质含量探测，并通过控制反馈线路8反馈给流量控制器4，根据目标杂质含量计算获得高沸点微量杂质气体流量，进行高精度流量控制。
其中，杂质气源1可以为高沸点微量杂质气体储存装置，也可为使用相变原理的高沸点微量杂质气体发生装置，并且可以使用另一股与高速低温流体相同气体工质的气流作为载气，混合后进入流量控制管路，因此，杂质气源1可采用压缩机压缩、相变自增压、载气增压的等多种控制方式。开关阀2、控制阀3、流量控制器4、管路5等组成的流量控制管路可根据流量需求可分为多个支路进行控制，多个支路包括多个供给支路和放空支路。播撒装置6须设置于高速低温流体流动区域，如风洞喷管段10，利用高速非平衡流动抑制气体相变的原理，使高沸点高沸点微量杂质气体以气相状态掺混进入高速低温流体中。探测装置7可以采用取样或直接对掺混后的高速低温流体进行测量的方式，测量方法可采用光学法或色谱分析等。
本实施例的播撒系统试验方法利用高速非平衡流动抑制气体相变的原理，使得杂质水蒸气无论在流量控制管路、播撒装置6或高速氮气气流中均能够保持气相状态，保证掺混后的高速低温流体可以有效模拟风洞中具有一定水汽含量的低温高速流体；通过探测装置7的实时杂质水蒸气气体含量测量，对流量控制器4进行实时的高沸点微量杂质气体流量计算和反馈，能够精确控制风洞高速低温流体的高沸点微量杂质气体含量，保证试验的准度和精度。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种低温下高沸点微量杂质气体播撒系统，其特征在于，所述的播撒系统包括：杂质气源、流量控制管路、播撒装置、探测装置；
所述的杂质气源、流量控制管路、播撒装置依次串联，将杂质气源中的高沸点微量杂质气体经过流量控制后，利用压差原理通过播撒装置均匀的播撒入高速低温流体中，高沸点微量杂质气体进入高速低温流体后，探测装置进行组分浓度测量，测量结果反馈至流量控制器通过流量控制管路进行流量调节；
所述的杂质气源压力高于高速低温流体压力，用于克服播撒系统管道阻力，为播撒系统提供高沸点微量杂质气体；
所述的流量控制管路由开关阀、控制阀、流量控制器依次连接组成，用以将杂质气源产生的高沸点微量杂质气体进行流量控制，为下游播撒装置提供定量高沸点微量杂质气体；
所述的播撒装置，用以将流量控制管路中的定量高沸点微量杂质气体均匀的播撒至高速低温流体中，实现高速低温流体中的微量杂质掺混；
所述的探测装置，用以测量高速低温流体中的微量高沸点微量杂质气体含量，并将测量结果反馈至流量控制器，进行流量调节；
所述的高速低温流体的流速为马赫数0.15及以上；所述的低温为高速低温流体中的高沸点微量杂质气体的播撒温度范围为95K至常温。
2.根据权利要求1所述的一种低温下高沸点微量杂质气体播撒系统，其特征在于，所述的杂质气源为高沸点微量杂质气体储存装置，或者使用相变原理的高沸点微量杂质气体发生装置。
3.根据权利要求1所述的一种低温下高沸点微量杂质气体播撒系统，其特征在于，所述的杂质气源产生高沸点微量杂质气体后，使用另一股与高速低温流体相同气体工质的气流作为载气，混合后进入流量控制管路。
4.根据权利要求1所述的一种低温下高沸点微量杂质气体播撒系统，其特征在于，所述的杂质气源压力高于高速低温流体压力，采用压缩机压缩、相变自增压或者载气增压的控制方式。
5.根据权利要求1所述的一种低温下高沸点微量杂质气体播撒系统，其特征在于，所述的流量控制管路根据流量需求分为若干个并列的支路进行控制，各支路包括对应的供给支路和放空支路。
6.根据权利要求1所述的一种低温下高沸点微量杂质气体播撒系统，其特征在于，所述的播撒装置置于高速低温流体流动区域，利用高速非平衡流动抑制气体相变的原理，使高沸点微量杂质气体以气相状态掺混进入高速低温流体中。
7.根据权利要求1所述的一种低温下高沸点微量杂质气体播撒系统，其特征在于，所述的探测装置采用取样或者对掺混后的高速低温流体直接进行组分浓度测量；组分浓度测量方法包括光学法、色谱分析法。
8.根据权利要求1所述的一种低温下高沸点微量杂质气体播撒系统，其特征在于，所述的高沸点微量杂质气体的纯度不低于99.9%；在相同压力下，高沸点微量杂质气体的沸点高于主流气体介质沸点15K以上。
9.一种低温下高沸点微量杂质气体播撒系统的试验方法，其用于权利要求1~权利要求8中任意一种所述的低温下高沸点微量杂质气体播撒系统，其特征在于，包括以下步骤：
S10.对杂质气源使用增压方式，获得高于高速低温流体压力的高沸点微量杂质气体；
S20.高沸点微量杂质气体进入流量控制管路，通过控制阀、流量控制器的流量控制，为播撒装置提供所需流量的高沸点微量杂质气体；
S30.高沸点微量杂质气体进入播撒装置后，利用高速非平衡流动抑制气体相变的原理，将保持气相状态的高沸点微量杂质气体均匀的掺混进高速低温流体中；
S40.通过探测装置的取样或直接测量获得含有高沸点微量杂质气体的高速低温流体的高沸点微量杂质气体含量，并对流量控制管路中的流量控制器进行反馈，按照预先设置的指标控制高沸点微量杂质气体流量；
S50.进行风洞试验，获得所需的风洞水汽含量控制、试验运行边界获取以及抑制方法的研究结果。
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