CN202057475U

CN202057475U - 大气湍流模拟装置

Info

Publication number: CN202057475U
Application number: CN2010206998358U
Authority: CN
Inventors: 陆亦怀; 申永; 曾宗泳; 徐亮; 刘建国
Original assignee: Anhui Institute of Optics and Fine Mechanics of CAS
Current assignee: Anhui Institute of Optics and Fine Mechanics of CAS
Priority date: 2010-11-23
Filing date: 2010-12-30
Publication date: 2011-11-30
Anticipated expiration: 2020-12-30

Abstract

本实用新型提供了一种以空气为介质、采用对流湍流方式的大气湍流模拟装置，旨在室内模拟实际大气中的热对流湍流效应。湍流发生装置包括加热系统、冷却系统、湍流发生区和外围加热区。装置中下面的加热板加热，上面的冷却板水冷，于是两平板间的空气就会发生热对流，从而产生湍流，湍流的强度主要是有两平板间温差决定的，因此如果控制两平板间的温差恒定的话就可以输出稳定的湍流，并且装置足够好的密封性和绝热性，从而大大减少湍流发生区与外界的热交换，使得足够大区域内湍流强度基本一致。

Description

大气湍流模拟装置

技术领域

本实用新型涉及大气模拟装置领域，具体为一种在室内进行模拟的大气湍流模拟装置。

背景技术

大气湍流运动会引起大气折射率随机起伏，当激光通过它时，波阵面会发生畸变，破坏激光的相干性。相干性的退化将引起光的强度、相位在时间和空间上呈现出随机起伏，造成激光在传输时产生光线随机飘移、光强闪烁、光束畸变、展宽、破碎。光线随机漂移给光通讯的接收带来困难，接收面积上的光强闪烁给通信信号引入噪声。由于累积效应，在传播距离长和湍流强度大的情况下极为严重，从而制约了自由大气光通信的发展。对于大气湍流可在野外进行模拟实验，但是野外实验不仅费时费力，而且重复性差。

同时在湍流模拟中，国内外对大气湍流模拟的方案多采用对流湍流装置，因为它具备惯性区宽，均匀区大，易操控等优点。对于光传输实验，通常都使用液体介质(如水)，它具有折射率大，惯性区宽诸多优点；但是湍流混合速度小，因此频率范围较低。为了更真实模拟实际大气湍流情况，需要使用空气作为介质。由于空气的粘性小，因此能获得更高的到频率范围。截至目前，在国内外的相关应用中，尚无使用空气介质用作大气湍流模拟实验的。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种大气湍流模拟装置，以空气为介质、采用对流湍流方式，以实现在室内模拟实际大气中的热对流湍流效应。

为了达到上述目的，本实用新型所采用的技术方案为：

大气湍流模拟装置，包括有空箱状的湍流发生区，其特征在于：所述湍流发生区内湍流发生介质为空气，湍流发生区顶部设置有与湍流发生区顶部形状匹配的水冷板，湍流发生区底部设置有与湍流发生区底部形状匹配的加热板，所述湍流发生区四周设置有紧贴湍流发生区外侧壁并包围湍流发生区的辅助加热区，所述辅助加热区内有空腔，所述空腔中设置有多个加热炉，从湍流发生区两相对侧壁、辅助加热区对应位置分别开有供光通入湍流发生区内部的通光孔，所述通光孔中分别安装有多层玻璃。

所述的大气湍流模拟装置，其特征在于：所述加热板由三个结构相同的单加热板拼接而成，三个单加热板拼接后构成与湍流发生区底部形状匹配的加热板，每个单加热板包括紧固板，所述紧固板顶部从下至上依次设置有石棉板层、云母片、导热铝板，三个单加热板分别通过导热铝板紧贴在湍流发生区底部，所述云母片中均匀分布有电阻丝，三个单加热板的电阻丝分别与外部三相电源线一一对应连接，温控器通过继电器控制每相电的通断来控制电阻丝的加热功率，且每个单加热板中间安装有测温电阻，测温电阻与温控器相连。

所述的大气湍流模拟装置，其特征在于：所述水冷板包括铝质的冷却板，所述冷却板顶部设置有多个紧贴冷却板顶部的水管，所述冷却板和水管之间填充有导热硅脂，所述水管均分为多组，每组内各水管的进水方向相同，每组间水管交错布置，一进一出，两相邻组间水管进水方向相反。

所述的大气湍流模拟装置，其特征在于：所述辅助加热区包括紧贴湍流发生区外侧壁并包围湍流发生区的石棉板，所述石棉板外有紧贴石棉板且包围湍流发生区的绝热板材料的框形结构，框形结构内部有空腔，空腔中设置有加热炉。

本实用新型的提供一种气体介质的大气湍流模拟装置，其需具有足够大的均匀区域，足够宽的频率范围，足够好的可控性、稳定性和重复性，能满足室内光传输中湍流效应模拟实验要求。

本实用新型采用了空气介质作为湍流发生介质，大大的提高了湍流频率，能更真实的模拟实际大气湍流情况。通过实验测试，本湍流模拟装置产生的湍流效应基本能够应用实际大气湍流的经典理论进行解释与定量分析，并具有足够大的惯性区和均匀区域，良好的重复性和稳定性。

本实用新型中的加热板，采用了云母片加热，在保证加热均匀的同时，大大的提高了加热温度，最高加热温度可达300度，比常规的热油二次加热温度高近200度，并且结构简单，易于实现。本实用新型中采用的辅助加热区人工提高了“室温”，大大的减小了外界与湍流发生区的热交换，保证了湍流发生区具有足够大的均匀区域和惯性区。本实验中的水冷却板采用了多个窄条水管冷却，充分保证了冷却板的温度均匀性，避免温度不均匀引起湍流发生区内部产生小涡旋。

附图说明

图1湍流发生装置结构示意图。

图2加热板结构图。

图3水冷板结构图。

图4湍流模拟装置闭环控制系统方案。

具体实施方式

如图1所示。大气湍流模拟装置，包括有矩形空箱状的湍流发生区4，湍流发生区4内为空气，湍流发生区4顶部设置有与湍流发生区4顶部形状匹配的水冷板2，水冷板包括多个水管3，湍流发生区4底部设置有与湍流发生区4底部形状匹配的加热板1，湍流发生区4四周设置有紧贴湍流发生区4外侧壁并包围湍流发生区的辅助加热区6，辅助加热区6包括紧贴湍流发生区4外侧壁并包围湍流发生区的石棉板7，石棉板7外有紧贴石棉板7且包围湍流发生区4的绝热板材料的框形结构5，框形结构5内部有空腔，空腔中位于辅助加热区6的框形结构5四边中间位置分别设置有多个加热炉，从湍流发生区4两相对侧壁、辅助加热区6对应位置分别开有供光通入湍流发生区内部的通光孔8，通光孔8中分别安装有多层玻璃。

如图2所示。加热板1由三个结构相同的单加热板拼接而成，三个单加热板拼接后构成与湍流发生区底部形状匹配的加热板1，每个单加热板包括紧固板9，紧固板9顶部从下至上依次设置有石棉板层10、云母片11、导热铝板12，三个单加热板分别通过导热铝板12紧贴在湍流发生区4底部，石棉板10中均匀分布有电阻丝，三个单加热板的电阻丝分别通过继电器与外部三相电源线一一对应连接，且每个单加热板与其对应的电源线之间接有紧密铂电阻。

如图3所示。水冷板2包括铝质的冷却板13，冷却板13顶部设置有七十五根紧贴冷却板13顶部的水管3，冷却板13和水管3之间填充有导热硅脂14，水管3均分为五组，每组内各水管的进水方向相同，每组间水管交错布置，一进一出，两相邻组间水管进水方向相反。

本实用新型实验装置主要由湍流发生装置和控制系统组成。

湍流发生装置是由加热系统、冷却系统、湍流发生区和外围加热区组成。具体来说湍流发生区顶部是由水冷板及其水管、夹紧装置以及板子与水管间填充的导热硅脂构成冷却系统；底部是由加热板及相应的三相交流供电装置构成加热系统；外围加热区主要通过20mm厚的石棉板(里层)及绝热板(外层)组合成的隔热层隔开，在两端开有两个24cmX24cm的通光孔，通光孔镶有双层玻璃有效防止外围加热区与内部湍流发生区产生热交换。外围加热区四周都镶有绝热板，有效防止其与外部空气发生热交换，有利于提升其温度升高的速率。

如图4所示。控制系统目的是保证湍流发生区上下板间最快最稳的达到设定的温差，控制系统安装在一个控制柜中。上部为计算机主机及显示器，下部分为控制板、温控器、电压电流显示表及相应的加热线插头结构及温度传感器接口。温控器和计算机通过RS485-RS232协议进行通信的。

本实用新型可采用了宇电AI510智能温控器作为控制核心，该温控器具有自学习和自整定功能，能通过自整定自动设定PID控制算法中比例参数、微分参数和积分参数、然后对加热功率进行控制使得温度又快又准的达到设定的温度。

本实用新型中，湍流发生区：湍流发生区长度L＝2m，宽度d＝1m，高度h＝0.35m。底部加热板加热，顶部水冷板冷却，两端开了一个24cm×24cm的通光孔，用于光传输实验。通过控制上下表面的温差ΔT，使温度均匀缓慢上升，随着Rayleigh数的增大，当温度差达到一定“阈值”时，湍流发生区内空气产生对流湍流。

外围辅助加热区：对于强湍流模拟的话，上下表面的温差ΔT就需要要达到220℃。湍流模拟装置要求水冷板和加热板温度与室温对称，如果以实验室内温度作为室温的话，就要求水冷板比室温低

加热板比室温高由于制冷采用水，一般实验室内温度为20℃的话，ΔT最多做到40℃，显然达不到实验要求。因此，我们在湍流发生区外围还增加一层辅助加热层，冷却板和加热板温度只要相对于外围加热区温度对称就可以了。同时还省去了冷却水水冷装置，节省成本。为了减少湍流发生区和外围加热区热交换，在两区分界处采用双层隔热板隔热，如图1，里层是石棉板，外层是天花板。同时为了提升外围加热区温度均匀性和上升速度，外围加热区四周都用了天花板隔热。

加热板结构：云母片通过高温胶紧贴在导热铝板上，均匀分布在云母片中的电阻丝对铝板加热，由于铝板导热快且足够厚，温度传递到导热铝板表面时已经均匀了，在云母片下面还加了一层石棉板隔热，并用紧固板将云母片和石棉固定在导热铝板上。由于加热板加热采用三相电加热方式，每相电电压存在差异，因此将加热板分成三部分，每一部分都有相应的精密铂电阻测温度和温控器控制加热功率。这样做还有一个好处是避免的了平板加热后产生变形，导致云母片脱离导热铝板。

水冷板结构：水冷板上共安置了75根水管，分5组供水，一端5根进水，另一端5根出水。水管贴在冷却板上，中间填充导热硅脂，并用螺栓将水管紧夹在冷却板上。5组水管从以相同流量从同一方向流入，带走冷却板上的热量，而且冷却板具有一定厚度，这样冷却板上温度没有小尺度不均匀性，避免产生涡旋。

控制系统：控制系统采用闭环控制方案，通过计算机输入表征大气湍流强度的参数大气相干长度r₀，反演得到加热板和冷却板间的温差ΔT，同时获取来自加热板、水冷板、外围辅助加热区的温度，计算得到加热板、外围辅助加热区需要设定的加热温度，然后通过串口与温控器通信设定所需的加热温度。温控器开始输出PWM(脉冲宽度调制)控制信号控制继电器通断来控制输出的加热功率，工作过程中，采用了PID控制策略算法使得加热板和外围辅助加热区的温度尽快达到所需的大小。

本湍流模拟装置已经在长春理工大学空间光电技术研究所得到了应用，并将在该所自由大气激光通信实验室中作为激光通信湍流效应模拟装置。

Claims

1.大气湍流模拟装置，包括有空箱状的湍流发生区，其特征在于：所述湍流发生区内湍流发生介质为空气，湍流发生区顶部设置有与湍流发生区顶部形状匹配的水冷板，湍流发生区底部设置有与湍流发生区底部形状匹配的加热板，所述湍流发生区四周设置有紧贴湍流发生区外侧壁并包围湍流发生区的辅助加热区，所述辅助加热区内有空腔，所述空腔中设置有多个加热炉，从湍流发生区两相对侧壁、辅助加热区对应位置分别开有供光通入湍流发生区内部的通光孔，所述通光孔中分别安装有多层玻璃。

2.根据权利要求1所述的大气湍流模拟装置，其特征在于：所述加热板由三个结构相同的单加热板拼接而成，三个单加热板拼接后构成与湍流发生区底部形状匹配的加热板，每个单加热板包括紧固板，所述紧固板顶部从下至上依次设置有石棉板层、云母片、导热铝板，三个单加热板分别通过导热铝板紧贴在湍流发生区底部，所述云母片中均匀分布有电阻丝，三个单加热板的电阻丝分别与外部三相电源线一一对应连接，温控器通过继电器控制每相电的通断来控制电阻丝的加热功率，且每个单加热板中间安装有测温电阻，测温电阻与温控器相连。

3.根据权利要求1所述的大气湍流模拟装置，其特征在于：所述水冷板包括铝质的冷却板，所述冷却板顶部设置有多个紧贴冷却板顶部的水管，所述冷却板和水管之间填充有导热硅脂，所述水管均分为多组，每组内各水管的进水方向相同，每组间水管交错布置，一进一出，两相邻组间水管进水方向相反。

4.根据权利要求1所述的大气湍流模拟装置，其特征在于：所述辅助加热区包括紧贴湍流发生区外侧壁并包围湍流发生区的石棉板，所述石棉板外有紧贴石棉板且包围湍流发生区的绝热板材料的框形结构，框形结构内部有空腔，空腔中设置有加热炉。