CN210293611U - 一种基于电磁加热的温度控制风洞装置 - Google Patents

Abstract

一种基于电磁加热的温度控制风洞装置，包括加热装置、水冷设备、温控箱；所述的加热装置包括内至外依次设置的石英玻璃框、两层外罩板，石英玻璃框的两端均设置有安装框架，二者通过两端支撑板固定；上述外罩板的两端亦通过所述的两端支撑板固定；居于内层的外罩板外端面缠绕电磁线圈，电磁线圈的自由端均通过温控线路和温控线路接口与温控箱相连；水冷管道固定在安装支撑板上，并通过水冷输送管道与水冷设备相连。

Description

一种基于电磁加热的温度控制风洞装置

技术领域

本实用新型涉及一种基于电磁加热的总温控制风洞装置，尤其适用于高超声速飞行器的地面气动热模拟实验，相比较于传统的总温控制风洞与热风洞，既具有良好的流场模拟效果，又具有良好的热环境模拟效果，属于航空航天领域的高温热流场模拟装置。

背景技术

数十年来，世界各国对高超声速飞行器愈加重视，并对高超声速飞行器的发展投入了越来越多的人力物力。近十几年来，我国也在大力发展高超声速飞行器。典型的高超声速飞行器如X-51黑鸟侦察机和X-47B无人驾驶飞行器都是在5马赫数以上的速度飞行，由于高速摩擦等原因产生的气动加热现象非常严重，整个飞行器表面要承受1000℃以上高温，部分结构如机翼前缘承受温度可达5000℃。由于气动加热产生的高温，会导致飞行器结构承载能力的下降和材料强度极限的降低，使飞行器产生热变形，破坏飞行器的气动外形和机体结构，影响飞行器的安全和使用寿命，为了保证高超声速飞行器的安全，确认飞行器材料和结构是否能够经受起高超声速飞行时的气动热冲击和高温热应力破坏，必须对高超声速飞行器整体进行气动热模拟和热-力耦合实验。同时，飞行器在高超声速飞行时的气动特性也可以在气动热实验中获得。

如今比较成熟的飞行器气动实验设备有两类，即总温控制风洞和热风洞。热风洞又称为高焓高超声速风洞，其试验段马赫数可达10到12，主要用于研究导弹、人造卫星或其他高超声速飞行器在高超声速飞行时的气动特性与结构、材料特性。热风洞会在试验段产生高温高超声速气流，模拟出高超声速飞行器飞行时的环境。然而，热风洞存在以下几个缺点：

1、热风洞的气体是由风洞上游的加热器加热的，所以整个风洞结构内壁都会承受高温高马赫数气流的冲击，而且整个风洞内的流场特性差。

2、风洞本身需要很大压力比，并且压力比随着马赫数的增大而急剧提升。所以热风洞上游必须设有高压气瓶，下游必须设有真空箱，以满足增压需求。

3、热风洞最显著的特点就是它的工作时间是1/1000s的量级。

相比较于热风洞，总温控制风洞能达到非常好的流场特性，也能实现小时级的工作时间，但是却不能使气流达到高超声速飞行时的温度。因此，开发一款既能模拟高超声速飞行时的气流环境，又能使流场模拟效果达到最优，同时可以长时间工作的风洞势在必行。

实用新型内容

本实用新型的技术解决问题是：提供了一种基于电磁加热的总温控制风洞装置，其具有良好的热流场模拟效果，可满足马赫数8以上的高超声速飞行器的实验要求。

本实用新型的技术解决方案是：一种基于电磁加热的温度控制风洞装置，包括加热装置、水冷设备、温控箱；所述的加热装置包括内至外依次设置的石英玻璃框、两层外罩板，石英玻璃框的两端均设置有安装框架，二者通过两端支撑板固定；上述外罩板的两端亦通过所述的两端支撑板固定；居于内层的外罩板外端面缠绕电磁线圈，电磁线圈的自由端均通过温控线路和温控线路接口与温控箱相连；水冷管道固定在安装支撑板上，并通过水冷输送管道与水冷设备相连。

试验过程中，温度传感器采集的温度信息发送至温控箱，温控箱将接收的温度信息与预设的温度进行比较，通过PID方式控制电磁线圈工作，使试验温度达到预设的温度。

优选的，所述的温度传感器数量至少4个，构成传感器阵列，且周向均匀固定于石英玻璃框尾段内。

优选的，所述的加热装置通过安装框架直接连接在喷管段和扩张段之间，作为风洞试验过程中的试验段。

优选的，通过多组真空室相连提供真空环境，通过多组高压气罐相连提供高压气体，以提高工作时间。

优选的，所述的加热装置安装在试验段内，且通过过渡段实现安装框架与喷管段和扩张段之间的连接。

优选的，所述的水冷管道固定在安装支撑板外部且在满足安装干涉的前提下尽可能靠近安装支撑板内部的电磁线圈。

优选的，所述水冷管道的入水口为单管道，延伸至加热装置下方分成两路，两路分别在两端安装支撑板上缠绕成圆形，之后在加热装置下方汇聚成一路单管道，作为水冷管道的出水口。

优选的，所述的电磁线圈与最外层外罩板之间的间距大于5cm。

优选的，所述的电磁线圈为多组线圈并绕在外罩板上，每组线圈之间的距离大于5cm。

优选的，所述的石英玻璃框的截面形状与风洞试验中喷管内截面形状匹配。

本实用新型与现有技术相比有益效果为：

本实用新型装置通过非接触电磁加热方式，在不影响风洞试验流场效果的同时，实现风洞试验模型高温升的加热需求；并且采用电磁加热结合本申请提出的独特安装方式，能够实现模型温度的均匀加热，且能够满足模型高加热温度的前提下不损坏试验模型。

基于电磁的加热方式实现了风洞试验模型加热低成本的需求，可以有效降低试验费用。

附图说明

图1为本实用新型的整体视图。

图2为喷管段的内部截面图。

图3为本实用新型的加热装置的整体视图。

图4为本实用新型的加热装置的主视图。

图5为本实用新型的加热装置的仰视图。

图6为本实用新型的加热装置的内部结构整体视图。

图7为本实用新型的加热装置不包含外罩板的内部结构整体视图。

具体实施方式

下面结合附图及实例对本实用新型作详细说明。

一种基于电磁加热的温度控制风洞装置，包括加热装置、水冷设备、温控箱；所述的加热装置包括内至外依次设置的石英玻璃框、两层外罩板，石英玻璃框的两端均设置有安装框架，二者通过两端支撑板固定；上述外罩板的两端亦通过所述的两端支撑板固定；居于内层的外罩板外端面缠绕电磁线圈，电磁线圈的自由端均通过温控线路和温控线路接口与温控箱相连；水冷管道固定在安装支撑板上，并通过水冷输送管道与水冷设备相连。

试验过程中，温度传感器采集的温度信息发送至温控箱，温控箱将接收的温度信息与预设的温度进行比较，通过PID方式控制电磁线圈工作，使试验温度达到预设的温度。

本实用新型装置的应用环境主要存在如下两种：一是加热装置通过安装框架直接连接在喷管段和扩张段之间，直接作为风洞试验过程中的试验段。二是加热装置安装在试验段内，且通过过渡段实现安装框架与喷管段和扩张段之间的连接。下面针对第一种情况进行详细说明。

图1中高压气罐1、压缩段2、稳定段3、喷管段4、试验段5(即本实用新型加热装置)、扩张段6、真空室7、温控箱8、控制系统终端9、水冷设备10、温控线路11、水冷输送管道12、高压气罐支架13、管道支架14和真空室支架15，高压气罐1出口与压缩段2相连，并由高压气罐支架15支撑；压缩段2出口与稳定段3相连；稳定段3出口与喷管段4相连，并由管道支架16支撑；喷管段4出口与试验段5相连；试验段5出口与扩张段6相连，并通过温控线路接口5-3和温控线路12、水冷管道5-3和水冷输送管道13分别与温控箱8和水冷设备10相连；扩张段6出口与真空室7相连；真空室7为气流终端，并由真空室支架17支撑，控制系统终端9与温控箱8、水冷设备10、高压气罐1和真空室7相连。试验时，该风洞装置的气流从高压气罐1中喷出，在收缩段2中收缩加速，在稳定段3中稳定为均匀气流，再经过喷管段4中的拉瓦尔喷管转变为高超声速气流，然后进入试验段5，最后经过扩张段6中减速，进入真空室7，图2为本例当中喷管段的内部截面图。

如图3-7所示，试验段包含试验段框架5-0、试验段支撑板5-1、外罩板5-2、水冷管道5-3、温控线路接口5-4、电磁线圈5-5、石英玻璃框5-6以及温度传感器与风速管集成模块5-7。试验段结构为：试验段支撑板5-1将试验段框架5-0和石英玻璃框5-7固定，外罩板5-2内壳与电磁线圈5-5紧密贴合，外罩板5-2通过试验段支撑板5-1固定。4个温度传感器与风速管集成模块5-7构成传感器阵列，并固定于石英玻璃框5-6尾段内。水冷管道5-3固定在试验段支撑板5-1上，并通过水冷输送管道12与水冷设备10相连。

试验段的加热由电磁线圈5-5完成，电磁线圈与最外层外罩板之间的间距大于5cm。电磁线圈为多组线圈并绕在外罩板上，每组线圈之间的距离大于5cm。具体过程如下：温控箱8通过温控线路11和温控线路接口5-4为电磁线圈5-5供电，电磁线圈5-5内部产生交变电磁场，石英玻璃框5-7内的试验件为导体，导体在交变电磁场中产生感应电流并被加热，然后温控箱8根据温度传感器与风速管集成模块5-11探测到的试验件表面的温度数据进行功率调节，使得试验件内部感应电流保持在一定范围内，进而使得试验件表面温度保持在预期值。

试验段支撑板5-1通过水冷循环进行冷却。水冷过程如下：水冷设备10将低温冷却水通过上端水冷输送管道12和输入水冷管道5-3，对试验段支撑板5-1进行降温，之后冷却水通过下端水冷输送管道12返回水冷设备10。

试验段5内的电磁线圈采用高温玻璃纤维编织绝缘线包裹。

用于风洞试验的试验件必须为导体材料。

图1所述的装置其具有良好的热流场模拟效果，可满足马赫数8以上的高超声速飞行器的实验要求，并且工作时间可达小时级。

以上内容是结合具体的实施方式对本实用新型所作的进一步详细说明，不能认定本实用新型的具体实施方式仅限于此，对于本实用新型所述技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干改进和替换，都应当视为属于由本实用新型提交的权利要求书所确定的专利保护范围。

本实用新型未详细说明部分属于本领域技术人员公知常识。

Claims (10)

1.一种基于电磁加热的温度控制风洞装置，其特征在于:包括加热装置、水冷设备、温控箱；所述的加热装置包括内至外依次设置的石英玻璃框、两层外罩板，石英玻璃框的两端均设置有安装框架，二者通过两端支撑板固定；上述外罩板的两端亦通过所述的两端支撑板固定；居于内层的外罩板外端面缠绕电磁线圈，电磁线圈的自由端均通过温控线路和温控线路接口与温控箱相连；水冷管道固定在安装支撑板上，并通过水冷输送管道与水冷设备相连。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：温度传感器数量至少4个，构成传感器阵列，且周向均匀固定于石英玻璃框尾段内。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述的加热装置通过安装框架直接连接在喷管段和扩张段之间，作为风洞试验过程中的试验段。

4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于：通过多组真空室相连提供真空环境，通过多组高压气罐相连提供高压气体，以提高工作时间。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述的加热装置安装在试验段内，且通过过渡段实现安装框架与喷管段和扩张段之间的连接。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述的水冷管道固定在安装支撑板外部且在满足安装干涉的前提下尽可能靠近安装支撑板内部的电磁线圈。

7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述水冷管道的入水口为单管道，延伸至加热装置下方分成两路，两路分别在两端安装支撑板上缠绕成圆形，之后在加热装置下方汇聚成一路单管道，作为水冷管道的出水口。

8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述的电磁线圈与最外层外罩板之间的间距大于5cm。

9.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述的电磁线圈为多组线圈并绕在外罩板上，每组线圈之间的距离大于5cm。

10.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述的石英玻璃框的截面形状与风洞试验中喷管内截面形状匹配。

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