CN214200570U - 结冰风洞冰晶模拟系统 - Google Patents

Abstract

一种结冰风洞冰晶模拟系统，该系统包括：用于产生冰晶的冰晶源以及回流风洞，该回流风洞连接于冰晶源，以接纳来自冰晶源的冰晶以实施冰晶模拟，其中，冰晶源包括：冰晶制造装置，该冰晶制造装置包括制冰机、碎冰机以及制冷剂源，碎冰机与制冰机连接，并接收来自制冷剂源的制冷剂，以允许产生更小粒径的冰晶，以及冰晶筛分装置，该冰晶筛分装置连接于冰晶制造装置以接纳冰晶并根据冰晶的尺寸进行筛分，并且连接于回流风洞以将筛分后的冰晶输送至回流风洞，并且其中，结冰风洞冰晶模拟系统还包括冰晶收集测量装置，该冰晶收集测量装置设置在回流风洞内，并且包括收集管，该收集管的两端具有开口，并构造成允许冰晶沉积在收集管内。

Description

结冰风洞冰晶模拟系统

技术领域

本实用新型属于航空发动机结冰和防冰模拟技术，并且更具体地涉及一种结冰风洞冰晶模拟系统。

背景技术

飞机在低于冰点的温度下飞行时会遭遇冰晶，冰晶是严重影响飞行安全的气象条件，它会导致飞机的部件表面结冰，而飞机结冰是飞机安全飞行的致命弱点之一，它有可能导致飞机失事，造成严重损失。

由于这种自然气象条件无法避免，因此为了防止结冰造成的损害，需要加强飞机的防冰能力，由此，需要对飞机的不同部件进行试验，以确定各种结冰参数，从而对于飞机防冰提供设计依据。这种试验通常利用结冰风洞来进行。

结冰风洞是一种研究飞机在冰晶气象条件下飞行时，不同部件的迎风表面的结冰形态、结冰容限及其防冰技术的试验设备。

为了保证模拟的准确性，结冰风洞中的冰晶应当符合各种参数要求。目前，参考美国FAA CFR-33部适航条例，附录D《混合相和冰晶结冰包线》要求，冰晶总水含量要求1-5.1克/立方米(g/m³)，冰晶的平均粒子直径要求50-200 微米(μm)，同时满足不同水含量。其中，“总水含量”指的是混合相中单位体积所含水的质量，并且“平均粒子直径”指的是大于该直径的粒子总体积 (质量)与小于该直径的粒子总体积(质量)，各占总体积(质量)的百分之 50。

随着冰晶结冰条件适航标准的提出，亟需在结冰风洞中使用冰晶系统来模拟冰晶结冰条件，保障飞机安全飞行。

然而，国内结冰风洞起步较晚，目前还没有冰晶模拟的成熟研究成果。已有的冰晶模拟结构为制冰、碎冰、输送及监测四大部分构成。对于冰晶含量的监测，通常采用CCP测量系统。

然而，在冰晶含量＞3g/m³时，CCP测量系统不能再对其浓度进行监测，需采用物理场标定的方式或增设其他测量设备，这增加了模拟系统的复杂度。而通过常规光学测量视场较小，对于冰晶粒子在试验段的分布统计误差较大。

因此期望一种结冰风洞冰晶模拟系统，该系统能够满足结冰风洞的关于冰晶的各种需求，并在高冰晶含量的情况下监测冰晶分布均匀性。

实用新型内容

本实用新型提供了一种结冰风洞冰晶模拟系统，该系统采用碎冰的方法制造冰晶，满足结冰风洞对大产量冰晶的需求以及附录中的总水含量和平均粒子直径的要求。此外，该系统在回流风动中设置冰晶收集测量装置

具体地，这种结冰风洞冰晶模拟系统包括：用于产生冰晶的冰晶源以及回流风洞，该回流风洞连接于冰晶源，以接纳来自冰晶源的冰晶以实施冰晶模拟，其中，冰晶源包括：冰晶制造装置，该冰晶制造装置包括制冰机、碎冰机以及制冷剂源，碎冰机与制冰机连接，并接收来自制冷剂源的制冷剂，以允许产生更小粒径的冰晶，以及冰晶筛分装置，该冰晶筛分装置连接于冰晶制造装置以接纳冰晶并根据冰晶的尺寸进行筛分，并且连接于回流风洞以将筛分后的冰晶输送至回流风洞，并且其中，结冰风洞冰晶模拟系统还包括冰晶收集测量装置，该冰晶收集测量装置设置在回流风洞内，并且包括收集管，该收集管的两端具有开口，并构造成允许冰晶沉积在收集管内。

在一种优选实施例中，冰晶筛分装置包括落料系统，落料系统具有接纳冰晶的料仓。

进一步地，冰晶筛分装置包括对进入料仓后的冰晶进行称量的振动式失重称。

进一步地，落料系统包括高速落料系统和精密落料系统。

在一种优选实施例中，冰晶筛分装置经由输送管道连接于回流风洞，以使用气固输送来输送冰晶。由于冰晶含水量高以及气固输送对管道等磨损较大等问题，输送管道选用不锈钢材质。

在一种优选实施例中，收集管的朝向气流的开口为喇叭口型。

在一种优选实施例中，冰晶收集测量装置还包括支架，收集管固定在支架上并且相对于回流风洞的试验段的横截面均匀分布。

在一种优选实施例中，结冰风洞冰晶模拟系统还包括环境室和涡轮制冷机，碎冰机和冰晶筛分装置位于该环境室内，并且涡轮制冷机构造成对环境室进行温度调节。

在一种优选实施例中，结冰风洞冰晶模拟系统还包括报警器，该报警器位于环境室内，用于监测空气中的氧气浓度是否在人体所需氧气含量的警戒线以下，以确保在使制冷剂的过程中保障人员安全。

在一种优选实施例中，结冰风洞冰晶模拟系统还包括压缩气源，该压缩气源连通至冰晶筛分装置与回流风洞之间，以将冰晶从冰晶筛分装置输送到回流风洞的内部。

本文所描述的结冰风洞冰晶模拟系统的额外特征和优点将在下文的详细描述中陈述，并且通过下文对于本领域技术人员显然或者从通过实践本文所描述的实施例而被本领域技术人员认识到，这些描述包括下文的详细描述、权利要求、以及附图。

附图说明

参考以上目的，本实用新型的技术特征在下面的权利要求中清楚地描述，并且其优点从以下参照附图的详细描述中显而易见，附图以示例方式示出了本实用新型的优选实施例，而不限制本实用新型构思的范围。

图1示出了根据本实用新型的冰晶模拟系统的示意图；

图2示出了根据本实用新型的冰晶模拟系统的冰晶筛分装置的示意图；以及

图3示出了根据本实用新型的冰晶模拟系统的冰晶收集测量装置示意图。

附图标记

1 冰晶模拟系统

10 冰晶源

100 冰晶制造装置

101 制冰机

102 碎冰机

103 制冷剂源

110 环境室

120 涡轮制冷机

130 报警器

140 排气系统

200 冰晶筛分装置

210 落料系统

210a 高速落料系统

210b 精密落料系统

211 料仓

212 振动式失重称

220 过渡斗

230 压缩气源

20 回流风洞

30 冰晶收集测量装置

310 支架

320 收集管

321、322 开口

40 电控柜

具体实施方式

以下将结合附图对本实用新型的实施例进行详细说明，以便更清楚理解本实用新型的目的、特点和优点。应理解的是，附图所示的实施例并不是对本实用新型范围的限制，而只是为了说明本实用新型技术方案的实质精神。

图1示出本实用新型的结冰风洞冰晶模拟系统1的一种实施例。该结冰风洞冰晶模拟系统1包括冰晶源10、回流风洞20、冰晶收集测量装置30(在图3示出)以及用于向冰晶源10、回流风洞20、冰晶收集测量装置30等各个装置供应电力的动力源，该动力源例如是图中所示的电控柜40。

冰晶源10包括冰晶制造装置100和冰晶筛分装置200。如图1所示，冰晶制造装置100包括用于制造冰块的制冰机101、将冰块进行粉碎以形成冰晶的碎冰机102，以及制冷剂源103。制冰机101与碎冰机102连通，以将制冰机101制成的冰块输送至碎冰机102。制冷剂源103产生制冷剂，以对由制冰机101制备的冰块进行急速降温脆化，从而保证了碎冰机102将冰块机械粉碎到更小的粒子直径。在本实施例中，制冷剂源103是产生液氮的液氮罐，但这仅是示例而非限制。

粉碎后的冰块、或者称为冰晶，由下文的冰晶筛分装置200进行分级并收集。优选地，200μm的筛网设置在碎冰机102的出口，以保障出冰粒径晶在200μm以下，实现50-200μm的粒径控制。没有达到细度要求的物料返回继续粉碎。这样可以完全覆盖FAA CFR-33部适航条例附录D《混合相和冰晶结冰包线》中要求的冰晶粒子直径要求，同时机械式粉碎相比于液态水凝结成冰晶的方式，效率更高，大大提高了冰晶的产量。

碎冰机102优选地设置在低温的环境室110内，并由涡轮制冷机120和排气系统140对环境室110进行环境调节，以保证冰块经过碎冰机102粉碎后不会融化，从而避免粉碎后的细小冰粒产生聚集和粘连，由此可以保证冰晶粒子直径大小的稳定性。在环境室110内还可设有附加的报警器130，该报警器监测空气中的氧气浓度是否在人体所需氧气含量的警戒线以下，以确保在使用制冷剂的过程中保障人员安全。

参考图1和图2，示出了结冰风洞冰晶模拟系统1的冰晶筛分装置200，该冰晶筛分装置200连接于冰晶制造装置100，以接纳冰晶并根据冰晶的尺寸进行筛分。

具体地，如图2所示，冰晶筛分装置200包括落料系统210a、210b(统称为210)和过渡斗220。落料系统210包括料仓211，来自冰晶制造装置100 的冰晶被接纳到料仓211中。该料仓211为倒圆锥形，以有助于冰晶的落料输送。

在该实施例中，落料系统210包括对进入料仓211后的冰晶进行称量的振动式失重称212，以对冰晶的质量流量进行精确控制。当达到的设定的冰晶粒子含量时，冰晶离开料仓211，并汇聚到过渡斗220中，最终输送到回流风洞20中，以开展冰晶试验。

落料系统210包括高速落料系统210a和精密落料系统210b。在优选的实施例中，选用三台高速落料系统210a，一台精密落料系统210b来进行冰晶输送，这除了满足依据设计提供的“210m/s风速时，冰晶含量达到5.1 g/m³”的工况以外，还能高速而又精确地匹配不同含量的冰晶含量工况。但应当理解，只要能够进行冰晶含量工况的匹配，可选取任意数量的高速落料系统210a和精密落料系统210b。

在该实施例中，结冰风洞冰晶模拟系统1包括压缩气源，以采用气固输送的方式经由输送管道(未示出)将冰晶从冰晶源10的冰晶筛分装置200 输送到回流风洞20中。由于冰晶含水量高以及气固输送对管道等磨损较大等问题，输送管道选用不锈钢材质。

图3示出了结冰风洞冰晶模拟系统1的冰晶收集测量装置30，该冰晶收集测量装置30设置在回流风洞20中，具体地设置在回流风洞20的位于收缩段与扩散段之间的试验段中。冰晶收集测量装置30包括支架310和收集管 320，收集管320平行于回流风洞中的气流的流动方向固定在支架310上，并且相对于回流风洞20的试验段的某一横截面均匀分布，具体地是网格状分布。收集管320的两端具有开口321、322，这些开口321、322构造成允许回流风洞中的气流通过而使冰晶沉积在收集管320内。

将每个收集管320进行编号。对管内收集的冰晶质量进行称重，通过比较不同位置处收集到的冰晶来保证冰晶含量在3g/m³以上时冰晶模拟的均匀度。

在优选实施例中，收集管320的朝向气流的开口321为喇叭口型，以有助于冰晶的收集。但应当理解，开口321、322可以是有利于冰晶收集的各种形状。

此外，在该实施例中，冰晶收集测量装置30包括9个收集管320。但是可以理解，为了保证回流风动中冰晶模拟的均匀度，可选取其它数量的收集管320以满足要求。

本实用新型的具有如下的有益效果：

1.相对于冰风洞常规冰晶模拟法，碎冰法稳定性高，冰晶含量和冰晶粒径覆盖范围大，完全覆盖最新附录D要求；

2.采用冰晶存储与输送的方式进行环境模拟，风洞中一开始输送的就是冰晶，区别于液态水在输送过程中凝结成冰晶的模拟方法，对风洞中制冷负荷要求降低，同时减少了风洞中其他环境因素对液态水凝结成冰过程的干扰，可以保证持续进行试验；

3.本方案采用振动式筛冰法，创新性称重方式，保证了冰晶含量的精确控制，同时冰晶直接喷射的方式，避免了液态水凝结方式的粘连、聚集等；

4.创新性的在不同位置处设置喇叭口的方式来收集喷射出的冰晶，通过比较不同位置处收集到的冰晶含量，进行参数调整，从而保证冰晶模拟的均匀度。

虽然以上结合了较佳实施例对本实用新型的结构进行了说明，但是本技术领域中的普通技术人员应当认识到，上述示例仅是用来说明的，而不能作为对本实用新型的限制。因此，可以对本实用新型进行修改和变型，这些修改和变型都将落在本申请所附权利要求书所限定的范围之内。

Claims (10)

1.一种结冰风洞冰晶模拟系统，所述结冰风洞冰晶模拟系统包括：

冰晶源，所述冰晶源用于产生冰晶；以及

回流风洞，所述回流风洞连接于所述冰晶源，以接纳来自所述冰晶源的冰晶以实施冰晶模拟，

其特征在于，所述冰晶源包括：

冰晶制造装置，所述冰晶制造装置包括制冰机、碎冰机以及制冷剂源，所述碎冰机与所述制冰机连接，并接收来自所述制冷剂源的制冷剂，以允许产生更小粒径的冰晶，以及

冰晶筛分装置，所述冰晶筛分装置连接于所述冰晶制造装置以接纳所述冰晶并根据所述冰晶进行筛分，并且连接于所述回流风洞以将筛分后的所述冰晶输送至所述回流风洞，并且

还包括冰晶收集测量装置，所述冰晶收集测量装置设置在所述回流风洞内，并且包括收集管，所述收集管的两端具有开口，并构造成允许所述冰晶沉积在所述收集管内。

2.如权利要求1所述的结冰风洞冰晶模拟系统，其特征在于，

所述冰晶筛分装置包括落料系统，所述落料系统具有接纳所述冰晶的料仓。

3.如权利要求2所述的结冰风洞冰晶模拟系统，其特征在于，

所述冰晶筛分装置包括对进入所述料仓后的所述冰晶进行称量的振动式失重称。

4.如权利要求2所述的结冰风洞冰晶模拟系统，其特征在于，

所述落料系统包括高速落料系统和精密落料系统。

5.如权利要求1所述的结冰风洞冰晶模拟系统，其特征在于，

冰晶筛分装置经由不锈钢材质的输送管道连接于所述回流风洞。

6.如权利要求1所述的结冰风洞冰晶模拟系统，其特征在于，

所述收集管的朝向气流的开口为喇叭口型。

7.如权利要求1所述的结冰风洞冰晶模拟系统，其特征在于，

所述冰晶收集测量装置还包括支架，所述收集管固定在支架上并且相对于所述回流风洞的试验段的横截面均匀分布。

8.如权利要求1所述的结冰风洞冰晶模拟系统，其特征在于，

还包括环境室和涡轮制冷机，所述碎冰机和所述冰晶筛分装置位于所述环境室内，并且所述涡轮制冷机构造成对所述环境室进行温度调节。

9.如权利要求8所述的结冰风洞冰晶模拟系统，其特征在于，

还包括报警器，所述报警器位于所述环境室内。

10.如权利要求1所述的结冰风洞冰晶模拟系统，其特征在于，

还包括压缩气源，所述压缩气源连通至冰晶筛分装置与所述回流风洞之间，以将所述冰晶从所述冰晶筛分装置输送到所述回流风洞的内部。

Images