CN104634536A - 一种经济高效的开口直流式冰风洞 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种经济高效的开口直流式冰风洞，包括依次连接的进气口、动力段、扩散段、稳定段、冰雪颗粒生成段和试验段；所述冰雪颗粒生成段内设有液氮喷头和气动喷头，所述液氮喷头通过液氮管路与液氮源连接构成液氮制冷***，所述气动喷头通过混合管路与压力气源和压力水源连接构成水颗粒生成***；在所述动力段内安装有风机。本发明具有工艺简单、单次试验费用低、试验效率高和制造成本低的优点，克服了大型冰风洞需要配备大型制冷除冰设备、成本高昂且试验周期长的缺点，又能满足一般冰雪颗粒流体教学、科研试验的要求。

Description

一种经济高效的开口直流式冰风洞

技术领域

本发明涉及一种经济高效的开口直流式冰风洞，可用于航空航天领域含冰晶颗粒流动的研究和建筑结构工程领域大跨度建筑屋盖及四周风致积雪漂移的模拟。

背景技术

风洞是能人工产生和控制气流，以模拟飞行器或物体周围气体的流动，并可量度气流对物体的作用以及观察物理现象的一种管道状实验设备，它是进行空气动力实验最常用、最有效的工具。风洞试验不仅在航空和航天工程的研究和发展中起着重要作用，随着工业空气动力学的发展，在交通运输、房屋建筑等领域也发挥着越来越重要的作用。它具有下列显著优点：①可以比较准确地控制实验条件，如气流的速度、压力、温度等；②实验在室内进行，受气候条件和时间的影响小，模型和测试仪器的安装、操作、使用比较方便；③实验项目和内容多种多样，实验结果的精确度较高；④实验比较安全，而且效率高、成本低。因此，风洞实验在空气动力学的研究、各种飞行器的研制方面，以及在工业空气动力学和其他同气流或风有关的领域中，都有广泛应用。

其中，冰风洞是一种能在风洞洞体内产生冰晶颗粒流体的试验装置，它除了可模拟航空器的飞行情况外，还可模拟航空器飞行时的结冰气象条件。在结冰气象条件下，云层中存在大量以液态形式存在的温度低于零度的过冷水滴。当飞机在这种气象条件下飞行时，过冷水滴撞击到飞机的迎风面，使得这些表面发生结冰现象从而导致机翼升力降低，阻力增加，操纵性能下降等。实践表明，飞机结冰现象会对飞机的飞行安全造成极大的危害。因此，有关飞机结冰方面的研究相继展开，其中，数值模拟和试验研究是这一领域的主要研究方法。而冰风洞试验是进行飞机结冰和防冰体系研究的最重要的试验手段。与此同时，冰风洞亦可应用于建筑结构领域。例如，大跨度建筑结构屋盖表面由于大风作用会导致屋面雪荷载的不均匀分布，由此所导致的结构坍塌事故时有发生，与之相关的风致积雪漂移的研究从上世纪90年代起开始引起美国等发达国家的重视。目前，我国也逐步开展了此方面的研究。而通过冰风洞试验研究风致积雪漂移对于大跨度结构的影响是这一领域的重要研究方法之一。目前公认的能生成冰晶颗粒流动气体的装置是大型冰风洞实验室，它采用大型制冷设备生成低温气体，从而使气动喷嘴喷出的水颗粒转化为冰颗粒，造价昂贵，运行和维护费用也十分高昂，多用于生产性试验，一般的科研试验难以承担。而且，大型冰风洞试验周期较长，为生成所需要的低温环境通常需要数天时间，这也大大增加了进行科研试验的经费和时间。因此，研发一种高效率、适用于中小规模冰风洞科研试验的冰风洞实验室很有必要。

发明内容

本发明为解决公知技术中存在的技术问题而提供一种经济高效的开口直流式冰风洞，它既克服了大型冰风洞需要配备大型制冷除冰设备、成本高昂且试验周期长的缺点，又能满足一般冰雪流体教学、科研试验的要求。

本发明为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是：一种经济高效的开口直流式冰风洞，包括依次连接的进气口、动力段、扩散段、稳定段、冰雪颗粒生成段和试验段；所述冰雪颗粒生成段内设有液氮喷头和气动喷头，所述液氮喷头通过液氮管路与液氮源连接构成液氮制冷***，所述气动喷头通过混合管路与压力气源和压力水源连接构成水颗粒生成***；在所述动力段内安装有风机。

该冰风洞还包括混合收缩段，所述混合收缩段连接在所述冰雪颗粒生成段和所述试验段之间。

所述压力水源通过压力水管路与所述混合管路连接，在所述压力水管路上设置有保温加热设备。

在所述压力水源的出口处安装有压力水源阀门。

在所述混合收缩段的出口处设有温度和流量测量装置。

所述压力气源通过压力气体管路与所述混合管路连接，在所述压力气源的出口处安装有压力气源阀门。

在所述液氮源的出口处安装有液氮源阀门。

所述液氮源由杜瓦瓶及储存在其中的液氮组成。

本发明具有的优点和积极效果是：通过采用在常规风洞的基础上增设冰雪生成段，并使冰雪生成段连接液氮制冷***和水颗粒生成***的结构，采用液氮在冰雪颗粒生成段产生超低温气体制冷，并与水颗粒混合生成冰雪颗粒，可在数分钟之内达到试验所需的低温环境并产生满足试验要求的冰雪颗粒，具有工艺简单、单次试验费用低、试验效率高和制造成本低的优点，克服了大型冰风洞需要配备大型制冷除冰设备、成本高昂且试验周期长的缺点，又能满足一般冰雪颗粒流体教学、科研试验的要求。本发明可通过改造常规现有风洞形成，将冰雪颗粒生成段和混合收缩段加装在不同规格、不同风速(低速风洞、高速风洞等)的风洞上可以应用于不同领域(如航空航天、建筑结构等)的科研试验。而将冰雪颗粒生成段和混合收缩段拆除后，又可作为普通风洞使用。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的冰雪颗粒生成段立体剖视图；

图3为本发明的冰雪颗粒生成段平面剖视图；

图4为本发明的混合收缩段立体剖视图。

图中：1、进气口；2、动力段；3、扩散段；4、稳定段；5、冰雪颗粒生成段；6、混合收缩段；7、试验段；8、液氮制冷***；9、水颗粒生成***；10、液氮源；11、压力气源；12、压力水源；13、保温加热设备；14、液氮喷头；15、气动喷头；16、温度和流量测量装置；17、液氮管路；18、液氮源阀门；19、压力气体管路；20、压力气源阀门；21、压力水管路；22、压力水源阀门；23、试验模型。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：

请参阅图1～图4，一种经济高效的开口直流式冰风洞，包括依次连接的进气口1、动力段2、扩散段3、稳定段4、冰雪颗粒生成段5和试验段7。

所述冰雪颗粒生成段5内设有液氮喷头14和气动喷头15，所述液氮喷头14通过液氮管路17与液氮源10连接构成液氮制冷***8，所述气动喷头15通过混合管路与压力气源11和压力水源12连接构成水颗粒生成***9。在所述动力段2内安装有风机。

在本实施例中，上述冰风洞还包括混合收缩段6，所述混合收缩段6连接在所述冰雪颗粒生成段5和所述试验段7之间。所述压力水源12通过压力水管路21与所述混合管路连接，在所述压力水管路21上设置有保温加热设备13。在所述压力水源12的出口处安装有压力水源阀门22。在所述混合收缩段6的出口处设有温度和流量测量装置16。所述压力气源11通过压力气体管路19与所述混合管路连接，在所述压力气源11的出口处安装有压力气源阀门20。在所述液氮源10的出口处安装有液氮源阀门18。所述液氮源10由杜瓦瓶及储存在其中的液氮组成。

为避免所产生的冰雪颗粒回流导致动力段内风机等电机设备损坏故障，本发明所述风洞设计为开口直流式。同时，由于冰雪颗粒在进入试验段7之前生成，对于风洞大部分阶段没有影响，试验中只需注重对于混合收缩段6和试验段7的养护即可。

上述冰风洞各部分的工作原理如下：

液氮制冷***8提供生成冰晶颗粒所需的超低温液氮，并由液氮喷头14喷出。在本实施例中，该液氮制冷***由液氮源10、液氮管路17、液氮喷头15和液氮源阀门18组成。液氮由液氮源10流出，经液氮管路17，从液氮喷头14喷出到风洞的冰雪颗粒生成段5内，液氮在冰雪颗粒生成段5内迅速汽化，产生超低温气体，并与风洞中稳定段4来流混合产生冷空气，可通过液氮源压力阀门18控制液氮流量，从而控制制冷效果。一般控制在-30℃至-10℃之间。

水颗粒生成***9提供生成冰雪颗粒所需的细小水颗粒，并由气动喷头15喷出。在本实施例中，该水颗粒生成***由气动喷头15、压力水源12、压力气源11、压力气体管路19、压力水管路21、保温加热设备13、压力气源阀门20、压力水源阀门22和混合管路组成。压力气源11中的压力气体和压力水源12中的压力水分别流经各自管路进入混合管路，在进入气动喷头15前混合，通过气动喷头15产生细小水颗粒并由气动喷头15喷出。可通过调节压力气源阀门20和压力水源阀门22分别控制压力气体和压力水流量。由于气动喷头15受冷空气来流影响处于极低温度环境，可能导致喷头中水体凝结，堵塞喷头。为防止这种现象发生，在压力水管路上设置保温加热装置13，对压力水管路21内的水体加热，使喷头喷出的水体温度不至于过低，并尽量延长压力水管路21的长度，从而延长加热时间，使喷头喷出的水体温度达到20℃左右，从而保证气动喷头畅通。

冷空气和水颗粒在混合收缩段6内充分混合，生成含冰晶颗粒的流体，并通过收缩加速到试验所需流速后进入试验段7，从而在试验段7中模拟形成冰雪流体环境。在混合收缩段7的出口处安装有温度和流量测量装置16，从而监测实际进入试验段的流体流量和温度。

本发明的具体使用过程如下：

首先打开位于动力段2内的风机，在风洞内形成稳定气流。打开压力水源阀门22和压力水管路上的保温加热设备13，对压力水管路进行预热并保温。待加热到达预定温度，如40℃至50℃时，关闭压力水源阀门22和保温加热设备13。打开液氮源阀门18，对风洞内流体进行制冷，同时将试验模型23置于试验段7内。通过调节液氮源阀门18，调节风洞内制冷气体温度。待制冷气体温度降至预定值，如-30℃至-10℃时，打开压力气源阀门20、压力水源阀门22以及保温加热设备13，通过气动喷头15向冰雪颗粒生成段5内喷射细小水颗粒，从而在冰风洞内生成冰雪颗粒流体。通过混合收缩段的温度和流量测量装置16监测冰雪颗粒流体的实际温度和流量，并通过调节压力气源阀门20、压力水源阀门22的开度，调节风洞内冰雪颗粒流体中冰雪颗粒的浓度。从而尽可能达到或逼近试验所要求模拟的条件。

待达到预定试验时间后，先关闭液氮源阀门18、压力气源阀门20、压力水源阀门22以及保温加热设备13，待风洞内流体温度恢复至常温时，关闭动力段2内的风机。对试验段进行测量记录，采集试验数据，结束试验。

尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以做出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种经济高效的开口直流式冰风洞，其特征在于，包括依次连接的进气口、动力段、扩散段、稳定段、冰雪颗粒生成段和试验段；所述冰雪颗粒生成段内设有液氮喷头和气动喷头，所述液氮喷头通过液氮管路与液氮源连接构成液氮制冷***，所述气动喷头通过混合管路与压力气源和压力水源连接构成水颗粒生成***；在所述动力段内安装有风机。

2.根据权利要求1所述的经济高效的开口直流式冰风洞，其特征在于，该冰风洞还包括混合收缩段，所述混合收缩段连接在所述冰雪颗粒生成段和所述试验段之间。

3.根据权利要求1所述的经济高效的开口直流式冰风洞，其特征在于，所述压力水源通过压力水管路与所述混合管路连接，在所述压力水管路上设置有保温加热设备。

4.根据权利要求3所述的经济高效的开口直流式冰风洞，其特征在于，在所述压力水源的出口处安装有压力水源阀门。

5.根据权利要求2所述的经济高效的开口直流式冰风洞，其特征在于，在所述混合收缩段的出口处设有温度和流量测量装置。

6.根据权利要求1所述的经济高效的开口直流式冰风洞，其特征在于，所述压力气源通过压力气体管路与所述混合管路连接，在所述压力气源的出口处安装有压力气源阀门。

7.根据权利要求1所述的经济高效的开口直流式冰风洞，其特征在于，在所述液氮源的出口处安装有液氮源阀门。

8.根据权利要求1所述的经济高效的开口直流式冰风洞，其特征在于，所述液氮源由杜瓦瓶及储存在其中的液氮组成。