CN111076888A - 一种用于积冰粘附力测量的小型垂直回流冰风洞实验装置 - Google Patents

一种用于积冰粘附力测量的小型垂直回流冰风洞实验装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种用于积冰粘附力测量的小型垂直回流冰风洞实验装置，包括：雾化喷嘴***，实验旋转梁部分，低温环境箱部分，垂直回流小风洞***。本发明的有益效果包括：1)在地面环境下尽可能地模拟了高空飞机飞行结冰的情况，并同时给出了积冰的粘附力的测量实验装置；2)实现了多种因素共同控制的粘附力测量实验，能够实现在不同环境温度和不同风速下的飞机积冰模拟并对积冰粘附力大小进行准确测量；3)搭建了小型垂直回流冰风洞，体积较小，能实现低温环境下的结冰状态研究，适合于学校、实验室、企业等探究不同影响因素对于粘附力大小的具体变化规律，具有广阔的应用前景。

Description

一种用于积冰粘附力测量的小型垂直回流冰风洞实验装置
技术领域
本发明涉及一种模拟飞机在大气条件下结冰并实现积冰的用于积冰粘附力测量的小型垂直回流冰风洞实验装置。
背景技术
飞机在飞行穿过过冷云层时，空气中的过冷水滴、冰晶与飞机撞击产生附着冰附着在飞机表面，这种结冰现象会影响飞机气动外形，使得飞机升力下降，阻力上升，对飞机的性能产生非常的影响，严重还会导致飞机失事情况的发生。因此对于飞机表面的除冰是一项很重要的研究内容。飞机在高空飞行时所结冰为撞击冰，其形成受到水滴尺寸、大气环境温度、液态水含量、飞机飞行速度等一系列参数的影响。其表面结冰可以分为明冰、霜冰和混合冰。霜冰一般形成在温度较低，液态水含量较少的条件下，密度较小，形态疏松，容易受到气流吹拂作用而除去。明冰形成于较高的温度和液态水含量条件下，其密度较大，组织致密，不易除去，严重威胁飞机飞行安全。为此我们需要采用一系列手段来除去飞机表面附着冰，机械除冰是一种典型的飞机表面结冰的除冰方法，依靠使蒙皮振动、变形等方式破坏冰层与蒙皮之间的粘附力，从而达到除冰的效果。为保证施加在飞机表面的力能完全的除去附着冰，且尽可能减少飞机上能源的利用，需要我们对于飞机表面的附着冰的粘附力大小有一个准确地认知。由此引申出针对不同飞机表面结冰条件下的粘附力测量研究，为尽可能的模拟飞机表面结冰的情况，本文发明了一个垂直回流小型冰风洞，用于结冰表面粘附力计算。
发明内容
根据本发明的一个方面，提供了一种用于积冰粘附力测量的小型垂直回流冰风洞实验装置，其特征在于包括：
雾化喷嘴***，
实验旋转梁部分，
低温环境箱部分，
垂直回流小风洞***，
其中：
雾化喷嘴***包括：
一个空气雾化喷嘴，
气路部分，其包括：
空气压缩机，用于制取高压空气，
空气净化器，用于除去高压空气中的杂质，
空气调节器来调节空气净化器输出的高压空气的压力，
流量调节阀门，用于把空气调节器输出的高压空气输送至喷嘴的气路接口，
水路部分，其包括：
一个水泵，用于把水输送至液态过滤器，
所述液态过滤器，用于除去来自水泵的水中的杂质，
液体调节器，用于控制所述液态过滤器输出的水的压力，
液体流量调节阀门，用于调节液体调节器输出的水的流量并把所述水输送至喷嘴的水路接口，
实验旋转梁部分包括：
实验台，其被固定在实验梁上端，
所述实验梁，其全部被置于低温环境箱内，
实验梁固定件，其与实验梁的下端连接，
电机，
联轴器，其中实验梁固定件通过联轴器与电机相连，
变频器，用于与电机配合使用，通过改变变频器的频率来调节电机的转速，从而实现对实验梁转速的控制，
低温环境箱部分包括：
作为主体的不锈钢箱体，不锈钢箱体的内表面贴有保温棉，用于保持环境温度，
设置在不锈钢箱体内部的多个翅片式换热器，
设置在不锈钢箱体之外的冷却水循环机，其通过硅胶软管与所述多个翅片式换热器连接，
垂直回流小风洞***包括：动力段、第一扩压段、导流段、收缩段、实验段、第二扩压段，其中：
动力段包括安装在其拐角处的离心式风机，用于为实验提供一定量的稳定气流，
导流段包括直流段和第一拐角段、第二拐角段、第三拐角段，用于改变气流在流动过程中的方向，
收缩段用于起到气流增速的作用，
实验段为用于进行实验的部分，
实验段包括一个断口，用于把实验旋转梁放置在实验段内，以进行积冰模拟和/或粘附力大小测量，
垂直回流小风洞***内的气流流动过程包括：风机出口处的气流在经过第一软连接部分和第一扩压段后减速，然后经过第一拐角段和第二拐角段和直流段，使得气流方向转变，之后气流在稳定段内进行整流，然后经过收缩段增速进入实验段，气流与安装在实验段处的喷嘴上形成的喷雾一起撞击在实验台的表面从而形成积冰，再通过离心式方法测量积冰与实验台表面之间的粘附力，气流在经过实验段后再次经过第二扩压段而被减速，然后流经第三拐角段和第二软连接部分，到达风机的进口处，形成一个整体的垂直回流循环风洞***。
附图说明
图1是根据本发明的一个实施例的用于积冰粘附力测量的小型垂直回流冰风洞实验装置的整体配置示意图。
图2是根据本发明的一个实施例的喷雾***的示意图。
图3是根据本发明的一个实施例的旋转实验梁***的示意图。
图4是根据本发明的一个实施例的低温环境箱的示意图。
图5是根据本发明的一个实施例的用于积冰粘附力测量的小型垂直回流冰风洞实验装置的***图。
具体实施方式
根据本发明的一个实施例的用于积冰粘附力测量的小型垂直回流冰风洞实验装置的整体示意图如下图1所示。
该用于积冰粘附力测量的小型垂直回流冰风洞实验装置包括四个***部分：雾化喷嘴***、实验旋转梁部分、低温环境箱部分、垂直回流小风洞***。以下具体说明各部分。
1、雾化喷嘴***：
雾化喷嘴***包括一个空气雾化喷嘴和气路水路两部分，如图2所示。气路通过空气压缩机101来制取高压空气，高压空气经过空气净化器102除去杂质，再通过空气调节器103来调节空气压力后经过流量调节阀门104输送至喷嘴105的气路接口。水路部分通过一个扬程为5m，流量为2200L/h水泵109将水输送至液态过滤器108中除去水中的杂质，再由液体调节器107控制水的压力后经过液体流量调节阀门106输送至喷嘴105的水路接口。在一个具体实施例中，喷嘴105选用的spraying公司的官方雾化喷嘴，型号为SU12 1/4J，其两端分别对应水路和气路两个接口，两端两个螺母用于调节水路和气路的阈值，改变流量供应，用于调节喷雾流量和喷雾液滴直径。在2.8bar下，其流量大小为2.08到220L/h，雾化喷嘴105产生的喷雾液滴直径与雾化喷嘴流量成正相关流量越大，产生液滴直径也越大。根据官方资料中有关喷嘴的资料，实验用喷嘴在2.8bar下喷雾液滴的体积中位数直径为15～200微米
2、实验旋转梁部分：
实验旋转梁部分的设计如图3所示，其中：实验台201通过螺栓固定在实验梁202上端，整根实验梁置于低温环境箱内，实验梁202下端与实验梁固定件203连接。实验梁固定件203通过联轴器204与电机205相连，电机205与变频器206配合使用，通过改变变频器206的频率来调节电机205的转速，从而实现对实验梁202转速的控制，其转速可调范围为0～8000rpm。
3、低温环境箱部分：
如图4所示，根据本发明的一个实施例，低温环境箱部分包括作为主体的一个650mm*600mm*450mm的不锈钢箱体301，其内表面贴有30mm厚的保温棉302，起到保持环境温度稳定的作用。不锈钢箱体301内部包括8块200mm*230mm*40mm的翅片式换热器303，后者与外接的冷却水循环机306通过硅胶软管307连接。根据本发明的一个实施例，低温环境箱内可实现最低温度为-17℃的可控的低温环境。
4、垂直回流小风洞***：
如图5所示，根据本发明的一个实施例的垂直回流小风洞***包括五部分：动力段、扩压段、导流段、收缩段、实验段。动力段包括安装在其拐角处的离心式风机401，为实验提供一定量的稳定气流。导流段包括直流段405和三个拐角段404、406、411构成，用于改变气流在流动过程中的方向；收缩段408起到气流增速的作用，收缩段408设计选用维式曲线以保证气流流场的稳定性；实验段409为实验进行部分，在实验段409存在高度为75mm的断口，用于把实验旋转梁202放置在实验段409内进行积冰模拟并测量粘附力大小。风洞内的整个气流流动过程如下：风机401出口处的气流在经过软连接402和扩压段403后减速，然后经过两个拐角段404、406和一个直流段405，使得气流方向转变，之后气流在稳定段407内进行整流，然后经过收缩段408增速进入实验段。气流与安装在实验段409处的喷嘴105(图2)上形成的喷雾一起撞击在实验台201(图3)的表面而形成积冰，再通过离心式的方法测量其粘附力。在经过实验段409后，气流再次经过一个扩压段410减速，然后流经一个拐角411和软连接412，到达风机401的进口处，形成一个整体的垂直回流循环风洞***。
本发明的优点和有益效果包括：
1)在地面环境下尽可能地模拟了高空飞机飞行结冰的情况，并同时给出了积冰的粘附力的测量实验装置；
2)实现了多种因素共同控制的粘附力测量实验，能够实现在不同环境温度和不同风速下的飞机积冰模拟并对积冰粘附力大小进行准确测量；
3)搭建了小型垂直回流冰风洞，体积较小，能实现低温环境下的结冰状态研究，适合于学校、实验室、企业等探究不同影响因素对于粘附力大小的具体变化规律，具有广阔的应用前景。

Claims (4)

1.一种用于积冰粘附力测量的小型垂直回流冰风洞实验装置，其特征在于包括：
雾化喷嘴***，
实验旋转梁部分，
低温环境箱部分，
垂直回流小风洞***，
其中：
雾化喷嘴***包括：
一个空气雾化喷嘴(105)，
气路部分，其包括：
空气压缩机(101)，用于制取高压空气，
空气净化器(102)，用于除去高压空气中的杂质，
空气调节器(103)来调节空气净化器(102)输出的高压空气的压力，
流量调节阀门(104)，用于把空气调节器(103)输出的高压空气输送至喷嘴(105)的气路接口，
水路部分，其包括：
一个水泵(109)，用于把水输送至液态过滤器(108)，
所述液态过滤器(108)，用于除去来自水泵(109)的水中的杂质，
液体调节器(107)，用于控制所述液态过滤器(108)输出的水的压力，
液体流量调节阀门(106)，用于调节液体调节器(107)输出的水的流量并把所述水输送至喷嘴(105)的水路接口，
实验旋转梁部分包括：
实验台(201)，其被固定在实验梁(202)上端，
所述实验梁(202)，其全部被置于低温环境箱内，
实验梁固定件(203)，其与实验梁(202)的下端连接，
电机(205)，
联轴器(204)，其中实验梁固定件(203)通过联轴器(204)与电机(205)相连，
变频器(206)，用于与电机(205)配合使用，通过改变变频器(206)的频率来调节电机(205)的转速，从而实现对实验梁(202)转速的控制，
低温环境箱部分包括：
作为主体的不锈钢箱体(301)，不锈钢箱体(301)的内表面贴有保温棉(302)，用于保持环境温度，
设置在不锈钢箱体(301)内部的多个翅片式换热器(303)，
设置在不锈钢箱体(301)之外的冷却水循环机(306)，其通过硅胶软管(307)与所述多个翅片式换热器(303)连接，
垂直回流小风洞***包括：动力段、第一扩压段、导流段、收缩段、实验段、第二扩压段，其中：
动力段包括安装在其拐角处的离心式风机(401)，用于为实验提供一定量的稳定气流，
导流段包括直流段(405)和第一拐角段(404)、第二拐角段(406)、第三拐角段(411)，用于改变气流在流动过程中的方向，
收缩段(408)用于起到气流增速的作用，
实验段(409)为用于进行实验的部分，
实验段(409)包括一个断口，用于把实验旋转梁(202)放置在实验段(409)内，以进行积冰模拟和/或粘附力大小测量，
垂直回流小风洞***内的气流流动过程包括：风机(401)出口处的气流在经过第一软连接部分(402)和第一扩压段(403)后减速，然后经过第一拐角段(404)和第二拐角段(406)和直流段(405)，使得气流方向转变，之后气流在稳定段(407)内进行整流，然后经过收缩段(408)增速进入实验段，气流与安装在实验段(409处的喷嘴(105上形成的喷雾一起撞击在实验台(201)的表面从而形成积冰，再通过离心式方法测量积冰与实验台(201)表面之间的粘附力，气流在经过实验段(409)后再次经过第二扩压段(410)而被减速，然后流经第三拐角段(411)和第二软连接部分(412)，到达风机(401)的进口处，形成一个整体的垂直回流循环风洞***。
2.根据权利要求1所述的用于积冰粘附力测量的小型垂直回流冰风洞实验装置，其特征在于：
雾化喷嘴(105)产生的喷雾液滴直径与雾化喷嘴流量成正相关流量越大，产生液滴直径也越大，
雾化喷嘴(105)在2.8bar下喷雾液滴的体积中位数直径为15～200微米。
3.根据权利要求1所述的用于积冰粘附力测量的小型垂直回流冰风洞实验装置，其特征在于：
收缩段(408)选用维式曲线，以保证气流流场的稳定性。
4.根据权利要求1所述的用于积冰粘附力测量的小型垂直回流冰风洞实验装置，其特征在于：
实验段(409)的所述断口的高度为75mm，
变频器(206)的转速可调范围为0～8000rpm。
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