一种结冰风洞热气防冰试验高精度模拟方法和装置与流程

本发明涉及风洞试验领域，具体说是一种用于在高空结冰气象条件下对各种容易结冰的对象开展结冰探测的方法和装置。

背景技术：

结冰是飞行实践中广泛存在的一种物理现象，是造成飞行安全事故的主要隐患之一。当飞机在环境温度低于冰点或在冰点附近的结冰气象条件下飞行时，大气中的过冷水滴撞击到飞机表面，结冰现象就很容易在机翼、尾翼、旋翼、进气道、风挡玻璃、天线罩、仪表传感器等部件表面发生。飞机结冰不仅增加了飞机的重量，而且破坏了飞机表面的气动外形，改变了绕流流场，破坏了气动性能，造成飞机最大升力下降、飞行阻力上升、操作性能下降、稳定性能降低，对飞行安全造成了很大的威胁，因结冰而引发的飞行事故屡见不鲜，严重的结冰甚至可以导致机毁人亡。

jar/far分别针对大型飞机、小型飞机、直升机、旋翼飞机等进行了防除冰的规范要求。规范严格禁止表面结冰的飞机起飞，明确规定在飞机取得相关结冰防护的适航许可前，任何人都不得在结冰气象条件下驾驶飞机。所以，为了获得结冰防护的适航许可，必须在挡风玻璃、机翼、尾翼、直升机旋翼、螺旋桨、发动机前缘等容易结冰部位安装有效的结冰防护系统。可见，为了保证航空飞行器在结冰气象条件下能够安全飞行，在机翼前缘、尾翼前缘和发动机唇口等主要防冰部件位置均要求安装防除冰装置。

热气除冰方法是将飞机发动机压气机引出的热空气用于除冰的方法。发动机压气机引出的热空气经引气管流入至防冰腔内，沿着防冰通道流动，流动过程中将热量传递到除冰区表面，破坏冰层和蒙皮间的粘附强度，在气动力或惯性力的帮助下，达到除冰的目的。热气防冰腔-笛形管结构是热气防冰系统的核心部件，我国正在研制的支线客机arj21以及大型客机c919就是采用这种结构，实际上就是一种传热传质的气体热交换器，它的防冰能量来自于发动机引气，通常采用连续性加热方式。所以，当外部热载荷条件一定的前提下，如何提高防冰腔和笛形管内部的换热效率，对于降低飞机发动机的防冰代偿损失近而提高飞机的安全性能至关重要。

建立一套基于结冰风洞的热气防冰实验系统，是开展飞机热气防冰实验研究的核心和基础，而其中的关键技术，是在发动机热引气流量、温度和压力等范围内如何提高其控制精度,以满足飞机热气防冰实验的要求。美国、英国、加拿大等发达国家在结冰风洞热气防冰实验方法和实验装置处于领先地位，但长期对中国处于技术封锁的状态，而这方面几乎没有公开的文献资料，因此，本发明人面对这种技术困境，立足于自给自足解决问题的策略，对结冰风洞热气防冰实验系统的关键问题进行了研究，并较好的解决了大量程下的高精度防冰热气流量、温度和压力控制策略和方法，为研制结冰风洞大流量高精度防冰热气实验系统奠定了基础。

技术实现要素：

本发明的目的是针对结冰风洞实验平台，提出了飞机热气防冰腔之前的流量、压力、温度等高精度调节方法和装置，直接应用于航空飞行器热气防冰装置的实验研究中，也可以用于对风力机、高速列车和输电设备等防冰部位进行热气防冰实验，也可以应用于工业换热设备的传热传质实验研究。既可以应用于结冰风洞中，也可以应用于其它类似的地面实验设备中。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种结冰风洞热气防冰试验高精度模拟方法和装置，从气体输入方向到输出方向依次包括气源、减压装置、空气加热器、多级电加热装置和试验段，所述减压装置后的气路分为两路，一路为主路、进入空气加热器进行，另一路为支路、与空气加热器加热后的空气进行混流，所述多级电加热装置与试验段之间设置有气动切换阀将气路分为两路，一路气体进入试验段并通过试验模型的防冰腔、笛形管后流出试验段并进行流量测量，另一路从试验段外部的结冰风洞驻室内流过并进行流量测量，所述试验段内的气路布设与试验段外的气路布设一致，模型主路与模拟旁路在通过风洞试验段后合并为一路，并通过流量计和消音装置排出。

在上述技术方案中，所述气源分为气压在2mpa～22mpa的高压气源和气压小于2mpa的中压气源两种。

在上述技术方案中，所述减压装置包括两个串联减压阀，从气源方向的第一一个减压阀为一级减压，第二个减压阀为二级减压。

在上述技术方案中，如果气源为中压气源，所述中压气源直接输入到二级减压上进入空气加热器。

在上述技术方案中，减压装置后的两路气路上均设置有调节阀，用于控制两路气路上的流量。

在上述技术方案中，多级电加热装置包括串联的一级电加热装置和二级电加热装置。

在上述技术方案中，所述电加热装置包括缠绕在气路管道表面的电加热带，或设置在气路管道内部的电加热丝。

在上述技术方案中，所述试验段内外的气路管道长度、结构、排列方式保持一致。

在上述技术方案中，所述当前电加热装置的加热功率计算是要根据该电加热装置前端的高压热气温度控制精度来进行确定。

在上述技术方案中，所述气动切换阀包括一个气缸和设置在气缸内的活塞，气缸一端设置为进气管，与进气管对应的另一端设置有两路出气管，所述气缸上设置有两个驱动装置，直接利用管路内的高压空气驱动，两个驱动装置各自独立驱动活塞在气缸内运动，使得进气管与其中一个出气管通过气缸连通，不采用液压或电机驱动。

在上述技术方案中，防冰热气的控制方法包括以下步骤：

步骤一：启动结冰风洞驱动风机和制冷系统，使实验段内的流场和温度场达到实验的要求；

步骤二：开启结冰风洞大流量高精度热气防冰实验系统，如果采用高压气源，则开启球阀让压缩空气经过一级减压阀进行减压，然后再开启二级减压阀让压缩空气进一步减压；如果采用中压气源，则开启球阀让压缩空气经过二级减压阀进行减压；

步骤三：开启球阀让二级减压后的压缩空气进入到空气过滤器中，对压缩空气进行干燥，并过滤掉不干净的颗粒等杂物；

步骤四：开启三通阀，使洁净的压缩空气分成两路，一路为主供气管路，压缩空气直接进入到空气加热器中进行加热，另外一路是掺混冷气支路，压缩空气由旁路与空气加热器后端的压缩空气汇合，两路均设置调节阀；

步骤五：开启后端空气过滤器，将空气加热器加热后的防冰热气进行干燥和过滤，防止空气加热器内的电加热丝或点加热棒在高温下产生颗粒或异物；

步骤六：将掺混冷气注入到空气加热器后端的主供气管道内，并采用温度传感器对防冰热气温度进行测量，根据温度差值来调节掺混冷气支路的流量；

步骤七：开启一级电加热管道，对掺混后的防冰热气进行加热，缩小主供气管道内的防冰热气温度与实验所要求温度之间的差异；

步骤八：开启二级电加热管道，对加热后的防冰热气进一步加热，直至主供气管路内的防冰热气温度与防冰实验的温度要求一致；

步骤九：开启气动切换阀到模拟实验模型的支路，测量气动切换阀前端的压力、流量和温度值，待其满足热气防冰实验的入流参数要求后，将气动切换阀切换到真实实验模型主路，正式开启热气防冰实验模型的防冰实验，与此同时，启动结冰风洞的喷雾系统，开始热气防冰实验模型表面的结冰实验；

步骤十：启动数据采集系统和温度、压力和流量等测量系统，将热气防冰实验模型表面温度和防冰腔、笛形管内的温度、压力、流量值进行记录和保存，同时，采用红外温度成像仪对热气防冰实验模型表面温度进行辅助测量，以防止表面温度传感器故障或粘贴；

在热气防冰实验模型的笛形管出口处设置流量计，测量笛形管排到实验段外的高温压缩空气流量，结合笛形管入口流量，计算获得热气防冰实验模型排放到实验段内的高温压缩空气量；

步骤十一：待实验时间结束，将气动切换阀切换至模拟实验模型的支路，并将高温压缩空气排放至结冰风洞外面，启动消音器将高温压缩空气产生的噪声进行消除；

保持空气加热器安全阀的开启状态，关闭其它所有供气管路上的阀门，停止热气防冰实验，与此同时，关闭结冰风洞的喷雾系统和驱动风机，停止结冰和流场的建立，保持制冷系统，以保证实验段内的温度；

实验人员进入到结冰风洞实验段内，近距离采集热气防冰实验模型表面的结冰和防冰数据，如实验模型表面出现结冰，则记录其表面结冰的位置、形状、尺寸的参数；

步骤十二：清除热气防冰实验模型表面的结冰或其它异物，清除结冰风洞内其它部位的结冰，待热气防冰实验模型表面温度冷却下来，重复操作步骤步骤一，进行下一个实验。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

使用冷热气掺混的方式，可以快速降低空气加热器后的高压热气，达到快速调温的作用；

使用多级电加热管进行高精度温度调控，可以逐级将高压热气在进入试验模型之前进行高精度的温度调节；

使用气动切换阀，完全实现高压空气驱动和切换，可以避免其它阀门润滑油低温冻结等问题，也巧妙的利用了高压空气作为左右驱动器，实现了低温高湿条件下的气控切换高压热空气，避免了液压和电机驱动在低温环境的缺陷；

使用模型主路和模拟旁路，是因为飞机热气防冰试验通常是从1分钟到45分钟，如果直接采用模型主路，管道内的高压热空气流量、温度和压力调节时间本来就非常长，所以，设置了另外的模拟旁路，在正式实验之前，利用充足的时间使模拟旁路的流量等特性与模型主路一致，待管道内的高压热气流量、温度和压力等实验条件满足后，直接利用气动切换阀将高压热空气从模拟旁路切换到模型主路，既不影响试验段内的实验模型，也不花费额外的时间去对模型主路进行调节，相当于克隆了另外一个模型主路，用最短的时间稳定了正式实验所需要的非稳态热除冰实验条件；

使用排气总管路，是在结冰风洞外将模型主路和模拟旁路合并，既可以使得模拟旁路的调节时间减少，又可以达到节省管路、阀门和传感器的目的；

消音装置：在排气总管路最末端安装一个消音装置，是起到降噪和防雨等功能。该消音装置由多孔管、射流收集回路、防雨帽等组成。多孔管是增大流通面积以更快降低高压空气的压力，降低压力差和噪声，射流收集回路是将射流引导进入一个回路中，减小射流剪切层，达到降噪的目的。防雨帽是由于排气管暴露在外界，风吹雨淋，用于保护管道不受雨水的侵蚀等。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明气动缸的结构示意图；

其中：1是高压气源，2是中压气源，3是一级减压，4是二级减压，5是过滤器，6是调节阀，7、17是流量计，8是压力计，9是温度计，10是安全阀，11是空气加热器，12是一级加热，13是二级加热，14是温度压力流量计，15是气动切换阀，15.1是进气管，15.2是气缸，15.3是出气管，15.4是缓冲垫，15.5是活塞，16是三通阀，18是消音装置。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

如图1所示，对于高精度温度调节关键技术，本发明采用两种方法相结合的策略：一是冷、热气掺混调节方法，从空气加热器前端的供气管路中分出一个小流量冷气支路，该支路的冷气是为空气加热器出口的热气提供掺混气流，主要目的是调节主供气管路中热气的温度。由于空气加热器本身具有一定的热气温度控制精度，比如±5℃，所以该支路的压缩空气流量必须是小流量，以防止掺混过度。由于冷气和热气掺混调节温度的方式比电加热更加快速和有效，所以，这种温度调控方法可以快速调节供气管路内的热气温度，减少加热器热滞对温度控制调节时间的影响，尽快的缩短热气温度的调节和稳定时间。同时，通过小流量冷气支路的辅助控制和调节，这种冷、热气掺混调节方式也可以提高管道内防冰热气的流量控制精度。二是多级电加热空气的调节方法，该方法是作为第一种调节方法的补充，采用冷、热气掺混的温度调节方法之后，供气管路内热气的温度控制精度将会提高，根据新的温度调节精度，研制相应的小功率电加热管道，既可采用加热带缠绕供气管路的方式，也即在供气管道外表面缠绕不同尺寸的加热带或加热丝，或者采用供气管路内插式加热棒，也即在供气管道内插入小功率的加热棒或者在管道内布置加热丝，对管道内的热气继续进行加热，采用占空比的调节方式对加热功率进行控制，从而控制管道内的热气温度。如果一级电加热空气无法满足防冰热气的温度精度，则在第一级电加热管道之后，增加第二级电加热管道，对管道内的防冰热气进一步加热控制，以提高热气温度的控制精度。采用冷、热空气掺混的温度控制方式和电加热温度控制相结合的方式，对空气加热器的温度、流量的控制精度进行提升。

气源分为高压气源（压力2mpa～22mpa）和中压气源（～２mpa），其中，高压气源的压缩空气由于压力高，需要先经过两级减压，首先经过一级减压（减压阀）降至中压气源的压力水平，然后再经过二级减压（减压阀），降至实验所需要的前端压力水平，中压气源只需经过二级减压，就能达到实验需要的前端压力水平。减压后的压缩空气经过空气过滤器后，形成干净干燥的压缩空气，分成两路，一路是大流量主供气管路，另外一路是小流量掺混冷气支路，通过调节阀控制流量。大部分压缩空气经过大流量主供气管路，进入到空气加热器中进行加热升温，安全阀根据空气加热器的安全压力进行泄压，起到安全保护作用。冷气通过小流量掺混冷气支路注入到大流量主供气管路中，通过控制其流量的方法来达到快速稳定主供气管道内防冰热气温度的目的。掺混后的温度通过温度传感器进行测量，数采控制计算机通过分析该温度与实验所需要的热气防冰温度及其精度的差异，并调节信号反馈至调节阀，通过控制空气加热器前端的两个调节阀的开度，较为准确的控制和温度主供气管道内的防冰热气温度及其精度值。由于飞机热气防冰实验对温度精度的要求很高，通常都在１～２℃，因此，必须进一步的提高主供气管道内防冰热气的温度精度。

根据当前管道内防冰热气温度控制精度与实验所要求的热气温度精度之间的差值，计算和分析出一级电加热的功率和控制精度，研制相应功率的电加热管道，或采用加热带或加热丝缠绕供气管路外表面的方式，或采用内插式加热棒或加热丝安装于主供气管路内，进一步对管道内的防冰热气进行加热，并采用pwd占空比调节的控制方式对加热功率进行调节，从而控制主供气管道内的防冰热气温度。相似的，继续采用二级电加热管道对主供气管道内的防冰热气温度进行再调节和控制，直至满足防冰实验所需要的温度精度控制要求。

经过二级电加热后的主供气管道内的防冰热气，通过结冰风洞实验段附近的气动切换阀分成两个支路，一个支路是通向真正实验模型的防冰热气，另外一个主路是为了获得准确的防冰热气而设置的模拟旁路，该支路的距离和形状等特征必须和真正实验支路相同或相近，尽可能的在最短的时间模拟真实实验支路的流量、温度和压力特性，这样才可能将准确实验条件的防冰热气切换到真实实验支路中，用于结冰风洞实验段内热气防冰模型的防冰实验。在真实实验支路实验段的出口端，安装流量计测量笛形管排出至实验段外的防冰热气，这样可以，根据总流量和该流量之差，获得热气防冰实验模型排放到结冰风洞实验段内的防冰热气流量，用于评估热气防冰模型的笛形管流量特性。

如图2所示，本发明中的气动切换阀：采用两位三通的结构形式，出气管和出气管分别引出一根小管道，交错连接至左右气缸，用于作为对左右活塞的驱动管，当出气管打开、出气管关闭时，右驱动管内的高压空气驱动右活塞，左右活塞通过连杆连接，整体往左侧气缸运动，此时右活塞刚好堵住出气管，使其无法导通高压热空气，而出气管可以导通高压热空气。当出气管打开、出气管关闭时，同样地原理，出气管可以导通高压热空气、而出气管无法导通。这种方法，巧妙的实现了高压热空气在出气管和出气管的切换，使得模型主路和模拟旁路可以快速的在高压空气驱动下实现稳定的切换，这种高压驱动方式不受低温高湿恶劣环境的影响，而油缸驱动和电机驱动等都存在无法耐低温高湿条件的缺陷，具有简单方便的优点。

利用三通阀，在结冰风洞外将模型主路和模拟旁路进行合并，可以只安装一个流量计，既可以使得模拟旁路的调节时间大大减少，又可以达到节省管路、阀门和传感器费用的目的。由于排气总管路内往外界释放高压热空气，是一股较强的射流，射流噪声将会非常大，所以在排气总管路最末端安装一个消音装置，该消音装置由多孔管、射流收集回路、防雨帽等组成。多孔管是增大流通面积以更快降低高压空气的压力，降低压力差和噪声，射流收集回路是将射流引导进入一个回路中，减小射流剪切层，达到降噪的目的。

其具体的操作方法为：

a.启动结冰风洞驱动风机和制冷系统，使实验段内的流场和温度场达到实验的要求；

b.开启本发明的结冰风洞大流量高精度热气防冰实验系统。如果采用高压气源，则开启球阀让压缩空气经过一级减压阀进行减压，然后再开启二级减压阀让压缩空气进一步减压。如果采用中压气源，则开启球阀让压缩空气经过二级减压阀进行减压；

c.开启球阀让二级减压后的压缩空气进入到空气过滤器中，对压缩空气进行干燥，并过滤掉不干净的颗粒等杂物；

d.开启三通阀，使洁净的压缩空气分成两路，一路为主供气管路，压缩空气直接进入到空气加热器中进行加热，另外一路是掺混冷气支路，压缩空气由旁路与空气加热器后端的压缩空气汇合，两路均设置调节阀；

e.设置空气加热器的安全阀泄气压力，并开启安全阀，以防止空气加热器内的热空气膨胀造成压力过大，从而出现不安全的事故；

f.开启后端空气过滤器，将空气加热器加热后的防冰热气进行干燥和过滤，防止空气加热器内的电加热丝或点加热棒在高温下产生颗粒或异物，造成后端供气管路的阀门、流量计等仪器的损坏；

g.将掺混冷气注入到空气加热器后端的主供气管道内，并采用温度传感器对防冰热气温度进行测量，根据温度差值来调节掺混冷气支路的流量；

h.开启一级电加热管道，对掺混后的防冰热气进行加热，缩小主供气管道内的防冰热气温度与实验所要求温度之间的差异；

i.开启二级电加热管道，对加热后的防冰热气进一步加热，直至主供气管路内的防冰热气温度与防冰实验的温度要求一致；

j.开启气动切换阀到模拟实验模型的支路，测量气动切换阀前端的压力、流量和温度值，待其满足热气防冰实验的入流参数要求后，将气动切换阀切换到真实实验模型主路，正式开启热气防冰实验模型的防冰实验，与此同时，启动结冰风洞的喷雾系统，开始热气防冰实验模型表面的结冰实验；

k.启动数据采集系统和温度、压力和流量等测量系统，将热气防冰实验模型表面温度和防冰腔、笛形管内的温度、压力、流量值进行记录和保存，整个实验过程采用高清摄像机进行记录，同时，采用红外温度成像仪对热气防冰实验模型表面温度进行辅助测量，以防止表面温度传感器故障或粘贴不好的现象；

l.在热气防冰实验模型的笛形管出口处设置流量计，测量笛形管排到实验段外的高温压缩空气流量，结合笛形管入口流量，计算获得热气防冰实验模型排放到实验段内的高温压缩空气量；

m.待实验时间结束，将气动切换阀切换至模拟实验模型的支路，并将高温压缩空气排放至结冰风洞外面，启动消音器将高温压缩空气产生的噪声进行消除；

n.保持空气加热器安全阀的开启状态，关闭其它所有供气管路上的阀门，停止热气防冰实验，与此同时，关闭结冰风洞的喷雾系统和驱动风机，停止结冰和流场的建立，保持制冷系统，以保证实验段内的温度；

o.实验人员进入到结冰风洞实验段内，近距离拍摄和观察热气防冰实验模型表面的结冰和防冰情况，如实验模型表面出现结冰，则记录其表面结冰的位置、形状、尺寸等各种参数，为防冰失效分析提供数据支撑，如实验模型表面无结冰，证明该结冰条件下的防冰热气参数合理；

p.清除热气防冰实验模型表面的结冰或其它异物，清除结冰风洞内其它部位的结冰，待热气防冰实验模型表面温度冷却下来，重复操作步骤a，进行下一个实验。

一级、二级电加热装置的加热功率计算：

假设空气加热器之后、一级电加热装置之前的防冰热气温度控制精度为δt，则一级电加热装置根据这个温度控制精度进行加热功率w的计算。

w=cp·δt·m(1)

其中，cp是空气的比热容，m是供气管道内的防冰热气流量。

假设一级电加热装置之后、二级电加热装置之前的主供气管道内的防冰热气温度控制精度为δt1，则二级电加热装置根据该温度控制精度进行功率的设计。

w1=cp·δt1·m(2)

其中，w1是二级电加热装置的加热功率。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。