本发明属于风洞实验技术领域，具体涉及一种基于手自动双模式功率匹配回流风洞加热系统及使用方法。
背景技术：
风洞(windtunnel)即风洞实验室，是以人工的方式产生并且控制气流，用来模拟飞行器或实体周围气体的流动情况，并可量度气流对实体的作用效果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、最有效的工具之一。
风洞实验是飞行器研制工作中的一个不可缺少的组成部分。它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、风能利用等领域更是不可或缺的。这种实验方法，流动条件容易控制。实验时，常将模型或实物固定在风洞中进行反复吹风，通过测控仪器和设备取得实验数据。
流体力学方面的风洞实验的主要分类有测力实验、测压实验、传热实验、动态模型实验和流态观测实验等。其中传热实验主要用于研究超声速或高超声速飞行器上的气动加热现象。
如图1所示，普通回流风洞的风洞结构示意图，在风洞的某一位置设置有鼓风机，带动循环气流在环形风洞中流动，在气流稳定的位置进行风洞测试，称之为试验段。
在进行传热实验时，需要对某些工况下实验环境的工质进行升温加热工作，因而就产生了如何快速加热风洞的问题，以及由此衍生出来的排气降温问题。普通回流风洞不具备对风道工质进行加热的功能，因而不能用来做流体工质变温的相关实验。同时，由于回流风洞主要是通过组装在风道里的鼓风机带动气流流动的，因而鼓风机旋转时轴承摩擦产生的热量经常会使得工质温度随着实验的进行逐渐升高起来，这对于需要稳定的环境温度的风洞实验来说极为不利。普通风洞不能对环境温度进行监测与控制直接影响了实验测试数值的精确性。
中国实用新型专利“一种湿度温度可调节的汽车空气动力学风洞”(cn204612889u)，是在本检索过程中与本发明最相关的有关回流风洞领域的技术文件。比较对比容易发现与本发明的加热及控温方法不同：文献中描述加热方式是通过在回流风洞第一拐角处引入经加热、加湿的外界气流，并通过控制外部气流的流量达到控温的目的。而本专利提案采用电加热方式在回流风洞内部拐角处放置电加热装置对气体进行加热并通过控制加热功率达到控温目的。且本专利提案中所述排气降温方式在文献中未见描述。
中国实用新型专利“调节气流温度的校准风洞”(cn206223399u)，同为对风洞进行加热、控温的发明创造。但对比可发现，首先，加热的风洞结构/类型不同，文献所述风洞为校准风洞，包含进气段、加热段、整流段、稳定段、以及收缩段，可归类为一种直流风洞；而本专利提案则针对回流风洞进行加热。然后是加热装置的布置不同，因风洞结构不同，加热装置的布置也有所区别。本专利提案中的风洞不存在独立功能的加热段，而是通过将加热装置安置在回流风洞三、四拐角导流片处实现加热功能。其次，加热功率控制方案不同，文献中提出通过控制电功率的方式控制加热温度，但对控制电功率的实施方案未做描述；本专利提案给出了基于手动和自动双模式功率匹配的控制方法。再有，保温棉布置不同，文献方案在整流段、稳定段、以及收缩段设置保温棉；本专利提案在包括动力段、扩散段、拐角段、稳压段、收缩段等在内的所有风洞外表面设置保温棉。且本专利提案中所述排气降温方式在文献中未见描述。
在涉及到传热的相关实验中，不仅仅在风洞实验中，保温效果一直被认为是能否保证实验精度的重要考虑因素之一。热量在传递过程中，必然会从高温区向低温区方向进行，学界将传热途径大致分为三种，分别是热传导，热对流和热辐射。而在风洞试验中，同时涉及到这三方面的传热方式。热风与风洞壁面接触必定会将一部分热量传导到金属中，进而传递到风洞外表面与外部环境进行热量交换，这时候如何对其进行保温是提高实验精度的重要方法。在风洞内部，尤其是实验段部分，剧烈的热对流，即冷气冷却实验件的过程，对流必然会对循环风洞内部的温度造成扰动，因而如何精确控制风洞内部的热风也就成了另一个现实的问题。热辐射主要是由于高温气体产生的必然现象，这一部分的热损失同样可以通过外部的保温措施进行改善。通过上述分析，可见热风洞实验的精确操作是多方面因素共同影响的，保温和控温是试验流程中的重要内容。对比传统的风洞实验保温和控温方法上，我们发现还有很大的空间来对实验精度进行改善，最大程度避免不必要的热损失。本实验核心创新就是将保温和控温作为一个整体进行考虑来设计新的风洞实验系统，并且考虑到真实实验过程中的一些更人性化的需求，比如，在风洞加热完成后，如何才能够迅速将风洞内部的大量高温气体耗散掉，如何使风洞能够在自主控制的情况下，实验设定温度的快速调节减少实验人员的等待时间等，这些对比传统的风洞都有很大的改进。
技术实现要素：
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的主要目的在于提供一种基于手自动双模式功率匹配回流风洞加热系统及使用方法，旨在解决普通回流风洞不具备对风道工质进行加热、普通风洞不能对环境温度进行监测与控制直接影响了实验测试数值的精确性的问题。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种基于手自动双模式功率匹配回流风洞加热系统，包括安装在回流风洞流道内模块化的加热器以及用于控制所述加热器的可编程控制器；所述可编程控制器有自动运行模式和手动运行模式两种模式；所述可编程控制器内还设置有数据输入模块和数据处理模块；所述数据输入模块与所述数据处理模块电性连接；所述加热器与所述可编程控制器电性连接；所述加热器包括第一加热组和第二加热组；所述第一加热组与所述第二加热组独立设置，且能够单独进行调控运行；所述第一加热组与所述第二加热组的构成相同，均是由四个不同额定功率的加热模块组成，四个所述加热模块的额定功率分别为30kw、25kw、20kw和15kw；回流风洞中安装有加热器的区域为加热段；所述第一加热组与所述第二加热组分别安装于回流风洞中鼓风机下游的两个拐角区域处；回流风洞中安装有鼓风机的对称流道区域为试验段；
还包括三个设置在不同位置的温度探测器；三个所述温度探测器均与所述可编程控制器内的所述数据处理模块电性连接；三个所述温度探测器分别安装在回流风洞流道内的加热段、鼓风机下游及试验段上游。
优选地，为了保证使用寿命和测试精度，所述温度探测器均为pt100型电阻温度探测器。
进一步，为了便于在实验进行时，能够将风洞风道内的空气工质温度维持在设定值上，与此同时要求风洞具有绝佳的保温性能，上述基于手自动双模式功率匹配回流风洞加热系统还包括设置于回流风洞外表面的保温结构；所述保温结构从靠近回流风洞的一侧开始计算，分为三层，第一层为玻璃纤维棉；第二层为铝箔纸，第三层为铝板。
优选地，为了保证保温效果，所述玻璃纤维棉的厚度不低于20mm。
进一步，为了便于在实验结束后，能够在最短的时间内完成循环风洞的排气工作，上述基于手自动双模式功率匹配回流风洞加热系统还包括设置于所述第一加热组和所述第二加热组之间的排气门，所述排气门为双开门设计，其能够同时向两个方向展开；在实验进行时两扇门全部闭合，回流风洞内风道形成密闭循环通道；在实验结束后，需要对流道进行冷却，则将两扇门分别向相反的两个方向打开即可。
进一步，为了便于试验者查看回流风洞内工质的温度，上述基于手自动双模式功率匹配回流风洞加热系统还包括显示器，三个所述温度探测器均与所述显示器电性连接。
利用上述基于手自动双模式功率匹配回流风洞加热系统对回流风洞流道内工质温度进行监测与控制的方法，其具体包括以下步骤：
1)实验者通过数据输入模块输入设定一个实验目标温度值；通过三个不同位置的温度探测器监测回流风洞内不同位置的工质的实时温度；通过试验段上游的温度探测器测量试验段内工质的试验段温度；
2)将步骤1中的到试验段温度通过数据处理模块与实验目标温度值求差，得出一个输出参数；
3)根据步骤2中的输出参数来选择可编程控制器的控制模式；
4)若步骤3中可编程控制器选择手动运行模式，试验者手动通过可编程控制器控制加热器中的多个加热模块的组合方式以及每个模块的加热功率大小，从而对回流风洞内的工质温度进行调控；当步骤2中得到的输出参数维持在稳定误差范围内时，即可以认定加热过程结束，可以开始正式实验；
5)若步骤3中可编程控制器选择自动运行模式，步骤2中得到的输出参数会反馈到可编程控制器中，可编程控制器根据反馈结果自动调整加热器中的多个加热模块的组合方式以及每个加热模块的加热功率大小，让回流风洞内的工质温度在最短时间内接近步骤1中的实验目标温度值；当步骤2中得到的输出参数维持在稳定误差范围内时，即可以认定加热过程结束，可以开始正式实验；
6)实验完成后，打开排气门，对回流风洞内的高温气体进行排气工作。
优选地，在步骤4中，可编程控制器选择手动运行模式，可编程控制器将选择加热模块的任务交给实验者，实验刚开始进行时，由于回流风洞中的空气温度值较低，与实验目标温度值相差较大，实验者可以将第一加热组与第二加热组中的八个加热模块全部打开并且满功率运行进行加热，当步骤1中温度探测器检测到的试验段温度与实验目标温度值接近的时候，通过减少加热模块或者是降低每个加热模块的加热功率来进行。
与现有技术相比，本发明至少具有以下优点：
本发明的基于手自动双模式功率匹配回流风洞加热系统，可以有效解决现有的风洞温度加热慢、加热不精准、加热至目标温度等待时间长等问题，能够在最短的时间内达到实验者设定的温度值，对提高风洞实验效率具有重要意义。使用该系统对回流风洞流道内工质温度进行监测与控制的方法，通过不同加热模块的组合和可调功运行的设计使得同一个热回流风洞的加热性能达到最优，为实验者节约了大量宝贵时间，同时也提高了热风洞加热的安全性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
图1为普通回流风洞的风洞结构示意图；
图2为本发明的基于手自动双模式功率匹配回流风洞加热系统的结构示意图；
图3a为第一加热组的结构示意图；
图3b为第二加热组的结构示意图；
图4为加热模块的其中一种运行状态图；
图5为加热模块的另一种运行状态图；
图6为加热模块的第三种运行状态图；
图7为可编程控制器手动运行模式控制原理图；
图8为可编程控制器自动运行模式控制原理图；
图9为保温结构的截面图；
图10为试验结束后排气门的工作状态图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。
基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。
在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
实施例一
本实施例中的基于手自动双模式功率匹配回流风洞加热系统，包括安装在回流风洞流道内模块化的加热器以及用于控制所述加热器的可编程控制器；所述可编程控制器有自动运行模式和手动运行模式两种模式；所述可编程控制器内还设置有数据输入模块和数据处理模块；所述数据输入模块与所述数据处理模块电性连接；所述加热器与所述可编程控制器电性连接；参见图3a和图3b，所述加热器包括第一加热组和第二加热组；所述第一加热组与所述第二加热组独立设置，且能够单独进行调控运行；所述第一加热组与所述第二加热组的构成相同，均是由四个不同额定功率的加热模块组成，四个所述加热模块的额定功率分别为30kw、25kw、20kw和15kw；
参见图2，回流风洞中安装有加热器的区域为加热段；所述第一加热组与所述第二加热组分别安装于回流风洞中鼓风机下游的两个拐角区域处；回流风洞中安装有鼓风机的对称流道区域为试验段；
还包括三个设置在不同位置的温度探测器；三个所述温度探测器均与所述可编程控制器内的所述数据处理模块电性连接；三个所述温度探测器分别安装在回流风洞流道内的加热段、鼓风机下游及试验段上游。
优选地，为了保证使用寿命和测试精度，所述温度探测器均为pt100型电阻温度探测器。
参见图9，优选地，为了便于在实验进行时，能够将风洞风道内的空气工质温度维持在设定值上，与此同时要求风洞具有绝佳的保温性能，上述基于手自动双模式功率匹配回流风洞加热系统还包括设置于回流风洞外表面的保温结构；所述保温结构从靠近回流风洞的一侧开始计算，分为三层，第一层为玻璃纤维棉；第二层为铝箔纸，第三层为铝板。
作为进一步优选地，为了保证保温效果，所述玻璃纤维棉的厚度不低于20mm。
参见图10，优选地，为了便于在实验结束后，能够在最短的时间内完成循环风洞的排气工作，上述基于手自动双模式功率匹配回流风洞加热系统还包括设置于所述第一加热组和所述第二加热组之间的排气门，所述排气门为双开门设计，其能够同时向两个方向展开；在实验进行时两扇门全部闭合，回流风洞内风道形成密闭循环通道；在实验结束后，需要对流道进行冷却，则将两扇门分别向相反的两个方向打开即可。
优选地，为了便于试验者查看回流风洞内工质的温度，上述基于手自动双模式功率匹配回流风洞加热系统还包括显示器，三个所述温度探测器均与所述显示器电性连接。
实施例二
利用实施例一中的基于手自动双模式功率匹配回流风洞加热系统对回流风洞流道内工质温度进行监测与控制的方法，其具体包括以下步骤：
1)实验者通过数据输入模块输入设定一个实验目标温度值；通过三个不同位置的温度探测器监测回流风洞内不同位置的工质的实时温度；通过试验段上游的温度探测器测量试验段内工质的试验段温度；
2)将步骤1中的到试验段温度通过数据处理模块与实验目标温度值求差，得出一个输出参数；
3)根据步骤2中的输出参数来选择可编程控制器的控制模式；
4)参见图7，若步骤3中可编程控制器选择手动运行模式，试验者手动通过可编程控制器控制加热器中的多个加热模块的组合方式以及每个模块的加热功率大小，从而对回流风洞内的工质温度进行调控；当步骤2中得到的输出参数维持在稳定误差范围内时，即可以认定加热过程结束，可以开始正式实验；
5)参见图7，若步骤3中可编程控制器选择自动运行模式，步骤2中得到的输出参数会反馈到可编程控制器中，可编程控制器根据反馈结果自动调整加热器中的多个加热模块的组合方式以及每个加热模块的加热功率大小，让回流风洞内的工质温度在最短时间内接近步骤1中的实验目标温度值；当步骤2中得到的输出参数维持在稳定误差范围内时，即可以认定加热过程结束，可以开始正式实验；
6)实验完成后，打开排气门，对回流风洞内的高温气体进行排气工作。
实施例三
参见图7，在实施例二的基础上，优选地，在步骤4中，可编程控制器选择手动运行模式，可编程控制器将选择加热模块的任务交给实验者，实验刚开始进行时，由于回流风洞中的空气温度值较低，与实验目标温度值相差较大，实验者可以将第一加热组与第二加热组中的八个加热模块全部打开并且满功率运行进行加热，当步骤1中温度探测器检测到的试验段温度与实验目标温度值接近的时候，通过减少加热模块或者是降低每个加热模块的加热功率来进行。
实施例四
参见图4、图5和图6，在手动调节中，可编程控制器将选择加热模块的任务交给实验者，实验刚开始进行时，由于回流风洞中的空气温度值较低，与实验目标温度值相差较大，因而实验者可以将8个加热模块全部打开并且满功率运行进行加热，当电阻式温度探测器检测到的温度值与目标温度值接近的时候，可以通过减少加热模块或者是降低每个模块的加热功率来进行。例如当模块全开时加热总功率为180w；但是如果只选择模块1～6，则加热总功率为145，同理如果只选择模块1～4，则加热总功率为90w。除此之外，还可以通过调节每个加热模块的加热功率来进行加热温度的控制。例如，可以选择模块8调功运行，从而达到降低加热功率的目的，同理可以选择模块6、模块7、模块8同时进行调功运行。实验者不仅可以选择特定的模块来进行加热，同时还可以对每一个加热模块的运行功率进行调整。
以上，仅为本发明较佳的具体实施方式，但发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。