一种应用于环境风洞中温度场模拟的装置的制作方法

1.本发明涉及一种应用于环境风洞中温度场模拟的装置。


背景技术：

2.对于大气污染物的风洞研究，需要大气风场的模拟，然而大气的重要基本参数不仅包括风场，同时还包括温度场。因此，在进行大气污染物扩散风洞试验研究时，大气温度场是一个非常重要的影响因素，尤其在城市规划、风力发电、污染物迁移和扩散等方面。因此，为了全面、准确地研究大气污染物的扩散情况，需要在大气污染物扩散研究的风洞试验中模拟大气温度场环境。大气环境风洞中风场沿y轴和z轴方向的温度均匀性是模拟装置的重要指标之一(如图1所示)。
3.申请公布号为cn109506876a的中国专利公开了一种大气边界层环境风洞中温度层结模拟装置及方法，装置包括安装在风洞稳定段的来流温度控制系统、安装在实验段的前端的温度车和放置在风洞实验段洞体底部的至少一块可加热冷却地板，其工作机理是风洞在保持某一既定风场的情形下，利用来流温度控制系统首先将外界进入风洞的气流进行统一的冷却，冷却到某一恒定温度，当某一恒定温度的气流经过温度车会被统一进行加热，包括梯度加热或等温加热，再通过可加热冷却地板后，底部温度梯度会发生变化，在风洞试验段下风向形成关心的温度层结曲线。设置来流温度控制系统的主要目的是为了保证所有进入风洞内部的气流均处于同一温度，设置温度车的主要目的是为了实现对通过来流温度控制系统的气流进行分层加热(梯度温度)或整体均匀加热，从而形成均匀的梯度温度场和高质量的空气速度流场。
4.然现有温度车中采用的加热元件一般为三角形翅片式电加热带或金属管状电热元件，如图2所示，这种加热元件在风洞中沿y向安装，即长度方向沿着y向延伸，且在z向分层，每层通道内均布多个加热元件，每层为一个独立的小电加热器，由上、下绝热板隔开。当风在每层中流动时，依次绕过各个加热元件之间的空隙，气流在每层中会出现上下“串流”的情况，导致z向温度稳定性受到影响。
5.另外，如图3所示为图2中安装的常规的金属管状电热元件的主视图，金属管状电热元件沿风洞y向安装，此种加热管的生产工艺是将直的加热丝绕制成卷，穿入电热管内，由引出棒从两端引出，再填入绝缘氧化镁粉后经过多次压实成型。由于加热丝是绕制成卷的，后又经过多次压实工序，则会使卷状加热丝在管内出现部分间距较密的情况，即加热丝分布不均匀，间距较密的加热丝的功率是要高于正常间距加热丝的，这一点会导致风洞y方向的水平温度不一致，对现行温度均匀性和流场品质造成不利影响，而且由于金属管状电热元件沿风洞y向安装，是无法对y向上各个位置的温度进行调节的，即采用金属管状电热元件的温度车无法在风洞y方向做温度补偿。以上缺陷无法通过改进电阻丝结构或金属管状电热元件的结构克服，即现有技术的结构无法通过无创造性的改进克服温度不均匀、影响流场品质的问题。
6.再者，该装置在使用时，由于风洞壁面会因为热交换的原因导致流场内的温度分
布，如风洞外面的低温环境可通过壁面的热交换而导致靠近风洞壁面的气流温度低于设定值，影响最终的实验结果。
7.可见，为了真实模拟各种温度场，对于温度车中y向和z向的温度的稳定、精确控制将是决定实验准确性的重要因素。


技术实现要素：

8.本发明提出一种可实现对y向和z向的温度的稳定、精确控制的应用于环境风洞中温度场模拟的装置。
9.本发明的技术方案是这样实现的：
10.一种应用于环境风洞中温度场模拟的装置，包括温度车壳体，温度车壳体具有矩形内腔，定义沿气流流向延伸的为x轴、水平面内沿着与x轴垂直的方向延伸的为y轴、沿上下方向延伸的为z轴，还包括设置在温度车壳体的矩形内腔中的多层加热层，各层加热层沿z轴排布，所述加热层包括沿y轴并列设置的多个加热区，每个加热区对应设置一个可独立控制的温控模块以控制加热区的通断，每个加热区的后端设置有一个温度检测传感器，各温度检测传感器与对应的温控模块控制连接，每个加热区包括至少一个或至少两个并列设置的电加热板，电加热板的长度沿x轴延伸，电加热板的至少一面设置有多片沿x轴延伸的散热翅片，相邻散热翅片围成沿x轴延伸以供气流通过的导流槽。
11.进一步地，所述电加热板为云母电加热板。云母电加热板利用云母板(云母片)良好的绝缘性能和其耐高温性能，它以云母板(片)为骨架和绝缘层，辅以镀锌板或不锈钢板作支持保护，可做成板状、片状等各种形状的加热器件。可设计的功率高达1000w，可耐温600℃。采用云母电加热板主要利用其加热均匀、板面较薄的特点，其次是具有高绝缘性和耐高温性能。
12.进一步地，云母电加热板的两端设有安装孔，云母电加热板的电源线从其中一端的安装孔中引出，各云母电加热板的电源线均从y轴方向引出。
13.进一步地，每四层加热层构成一个加热模组，加热模组的沿x轴方向的两端设有安装架，四层加热层并列安装在安装架上。
14.进一步地，每个加热层包括五个加热区，每个加热区包括三块电加热板，每块电加热板的两面均设有所述散热翅片。
15.进一步地，电加热板的长度与温度车壳体沿x轴方向的长度一致。
16.进一步地，所述电加热板的板面垂直y轴或垂直z轴设置。
17.进一步地，所述散热翅片为直翅片，直翅片的长度沿x向延伸。利用直翅片可以提高导流能力，改善流场品质。
18.采用了上述技术方案，本发明的有益效果为：本发明的应用于环境风洞中温度场模拟的装置在使用时，将多块电加热板拼成加热区，将多个加热区拼成加热层，在温度车的矩形内腔中沿z向安装多层加热层，确保每层加热层的各个加热区沿着y向排布，而每个电加热板的长度方向沿着x向延伸，当气流沿x向流向温度车时，启动各个加热区以对气流加热，可以独立控制各个加热区的温度，以满足不同的大气温度场模拟。例如需要补偿温度车壳体内壁附近因为热交换而导致的温度差时，可以适应性的改变靠近温度车壳体内壁的一圈加热区的温度，从而对其进行温度补偿。或者当需要控制每层的温度渐变时，可以通过对
对应层的加热区的控制实现，可以实现y向和z向温度的精确控制并稳定在所控温度范围内。整个控温过程的反馈是依靠温度检测传感器实现的，每个加热区的温度设定好以后，该加热区的温控模块根据该加热区后端的温度检测传感器的反馈以进行温度调节。由于电加热板沿其整个长度方向的加热比较均匀，使得x向流动的气流可以被均匀加热。由于电加热板的厚度较小且电加热板的长度方向沿x向延伸，电加热板迎风面较小，对于气流的阻力较小，且气流沿着电加热板的整个长度方向流动时不易串流，加上沿x向延伸的散热翅片的导流作用，使得气流通过的阻力进一步减小，串流现象更少。实际上，由于各电加热板的规则排布方式，以及其上均匀分布的散热直翅片，使得整体构成“蜂窝器”结构，从而达到了良好的稳流、导流以及降低流动阻力的效果。可见，本发明具有以下优点：
19.1.y向和z向的温度的稳定、精确控制；
20.2.x向所占体积小、风阻小；
21.3.散热翅片具有导流作用，进一步减小风阻，避免串流；
22.4.x向流动的气流可以被均匀加热；
23.5.y向和z向分区，各区温度独立控制，可方便控制各个区域温度，方便进行温度补偿，可抵消风洞壁面对流场内温度的影响，特别适合复杂温度场的模拟。
24.综上，为了达到精准控制温度场中各点温度的目的，本发明通过将多种改进相互配合，利用x向延伸的散热直翅片与x向延伸的电加热板的组合，不只是起到了x向导流和x向温度均匀的效果，更是产生了“便于y向和z向排布以形成可y向和z向控温”以及“类似蜂窝器的导流结构”的优点。
附图说明
25.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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
26.图1为风向与设定的坐标系的位置关系；
27.图2为现有技术的温度车中加热元件的结构形式；
28.图3为现有技术中的金属管状电热元件的外形图及其局部放大图；
29.图4为本发明的一个电加热板的立体结构示意图；
30.图5为一个加热层的排布结构示意图；
31.图6为多个加热层组成的加热模组的立体结构示意图；
32.图7为多个加热模组在温度车壳体内排布的主视图；
33.图8为加热模组的另一种排布方式的立体图(电加热板的板面与y轴垂直，未显示散热翅片)；
34.图9为图8中对应的多个加热模组在温度车壳体内排布的主视图；
35.图10为温度设定为20℃等温时，出口处各区形成的温度廓线；
36.图11为温度设定为40℃等温时，出口处各区形成的温度廓线；
37.图12为温度设定为线性时，出口处各区形成的温度廓线；
38.图13为导流线槽的局部立体图；
39.图14导流线槽装配在安装架上的结构示意图；
40.其中：1
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温度车壳体，11
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绝热板，2
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金属管状电热元件，21
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导电杆，22
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绝缘子，23
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氧化镁粉，24
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管套，25
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翅片，26
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电加热丝，27
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间距较密区域；3
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温度检测传感器，4
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加热模组，41
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安装架，42
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加热层，421
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加热区，4211
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电加热板，4212
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散热翅片，4213
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安装孔，5
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连接板，6
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导流线槽。
具体实施方式
41.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做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。
42.本发明一种应用于环境风洞中温度场模拟的装置的实施例：如图7所示，一种应用于环境风洞中温度场模拟的装置的主视图，该装置使用时安装在风洞的实验段的前端，装置包括温度车壳体1，温度车壳体1具有矩形内腔，定义沿气流流向延伸的为x轴、水平面内沿着与x轴垂直的方向延伸的为y轴、沿上下方向延伸的为z轴，装置还包括设置在温度车壳体1的矩形内腔中多层加热模组4，如图6所示，加热模组4包括多层加热层42，各层加热层42沿z轴排布，加热层42包括沿y轴并列设置的多个加热区421，每个加热区421对应设置一个可独立控制的温控模块以控制加热区421的通断，每个加热区421的后端设置有一个温度检测传感器3，各温度检测传感器3与对应的温控模块控制连接，每个加热区421包括至少一个或至少两个并列设置的电加热板4211，电加热板4211的长度沿x轴延伸，电加热板4211的至少一面设置有多片沿x轴延伸的散热翅片4212，相邻散热翅片4212围成沿x轴延伸以供气流通过的导流槽。散热翅片4212可以使得电加热板4211产生的热量可以更快、更均匀的传递给流经散热翅片4212的气流。散热翅片为直翅片，直翅片的长度沿x向延伸。利用直翅片可以提高导流能力，改善流场品质。
43.电加热板4211为云母电加热板4211。云母电加热板4211利用云母板(云母片)良好的绝缘性能和其耐高温性能，它以云母板(片)为骨架和绝缘层，辅以镀锌板或不锈钢板作支持保护，可做成板状、片状等各种形状的加热器件。可设计的功率高达1000w，可耐温600℃。采用云母电加热板4211主要利用其加热均匀、板面较薄的特点，其次是具有高绝缘性和耐高温性能。
44.云母电加热板4211的两端设有安装孔4213，云母电加热板4211的电源线从其中一端的安装孔4213中引出，各云母电加热板4211的电源线均从y轴方向引出。
45.整个装置由控制柜整体控制，控制柜可以统一控制各个加热区421对应的温控模块，温控模块进一步控制对应加热区421的各电加热板4211的启动和停止、以及启动和停止的时间与间隔，控制柜具有plc和触摸屏，内置专用控制软件，设定参数后，由控制程序自动控制各个加热区421的加热。
46.本实施例中，每四层加热层42构成一个加热模组4，加热模组4的沿x轴方向的两端设有安装架41，四层加热层42并列安装在安装架41上。每个加热层42包括五个加热区421，每个加热区421包括三块电加热板4211，每块电加热板4211的两面均设有散热翅片4212。电加热板4211的长度不小于温度车壳体1沿x轴方向的长度。电加热板4211的板面垂直z轴设
置。温度检测传感器3采用高精度热电阻温度传感器。
47.本实施例中，一个加热模组4包括四层加热层42，每层15块电加热板4211，共计60块电加热板4211，单块电加热板4211功率2kw，单层功率120kw。温度车中共设置七层加热模组4，每个加热区421由3个温度检测传感器3得出的平均温度控制1路功率输出，共3*28＝84个测温点，对应的控制柜有28路控制电路。
48.如图13
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14所示，在安装架41上可以安装导流线槽6，在容纳安装电线的同时还具有导流的作用。导流线槽6上设有与安装板41对接的安装结构，还包括定位槽等辅助定位的结构，以方便安装。
49.参见图4
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7所示，本发明的应用于环境风洞中温度场模拟的装置在使用时，将多块电加热板4211拼成加热区421，将多个加热区421拼成加热层42，在温度车的矩形内腔中沿z向安装多层加热层42，确保每层加热层42的各个加热区421沿着y向排布，而每个电加热板4211的长度方向沿着x向延伸，当气流沿x向流向温度车时，启动各个加热区421以对气流加热，可以独立控制各个加热区421的温度，以满足不同的大气温度场模拟。例如需要补偿温度车壳体1内壁附近因为热交换而导致的温度差时，可以适应性的改变靠近温度车壳体1内壁的一圈加热区421的温度，从而对其进行温度补偿。或者当需要控制每层的温度渐变时，可以通过对对应层的加热区421的控制实现，可以实现y向和z向温度的精确控制并稳定在所控温度范围内。整个控温过程的反馈是依靠温度检测传感器3实现的，每个加热区421的温度设定好以后，该加热区421的温控模块根据该加热区421后端的温度检测传感器3的反馈以进行温度调节。由于电加热板4211沿其整个长度方向的加热比较均匀，使得x向流动的气流可以被均匀加热。由于电加热板4211的厚度较小且电加热板4211的长度方向沿x向延伸，电加热板4211迎风面较小，对于气流的阻力较小，且气流沿着电加热板4211的整个长度方向流动时不易串流，加上沿x向延伸的散热翅片4212的导流作用，使得气流通过的阻力进一步减小，串流现象更少。综上，本发明具有以下优点特点：y向和z向的温度的稳定、精确控制；x向所占体积小、风阻小；散热翅片4212具有导流作用，进一步减小风阻，避免串流；x向流动的气流可以被均匀加热；y向和z向分区，各区温度独立控制，可方便控制各个区域温度，方便进行温度补偿，可抵消风洞壁面对流场内温度的影响，特别适合复杂温度场的模拟。本发明方案采用风洞x横截面多点式控制，由原来的单点一维控制拓展为多点二维控制，能较好拟合多种温度曲线。
50.实验例：
51.将温度车温度设定为20℃等温、40℃等温及线性形式，空气经过各加热区加热后，在出口处各区内形成所需的温度廓线。
52.如表1为温度车温度设定为20℃等温时，各高度上温度设置及最终各区形成的温度。图10为各区形成的温度廓线。各区与设定温度最大误差为0.28℃，位于四区。一区中平均误差为0.17℃，最大误差为0.27℃；二区中平均误差为0.07℃，最大误差为0.14℃；三区中平均误差为0.10℃，最大误差为0.20℃；四区中平均误差为0.12℃，最大误差为0.28℃。每一高度沿y轴方向水平分布最大温度差为0.45℃。
53.如表2为温度车温度设定为40℃等温时，各高度上温度设置及最终各区形成的温度。图11为各区形成的温度廓线。各区与设定温度最大误差为0.53℃，位于二区。一区平均误差为0.08℃，最大误差为0.19℃；二区中平均误差为0.21℃，最大误差为0.53℃；三区中
平均误差为0.27℃，最大误差为0.40℃；四区中平均误差为0.12℃，最大误差为0.15℃。每一高度沿y轴方向水平分布最大温度差为0.61℃。
54.如表3为温度车温度设定为线性时，各高度上温度设置及最终各区形成的温度。图12为各区形成的温度廓线。各区与设定温度最大误差为1.03℃，位于二区。一区平均误差为0.05℃，最大误差为0.12℃；二区中平均误差为0.20℃，最大误差为1.03℃；三区中平均误差为0.12℃，最大误差为0.43℃；四区中平均误差为0.10℃，最大误差为0.65℃。每一高度沿y轴方向水平分布最大温度差为0.16℃。
55.整体来看，该技术设定温度与形成温度之间误差小，精度高，风场沿y轴和z轴方向的温度均匀性良好，形成的温度廓线符合风洞中温度层结模拟的要求。
56.表1温度设定为20℃等温时，各高度上温度设置及各区形成的温度
[0057][0058]
表2温度设定为40℃等温时，各高度上温度设置及各区形成的温度
[0059][0060][0061]
表3温度设定为线性时，各高度上温度设置及各区形成的温度
[0062][0063]
本发明一种应用于环境风洞中温度场模拟的装置的另一种排布方式的实施例：如图8
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9所示，与上述实施例的不同之处在于，改变电加热板4211的方向，使得电加热板4211的板面与y轴垂直，此时，对应的散热翅片4212的板面与z轴垂直。同样的，也是由多块(例如12块)电加热板4211构成一个加热区421，一个加热模组4包括多个加热区421(例如5个)，共计60块电加热板4211，单块电加热板4211的功率2kw,一个加热模组4的功率为120kw。温度车共设置七层加热模组4，每层具有五个加热区421，横向排布，每个温区由独立的温度检测传感器3控制功率输出，共3*7＝35个温控点，对应控制柜有35路控制电路。
[0064]
以上两种方案各有优劣，每层的加热功率相同，安装方式不同，第二个实施例比第一个实施例多了7路控制电路，第二个实施例比第一个实施例少了49个温度检测传感器3，综合成本相当。
[0065]
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。