專利名稱：低溫風洞的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種風洞，尤其涉及一種低溫風洞。
背景技術(shù)：
風洞是產(chǎn)生人工氣流并能觀察氣流或氣流與物體之間相互作用的管道裝置。在這種裝置中能造成一段受控制的氣流流動的區(qū)域。風洞是空氣動力學研究和實驗中最廣泛使用的工具，它的產(chǎn)生和發(fā)展是同航空航天科學的發(fā)展緊密相關(guān)的。為了多種應用需要，尤其是滿足研制飛行器性能的要求，必須提高風洞的雷諾數(shù)。Margoulis注意到在降低試驗氣體溫度的情況下，可以提高雷諾數(shù)，并降低驅(qū)動氣流循環(huán)所需功率，而動壓不會顯著增加，并早在1920年就提出低溫風洞概念。從70年代初以來，各國紛紛建造低溫風洞。低溫風洞和其他類型風洞相比在某些方面具有突出的優(yōu)勢，并已建成大型的低溫風洞。但仍存在有待改進之處。例如，現(xiàn)有的低溫風洞結(jié)構(gòu)大都十分復雜，不僅占地面積大， 其初期設(shè)計及建設(shè)造價昂貴，在后期使用中單位時間的運行成本非常高，同時出現(xiàn)故障后設(shè)備的維修也相當麻煩。中國專利公開號CN1083587A公開了一種籍熱分離器降低總溫的低溫風洞，該風洞采用高壓氣體作為致冷的能源，在運行中高壓氣體通過激波管后溫度下降，之后通過節(jié)流閥使得氣體溫度進一步降低，達到試驗溫度要求，但是仍具有設(shè)備復雜、 噪音大、高壓氣源難獲得等缺點。此外，現(xiàn)有的風洞為了更換試驗模型和改變試驗條件，通常需要停車。尤其是低溫風洞為了使得試驗段中的某些參數(shù)例如溫度達到預定值后才放入試驗模型，通常需要先開啟驅(qū)動系統(tǒng)待到試驗段中的環(huán)境達到想要的情況下，進行停車放入試驗模型然后再次開啟，這可能會導致風洞各部件的壽命縮短和運行成本高，以及試驗模型會因停車然后再重啟動之間的時間延緩而受到影響，不能保證試驗的連續(xù)性。

發(fā)明內(nèi)容
為克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的任務(wù)是提供一種以液氮作為冷源且結(jié)構(gòu)比較簡單并且最小化甚至避免了使用中停車的低溫風洞。本發(fā)明提供一種低溫風洞，其包括液氮源；具有入口的洞體，該洞體包括與該入口連通的混合室、位于該混合室下游的穩(wěn)定段、以及均位于該穩(wěn)定段下游并可斷開地與該穩(wěn)定段連通的試驗段和旁路段，其中該試驗段與該旁路段并聯(lián)布置，且其中該混合室包括用于將液氮源中的液氮噴淋到混合室中的至少一個噴淋口 ；驅(qū)動系統(tǒng)，其用于在洞體中產(chǎn)生從該入口流向試驗段和/或旁路段的氣流；和用于使所述試驗段和所述旁路段中任一段與所述穩(wěn)定段連通的切換機構(gòu)。根據(jù)本發(fā)明的風洞結(jié)構(gòu)比較簡單，且通過該旁路段以及切換機構(gòu)，便于管路切換， 因此在進行如樣品更換等在試驗段中操作時無需停車，這樣保證了試驗的連續(xù)性，同時避免了停車后重啟動造成的大量能源耗費。此外，以液氮作為冷源，使得風洞的降溫速度較快，減少前期準備時間。同時液氮容易得到且使用便捷，此外成本不高、單位能耗低。
根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施例，混合室豎直布置且所述洞體的入口朝下，所述驅(qū)動系統(tǒng)從所述入口朝上噴吹氣流。根據(jù)一實施例，該至少一個噴淋口包括設(shè)置在混合室腔壁上的多個噴淋口。根據(jù)進一步優(yōu)選的實施例，所述多個噴淋口沿混合室的周向布置，且該多個噴淋口配置成沿混合室的內(nèi)周切向略向下地噴吹液氮。這種配置特別有利于液氮與氣流的均勻混合。根據(jù)本發(fā)明另一實施例，所述多個噴淋口布置成在豎直方向上間隔開并且朝混合室的縱向中心軸線噴吹液氮?；旌鲜覂?yōu)選包括布置在噴淋口上方的金屬絲網(wǎng)結(jié)構(gòu)。進一步地，金屬絲網(wǎng)結(jié)構(gòu)包括上下間隔布置的多層網(wǎng)，各層網(wǎng)的目數(shù)從下往上逐層增大，即網(wǎng)眼由大及小，保證氣流與液氮充分均勻混合，同時過濾掉氣流中可能的固體雜質(zhì)，并且對氣流的阻力適當。根據(jù)另一優(yōu)選實施例，所述混合室包括金屬絲網(wǎng)結(jié)構(gòu)，其中所述金屬絲網(wǎng)結(jié)構(gòu)上設(shè)置有與液氮源連通的所述至少一個噴淋口。根據(jù)本發(fā)明的實施例，所述試驗段具有透明的觀察區(qū)，其中該觀察區(qū)在與氣流接觸的一側(cè)上涂覆有防霧材料。根據(jù)本發(fā)明另一實施例，所述切換機構(gòu)包括分別設(shè)置在試驗段與穩(wěn)定段以及旁路段與穩(wěn)定段連接處的閥。根據(jù)本發(fā)明進一步的特征，所述洞體外側(cè)設(shè)置有絕熱保溫層。


以下，結(jié)合附圖來詳細說明本發(fā)明的實施例，其中圖1為本發(fā)明的低溫風洞的結(jié)構(gòu)示意圖，其中未示出絕熱保溫層；圖2為試驗段截面示意圖；圖3為根據(jù)本發(fā)明的洞體的混合室的剖視圖，其中示出了設(shè)置在洞體外側(cè)的絕熱
保溫層；圖4是根據(jù)本發(fā)明的低溫風洞的混合室的另一實施例，其中示出了另一種噴淋口布置形式。
具體實施例方式本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解提供附圖是為了示出根據(jù)本發(fā)明的低溫風洞的優(yōu)選實施例，并不打算將本發(fā)明局限于附圖所示的實施例。此外，附圖不必嚴格按照比例和對應關(guān)系繪制。相反，為了清楚地描述本發(fā)明，部分附圖或某些特征可能會被放大、省略、透明化或剖切。參看圖1，示出了本發(fā)明的低溫風洞。如圖所示，該低溫風洞總體上包括驅(qū)動系統(tǒng) 1，可移動支架2，洞體3，絕熱保溫層4(參看圖幻。在所示的實施例中，驅(qū)動系統(tǒng)1包括風機11和底座12。風機11通過底座12固定在可移動支架上。風機功率依試驗段所需的某些參數(shù)例如風速確定，在一實施例中，例如風機功率為3kW。根據(jù)本發(fā)明的洞體3具有與驅(qū)動系統(tǒng)連通的入口，且還包括混合室31，穩(wěn)定段32，旁路段33和試驗段34。如圖所示，該洞體3的混合室31是豎直放置的，且該洞體的入口朝下。如圖所示，用于支撐驅(qū)動系統(tǒng)1和洞體3的可移動支架2位于整個風洞的底部，從而風機11也位于該入口的下方并與其相連接，從而風機可以向洞體3內(nèi)向上地噴吹氣流。雖然示出了可移動支架2，可以想到的是也可以采用固定在地面上的支架支撐驅(qū)動系統(tǒng)1和洞體3。驅(qū)動系統(tǒng)1位于洞體3的底部的設(shè)計可以減輕可移動支架2承載的震動，提高整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性。洞體3是風洞的主要部分，空氣從洞體3的向下開口的入口進入，依次流經(jīng)緊鄰該入口的混合室31，經(jīng)過位于該混合室31的下游的穩(wěn)定段32，并流動到在穩(wěn)定段32下游的試驗段和/或旁路段，如圖1中箭頭方向所示。混合室31如上所述是豎直放置的，穩(wěn)定段 32在混合室31的頂部處與該混合室31連通，并且如圖所示穩(wěn)定段32從該頂部處朝下彎折。繼續(xù)參看圖1，在穩(wěn)定段32的下游并聯(lián)地連接有試驗段34和旁路段33。如圖所示，該試驗段34和旁路段33優(yōu)選均水平布置，但可以理解也可以采用其它的布置方式(例如試驗段仍為水平布置但旁路段朝下或朝上布置)只要試驗段和旁路段呈并聯(lián)方式的即可。試驗段34與穩(wěn)定段32連通的一端設(shè)置有閥門341，該試驗段34通過該閥門341 可實現(xiàn)與穩(wěn)定段32連通或隔斷。旁路段33與穩(wěn)定段32連通的一端也設(shè)置有閥門331，該旁路段33通過該閥門331可實現(xiàn)與穩(wěn)定段32連通或隔斷。在該實施例中，切換機構(gòu)包括所述閥門331和341，它們可用于在試驗段34與旁路段33之間切換。例如操縱所述閥門 331和341 (切換機構(gòu))，選擇試驗段34或旁路段33與穩(wěn)定段32相連通。切換機構(gòu)可以包括其他能夠在試驗段與旁路段之間切換的裝置，例如分別設(shè)置在試驗段和旁路段與穩(wěn)定段連接處的在工作中彼此互逆地聯(lián)動的閥(即在工作中關(guān)閉試驗段中的閥會同時地帶動旁路段中的閥打開)。風洞還可以包括設(shè)置在試驗段中的測量裝置(未示出)，該測量裝置用于測量試驗段中的選定參數(shù)(例如溫度)。例如，當該選定溫度的測量值達到預定的閾值時，例如人工地操作切換機構(gòu)將氣流切換到旁路段33放入試驗模型，然后再人工地將氣流切換回到試驗段34。可以理解測量裝置還可以用于測量所要進行試驗的模型的各種試驗參數(shù)。此外，進一步優(yōu)選的是風洞還具有控制裝置，該控制裝置例如用于當測量系統(tǒng)測得的選定參數(shù)的值超過或達到預定的閾值時可操縱切換機構(gòu)將氣流切換到旁路段，然后經(jīng)過一定時間之后再自動地將氣流切換回試驗段，或者由操作人員手動切換回試驗段。布置有測量裝置和與該測量裝置相關(guān)聯(lián)的控制裝置對于風洞試驗的自動化來說是有利的。繼續(xù)參看圖1，試驗段34還具有觀察段342，該觀察段342例如由透明的雙層有機玻璃(中間帶有夾層，內(nèi)為真空或充入實驗溫度下不會凝結(jié)的氣體，如氮氣)制成，并且在該觀察段與氣流相接觸的一側(cè)(即內(nèi)側(cè))涂覆有防霧材料。防霧材料例如可以是市售的常規(guī)防霧材料或者是用于特定環(huán)境而特制的防霧材料。可以理解的是，該觀察段342可以用一個透明的觀察窗替代，只要操作人員能從外部觀察到試驗段內(nèi)部的情況即可。試驗段34 的構(gòu)型和尺寸依待測樣品的尺寸及所需風速確定。例如圖2所示，試驗段可以是具有內(nèi)徑為200mm的圓管狀，這種構(gòu)造容易在管道中獲得較為均勻一致的氣流。但可以理解除了圓形截面之外，試驗段可以具有其它幾何形狀的構(gòu)造?；氐綀D1，試驗段34和旁路段33在遠離穩(wěn)定段32的一端是開口的，因此該風洞是開式風洞?？梢韵氲降氖沁€可以提供擴壓段以及排出段布置試驗段的下游，還可以在試驗段或其下游部段設(shè)置消音器等裝置?；蛘咂渌厥绽淞康难b置。
現(xiàn)參考圖1和圖3具體地描述洞體3中的混合室31，混合室具有形成用于液氮與氣流進行混合的腔室和界定該腔室的腔壁，且混合室的水平橫截面通常呈圓環(huán)形。在直立的混合室31上沿豎直方向間隔地布置了多個液氮噴淋口 311。這些噴淋口用于將外置的液氮源(未示出)中的液氮噴淋在混合室31中。圖示的所述噴淋口 311的噴淋方向朝向混合室的縱向中心軸線。如上所述地，風機11噴吹的氣流方向向上，而液氮在重力作用下傾向于向下運動，因此氣流與液氮能夠很好地混合。優(yōu)選地，在噴淋口 311附近布置有金屬絲網(wǎng)結(jié)構(gòu)以利于進一步的混合。例如，在各噴淋口 311之上的一定距離在混合室的整個橫截面上水平布置有相應的銅網(wǎng)。如圖所示，4個噴淋口 311對應地布置有4個銅網(wǎng)312，且優(yōu)選銅網(wǎng)具有的目數(shù)從下往上是逐層變大的，這樣的布置在有利于液氮的混合和蒸發(fā)和減少氣流流動阻力方面可以獲得很好的平衡。此外，如圖所示，噴淋口 311在豎直方向上等間隔地布置在混合室的一側(cè)上，可以想到的是，噴淋口有不同的布置方式，例如在豎直方向上等間隔但以一側(cè)布置兩個的方式布置在混合室上或者呈現(xiàn)螺旋上升地布置在混合室上，或者在豎直方向上的間隔不等地布置在混合室上。多噴淋口的設(shè)計允許將多個液氮儲罐同時連接到混合室，避免了因更換液氮儲罐造成的試驗中斷，保證了試驗的連續(xù)性，同時還可以延長工作時間。在圖4所示的實施例中，所述混合室具有大致沿著混合室周向布置的多個噴淋口 311。更優(yōu)選地，如圖4所示，多個噴淋口 311大致位于同一水平平面上，該多個噴淋口 311 圍繞著混合室腔壁的圓周布置有助于在氣流中形成旋流，從而利于液氮的均勻混合。該多個噴淋口 311例如可以這樣沿著混合室內(nèi)周的水平切向噴吹液氮使得液氮沿著逆時針旋轉(zhuǎn)的方向形成旋流。更優(yōu)選地，噴淋口這樣布置，沿內(nèi)周切向略向下地噴吹液氮從而可形成水平切向和縱向切向兩個方向的分量，水平切向分量有利于形成旋流，縱向向下的切向有助于液氮與風機噴吹的空氣流碰撞以有利于混合。盡管在圖中示出為多個噴淋口布置在大致同一水平面上，但可以想到的是可以布置成在豎直方向上間隔開的“多層”，其中每層都具有如上描述地布置的至少一個噴淋口，從而沿周向略朝下地噴吹液氮以形成旋流。各層噴吹形成旋流的方向可以相同也可以不同。各層所具有的噴淋口的數(shù)目可以相同也可以不同。在另一個未示出的優(yōu)選實施例中，混合室31可以包括設(shè)置在混合室腔室中的金屬絲網(wǎng)結(jié)構(gòu)，金屬絲網(wǎng)結(jié)構(gòu)可以是空心的且其上設(shè)有多個液氮噴淋口(優(yōu)選朝下噴淋)，并且該金屬絲網(wǎng)結(jié)構(gòu)的噴淋口與液氮源連通。這樣的布置特別有利，因為其有助于混合的機構(gòu)與噴淋機構(gòu)結(jié)合成一體，且所述液氮在遍及混合室的整個橫截面噴出，這特別有利于液氮的均勻混合。在該實施例中，混合室腔壁上可以不設(shè)置噴淋口。在一個優(yōu)選的實施例中，所述噴淋口均裝設(shè)混合室的中下部，在這情況下液氮在混合室中可以有較大行程進行混合以有助于混合均勻。在如圖3所示，在混合室外側(cè)布置有絕熱保溫層4，事實上整個洞體外側(cè)均布置有絕熱保溫層。其作用是減少風洞內(nèi)低溫氣流與外部環(huán)境的熱交換，減小漏熱損失，從而減少液氮冷源的用量，降低風洞運行成本。以下描述根據(jù)本發(fā)明圖示的優(yōu)選實施例的開式風洞的運行。例如風機功率為3kW， 試驗段內(nèi)徑為200mm。如圖1所示，包括風機11和底座12的驅(qū)動系統(tǒng)1位于洞體3的下部，并且風機11上端與洞體3的入口的連通優(yōu)選沿邊緣被密封以防漏氣。風洞開啟前保持閥門331關(guān)閉而閥門341打開。當本發(fā)明的風洞開始工作時開啟風機11，空氣氣流進入混合室31底部。液氮從噴淋口 311噴入，在液氮的重力以及向上噴吹的氣流的相互作用下、 以及逐層經(jīng)過銅網(wǎng)312后，低溫氮氣和噴入的空氣氣流充分混合，形成溫度均勻分布的低溫氣流，之后進入穩(wěn)定段32。低溫氣流經(jīng)過穩(wěn)定段32后形成高速穩(wěn)定的低溫氣流，最后進入試驗段34中，在試驗段中氣流實測速度可達^m/s。通過測量系統(tǒng)確認試驗段34中的氣流達到測試所需條件后(溫度低到測試所需的閾值時)，關(guān)閉閥門341同時打開閥門331， 氣流進入可切換旁路段33中。迅速將待測試樣品放入有機玻璃段342中，之后在關(guān)閉閥門 331的同時打開閥門341，將低溫氣流切換到試驗段34中，操作人員可通過透明的有機玻璃段342觀察樣品在測試中的狀態(tài)變化，并進行相關(guān)記錄。最后氣流從有機玻璃段342排出到大氣環(huán)境中，至此完成了工作氣流在本發(fā)明的低溫風洞中的流動過程?；蛘呖梢栽偾袚Q到旁路段，更換測試樣品后進行連續(xù)的試驗。本發(fā)明所示的實施例的低溫風洞是一個開式系統(tǒng)，與閉口風洞相比，其結(jié)構(gòu)簡單， 占地空間小(最高處距離地面高度僅為:3m左右，占地面積不到10平米)，安裝成本低，并且便于安裝檢修。以上實施例僅是本發(fā)明有代表性的例子，只是為了說明本發(fā)明，而并非是對本發(fā)明的限定，根據(jù)所給出的上述說明本領(lǐng)域技術(shù)人員可以作出其他不同形式的變形。這里無需也無法對所有的實施方式予以窮舉，而基于本發(fā)明所引出的等同、變化或變動仍處于本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種低溫風洞，其特征在于，其包括液氮源；具有入口的洞體⑶，該洞體⑶包括與該入口連通的混合室(31)、位于該混合室下游的穩(wěn)定段(32)、以及均位于該穩(wěn)定段(32) 下游并可斷開地與該穩(wěn)定段(32)連通的旁路段(33)和試驗段(34)，其中該旁路段(33)與該試驗段(34)并聯(lián)布置，且其中該混合室(31)包括用于將液氮源中的液氮噴淋到混合室 (31)中的至少一個噴淋口(311)；驅(qū)動系統(tǒng)(1)，其用于在洞體(3)中產(chǎn)生從該入口流向旁路段(3 和/或試驗段(34)的氣流；和用于使所述旁路段(3 和所述試驗段(34)中任一段與所述穩(wěn)定段(32)連通的切換機構(gòu)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低溫風洞，其特征在于，混合室(31)豎直布置且所述洞體 (3)的入口朝下，所述驅(qū)動系統(tǒng)(1)從所述入口朝上噴吹氣流。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的低溫風洞，其特征在于，所述至少一個噴淋口包括設(shè)置在混合室腔壁上的多個噴淋口，所述多個噴淋口沿混合室的周向布置，且該多個噴淋口配置成沿混合室(31)的內(nèi)周切向略向下地噴吹液氮。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的低溫風洞，其特征在于，所述至少一個噴淋口包括設(shè)置在混合室腔壁上的多個噴淋口，所述多個噴淋口布置成在豎直方向上間隔開并且朝混合室(31) 的縱向中心軸線噴吹液氮。
5.根據(jù)權(quán)利要求2至4中任一項所述的低溫風洞，其特征在于，所述混合室(31)包括布置在噴淋口上方的金屬絲網(wǎng)結(jié)構(gòu)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的低溫風洞，其特征在于，所述金屬絲網(wǎng)結(jié)構(gòu)包括上下間隔布置的多層金屬絲網(wǎng)，所述多層金屬絲網(wǎng)的目數(shù)從下往上逐層增加。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低溫風洞，其特征在于，所述混合室(31)包括金屬絲網(wǎng)結(jié)構(gòu)， 其中所述金屬絲網(wǎng)結(jié)構(gòu)上設(shè)置有與液氮源連通的所述至少一個噴淋口。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低溫風洞，其特征在于，所述試驗段(34)具有透明的觀察區(qū) (342)，其中該觀察區(qū)(34 在與氣流接觸的一側(cè)上涂覆有防霧材料。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低溫風洞，其特征在于，所述切換機構(gòu)包括分別設(shè)置在試驗段與穩(wěn)定段以及旁路段與穩(wěn)定段連接處的閥(331，341)。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低溫風洞，其特征在于，所述洞體外側(cè)設(shè)置有絕熱保溫層⑷。
全文摘要
本發(fā)明提供一種低溫風洞，該低溫風洞包括液氮源；具有入口的洞體(3)，該洞體(3)包括與該入口連通的混合室(31)、位于該混合室下游的穩(wěn)定段(32)、以及均位于該穩(wěn)定段(32)下游并可斷開地與該穩(wěn)定段(32)連通的旁路段(33)和試驗段(34)，其中該旁路段(33)與該試驗段(34)并聯(lián)布置，且其中該混合室(31)包括用于將液氮源中的液氮噴淋到混合室(31)中的至少一個噴淋口(311)；驅(qū)動系統(tǒng)(1)，其用于在洞體(3)中產(chǎn)生從該入口流向旁路段(33)和/或試驗段(34)的氣流；和用于使所述旁路段(33)和所述試驗段(34)中任一段與所述穩(wěn)定段(32)連通的切換機構(gòu)。
文檔編號G01M9/02GK102192828SQ20101011706
公開日2011年9月21日 申請日期2010年3月2日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月2日
發(fā)明者劉曉軍, 劉立強, 熊聯(lián)友, 董斌, 陸文海, 馬莉婭 申請人:中國科學院理化技術(shù)研究所