飛行載荷作用下兩相流地面模擬測試裝置的製作方法

2023-11-11 06:46:02 1

專利名稱：飛行載荷作用下兩相流地面模擬測試裝置的製作方法
技術領域：
飛行載荷作用下兩相流地面模擬測試裝置，屬於兩相流測量技術領域，涉及 到飛行載荷狀態的地面模擬平臺、流體參數測量方法的新技術。
背景技術：
氣液兩相流是氣、液兩種流體混合或沸騰、凝結熱流體的流動過程，通常也 是一種伴隨著氣液相變的熱量和質量傳遞過程。水平管內流動沸騰換熱，廣泛應 用於動力、核能、化學、航空航天以及各種加工工業的換熱設備和製冷空調中， 它對於節約能源、減少貴重金屬的消耗、減少設備體積以及降低生產成本等有著 重要的實用價值。
航空工業領域中，大功率高集成電子電器設備的裝機，雖然提髙了飛行器的 總體性能和作戰能力，但卻給機身帶來了幾十千瓦的發熱載荷，其發熱量是原先 熱載荷的幾十倍，致使空氣循環系統難以達到其設備的冷卻要求，需要更好的能
量管理和製冷系統；航天工業領域中，空間科學技術的進步使空間飛行器越來越 向大功率和高精細化方向發展，進而對空間飛行器的流體與熱管理、動力供應、 環境控制與生命保障系統的要求也將越來越高，這也要求設計和建造具有更大功 率、更為先進的能源供應和熱量傳輸與控制系統。蒸發製冷循環中兩相流介質的 熱量傳遞和能量供應能力充分滿足這一需求。
飛行器的加速飛行或急速轉彎勢必會給機身帶來較大的運動載荷，機身承受 的過載在數值上可達6-9g。當蒸發製冷循環系統應用於航空航天技術中時，機 載蒸發製冷循環系統中製冷劑的凝結、蒸發及流動和傳熱過程都會受到動載作用 的影響，進而影響製冷部件和系統的性能。這樣，蒸發製冷循環系統的設計和運 行的可靠性，將在很大程度上依賴於對動載作用下氣液兩相流機理的充分認識。 因此，動載作用下兩相流的流動及傳熱特性的研究就顯得尤為重要。現階段兩相流方面的實驗研究大多停留在地面靜止狀態，這樣得到的實驗結 果不能滿足飛機做加速、減速、高速轉彎、橫滾、快速俯衝拉起等危險動作中產 生動載狀態的要求，動載的出現，使得地面上的很多研究成果在飛機上並不一定 仍然成立，靜止方式的實驗方法的缺陷是無法實現動載對於兩相流的影響，因此 我們要得到在飛機上仍然適合的實驗結果，實驗環境必須要有動載作用。對於飛 行動載作用下的沸騰傳熱和氣液兩相流的研究方面，鮮見相關的研究報導。這主 要是因為飛行動載狀態的實現有一定的困難。
為了實現動載狀態，現今許多包含飛行載荷狀態的實驗往往需要把整套設備 和測量儀器都安裝到飛機上進行跟機實驗。因為飛行載荷是由飛機高速機動飛行 時轉彎所產生的向心力造成的，所以在進行飛行載荷狀態下的實驗時，飛機只有 長時間地做加速、減速、高速轉彎、橫滾、快速俯衝拉起等危險動作才會獲得持 續的過載。這種情況下進行實驗的安全性比較差，容易發生飛行事故和損壞實驗 設備。此外由於只有適合飛行條件的天氣出現時飛機才能上天飛行，導致跟機實
驗受天氣的影響較大；還有就是跟機實驗次數越多，飛行次數也就越多，實驗成
本就會相應很高。
雖然現在已經有人設想在地面利用長直軌道加速以模擬飛行動載狀態，可以 不必進行跟機實驗，但是由於這種方法需要上千米長的加速軌道，佔用了很大的 實驗空間，實現起來很不容易，而且動載的大小也很難依據實驗的要求進行實時 調節。動載作用下兩相流的地面模擬方法還沒有實現，能夠在動載條件下有效地 進行兩相流數據採集和實時檢測的方法仍在探索中。
發明內容
本發明的目的在於提供一種在地面上建立並可以實現飛行載荷作用下兩相 流地面模擬測試方法及裝置。
一種飛行載荷作用下兩相流地面模擬測試方法，其特徵在於包括以下過程: (1)利用飛行動載模擬平臺模擬飛機動載狀態，其中通過調整轉盤的旋轉速度獲得不同的向心加速度，以模擬飛機加速、減速、高速轉彎、橫滾、快速俯
衝拉起動作下的飛行載荷狀態；
(2)兩相流測試系統安裝於飛行動載模擬平臺上，以實時測量流體參數和 保存實驗數據。
一種飛行載荷作用下兩相流地面模擬測試裝置，其特徵在於由飛行動載模 擬平臺及安裝於飛行動載模擬平臺上的兩相流測試系統組成；其中飛行動載模擬 平臺由轉盤、電動機、調速裝置、機架組成；其中兩相流測試系統由流動水循環 系統、流體參數測量系統及數據採集保存系統組成；其中流動水循環系統包括水 箱、水泵、預加熱器、二次加熱器、透明測試管，其中水箱出水口通過管路依次 與水泵、預加熱器、二次加熱器相連，二次加熱器另一端伸入透明測試管中，透 明測試管另 一端通過管路與水箱回水口相連；其中流體參數測量系統包括空隙率 測試儀、流量計、壓力計、壓差計、溫度傳感器;其中數據採集保存系統由與傳 感器相連的數據採集模塊及筆記本電腦組成。
工作原理流動水被水泵從水箱裡抽出後流經預加熱器加熱，再流入兩相流 透明測試管，由於預加熱器的加熱量不足以把水加熱到沸騰狀態，因此在透明測 試管內設有二次加熱器，水在透明測試管被二次加熱到沸騰氣液兩相流狀態，然 後通過管路流回水箱，形成一個循環水系統。透明測試管段前後安裝壓力、壓差、 流量、空隙率、溫度的傳感器。所有測量流體參數的傳感器通過3個數據模塊和 筆記本電腦連接，這樣實驗數據就可以實時的保存下來。實驗過程中通過調整旋 轉臺的轉動速度，獲得不同的水平向心加速度，以模擬不同的飛行過載。兩相流 流動及其測試系統均固定在旋轉平臺上，進而實現動載作用兩相流的流動和換熱 性能的實驗。
上述流動水循環系統中在水泵和預加熱器之間還可以接有一個三通閥式氣 液混合器，該三通閥式氣液混合器的一個入口與所述水泵連接，另一入口與空壓 機相連，其出口與所述預加熱器連接。這樣組成一條進氣支路。它的作用在於當 預加熱器和二次加熱器關閉時，由於該進氣支路引入部分氣體，和循環系統內的水混合達到混合氣液兩相狀態。
上述飛行載荷作用下兩相流地面模擬測試裝置，透明測試管段可徑向或周向 布置，並可調節其傾斜的角度。徑向時流體流動方向與轉臺直徑方向一致，與過 載方向相同或相反，可模擬飛行器直線加速或減速時的情形。周向時實驗測試管 段沿圓周方向布置，流體流動方向沿管段與轉臺的圓周切線方向一致，與過載方 向垂直，可模擬飛行器快速轉彎、俯衝或拉起時的情形。
上述飛行載荷作用下兩相流地面模擬測試裝置，在透明測試管附近設置有 數碼攝像機，可以拍攝記錄透明管中兩相流的流動狀態。
利用旋轉平臺可以在地面模擬飛行載荷。將其與兩相流系統相結合，實現了 飛行動載下的兩相流流動和傳熱性能的地面實驗。
利用旋轉平臺可以在地面模擬飛行載荷，解決了飛行載荷實驗必須上飛機做 的問題，與通過飛機長時間地做高機動的危險動作來產生動載狀態的方法相比， 安全性要好，不容易損壞實驗設備，不會發生飛行事故。相對於飛行實驗的很高 的實驗費用，節約了很大的成本，動載大小可以根據實驗要求改變轉速而進行調 節，動載大小可以控制，動載方向可以通過改變透明測試管段的擺放位置而調節， 而且實驗在室內就可以進行，不受天氣狀況的影響。
利用旋轉平臺模擬動載狀態相對於用直軌道加速運動的動載模擬方法有很 大的優點。轉動平臺的動載模擬可以在普通實驗室進行，不需要很長的加速軌道， 相對於直線加速上千米長的軌道，旋轉平臺節省了空間和費用，比較容易實現且 受環境影響較小。
動載下的兩相流測試裝置可以在動載變化過程中很好地實現控制與測量，進 行實時的數據採集與保存，通過實驗結果和靜止狀態對比可以得到動載狀態對於 兩相流的影響，解決了動載狀態條件下難以實現的電力傳遞、循環流動、加熱和 實時監控測試問題。該系統具有兩相流生成和測試功能。可以實時測量氣液兩相 流動空隙率並將測試的數據實時保存在筆記本電腦中。實驗測試管採用透明有機 坡璃管，可以看到內部流體的流動情況，通過高清晰數碼攝像機可以拍攝記錄透明管中兩相流的流動狀態。
綜上所述，與直軌道加速和飛行實驗相比，該項發明使得動載作用下兩相流 流動和傳熱特性實驗更容易控制、更經濟、更安全。兩相流測試裝置可控性強， 實時性好。


圖l是飛行動載模擬平臺示意圖。其中圖1 (a)為主視圖，圖1 (b)為俯 視圖。
圖2是兩相流測量系統示意圖。 圖3是透明測試管段示意圖。
圖中標號名稱1、機架；2、防護網；3、轉盤；4、電刷裝置；5、電動機； 9、護欄；12、水箱；13、水泵；14、流量計；15、三通閥式氣液混合器；16、 預加熱器；17、 二次加熱器；18、測溫面；19、透明測試管；20、壓差計；21、 壓力計；22、空壓機；23、油分離器；24、數據採集模塊；25、筆記本電腦；26、 空隙率測試儀；27、配電箱；28、閥門；29、攝像機；32、溫度傳感器；33、 空隙率測試面；34、背景屏；35、水箱回水口； 36、水箱出水口。
具體實施方案
結合圖1進一步介紹飛行動載模擬實驗平臺的組成。實驗平臺的高速旋轉要 求實驗裝置要有很牢固的水泥地基。電動機5和轉盤3都固定在機架1上，這樣 才可以保證整個平臺在運行的時候牢固、平穩。轉盤3通過軸承與機架l連接， 轉盤3的中軸通過皮帶和電動機5連接起來，電動機5通過皮帶帶動平臺高速旋 轉，電動機5的轉速由變頻器來控制和調節，變頻器安裝在平臺的外面。由於電 動機5用的是三相動力線，所以整個平臺的電線要有接地保護。由於轉盤3高速 旋轉，實驗不可避免的帶有一定的危險性。為保障實驗過程的安全，在建有防護 牆的情況下，安裝了不鏽鋼製的防護網。結合圖2進一步介紹兩相流地面模擬測試裝置的組成。流動水被水泵13從 水箱12裡抽出後流經預加熱器16加熱，再流入兩相流透明測試管19。由於預 加熱器16的加熱量不足以把水加熱到沸騰狀態，因此在透明測試管19內設有二 次加熱器17,水在透明測試管19被二次加熱到沸騰氣液兩相流狀態，然後通過 管路流回水箱12,形成一個循環水系統。透明測試管19前後安裝壓力、壓差、 流量、空隙率、溫度的傳感器。所有測量流體參數的傳感器通過3個數據模塊和 筆記本電腦25連接，這樣實驗數據就可以實時的保存下來。實驗過程中通過調 整轉盤3的轉動速度，獲得不同的水平向心加速度，以模擬不同大小的飛行過載。 透明測試管段可徑向或周向布置，並可調節其傾斜的角度。徑向時流體流動方向 與轉臺直徑方向一致，與過載方向相同或相反，可模擬飛行器直線加速或減速時 的情形。周向時實驗測試管段沿圓周方向布置，流體流動方向沿管段與轉臺的圓 周切線方向一致，與過載方向垂直，可模擬飛行器快速轉彎、俯衝或拉起時的情 形。
兩相流流動及其測試系統均固定在飛行動載模擬實驗平臺上，進而實現動載 作用兩相流的流動和換熱性能的實驗。
上述流動水循環系統中在水泵和預加熱器之間還可以接有一個三通閥式氣 液混合器15,該三通閥式氣液混合器15的一個入口與所述水泵13連接，另一 入口與空壓機22相連，其出口與所述預加熱器16連接。這樣組成一條進氣支路。 它的作用在於當預加熱器16和二次加熱器17關閉時，由該進氣支路引入部分氣 體，和循環系統內的水混合達到混合氣液兩相狀態。所有設備用電均由配電箱供 給。
結合圖2及3所示，進一步介紹透明測試管19內傳感器位置。如圖所示在 透明測試管19的內壁分別設有4個測溫面18，溫度傳感器32的探頭伸入透明 測試管19內壁。4個測溫面第一個用來測量沸騰前的流體溫度，第二個用來測 量沸騰中的流體溫度，其餘兩個用來測量沸騰後的流體溫度。
權利要求1、一種飛行載荷作用下兩相流地面模擬測試裝置，其特徵在於由飛行動載模擬平臺及安裝於飛行動載模擬平臺上的兩相流測試系統組成；其中飛行動載模擬平臺由轉盤(3)、電動機(5)、調速裝置、機架(10)組成；其中兩相流測試系統由流動水循環系統、流體參數測量系統及數據採集保存系統組成；其中流動水循環系統包括水箱(12)、水泵(13)、預加熱器(16)、二次加熱器(17)、透明測試管(19)，其中水箱出水口(36)通過管路依次與水泵(13)、預加熱器(16)、二次加熱器(17)相連，二次加熱器(17)另一端伸入透明測試管(19)中，透明測試管(19)另一端通過管路與水箱回水口(35)相連；其中流體參數測量系統包括空隙率測試儀(26)、流量計(14)、壓力計(21)、壓差計(20)、溫度傳感器(32)；其中數據採集保存系統由與傳感器相連的數據採集模塊(24)及筆記本電腦(25)組成。
2、 根據權利要求1所述的飛行載荷作用下兩相流地面模擬測試裝置，其特 徵在於所述的流動水循環系統中在水泵(13)和預加熱器(16)之間還接有一 個三通閥式氣液混合器(15),該三通閩式氣液混合器(15)的一個入口與所述水泵(13)連接，另一入口與空壓機(22)相連，其出口與所述預加熱器(16) 連接。
3、 根據權利要求l-2所述的飛行載荷作用下兩相流地面模擬測試裝置，其 特徵在於所述的透明測試管(19)在轉盤(3)上徑向或周向或任意角度布置。
4、 根據權利要求1-2所述的飛行載荷作用下兩相流地面模擬測試裝置，其 特徵在於在所述透明測試管(19)附近設置有用於拍攝記錄透明管中兩相流的 流動狀態的數碼攝像機(29)。
專利摘要一種飛行載荷作用下兩相流地面模擬測試裝置，屬於兩相流測量技術領域。它利用飛行動載模擬平臺模擬飛機動載狀態，通過調整轉盤的旋轉速度獲得不同的向心加速度，以模擬飛行載荷狀態。該裝置由飛行動載模擬平臺及兩相流測試系統組成；其中兩相流測試系統由流動水循環系統、流體參數測量系統及數據採集保存系統組成。本方法及裝置可以實現在地面上進行飛行載荷作用下兩相流地面模擬測試。
文檔編號G01M10/00GK201149539SQ20082003129
公開日2008年11月12日 申請日期2008年1月22日 優先權日2008年1月22日
發明者姚秋萍, 宋保銀, 閆旭東 申請人:南京航空航天大學