专利名称：低温风洞的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种风洞，尤其涉及一种低温风洞。
背景技术：
风洞是产生人工气流并能观察气流或气流与物体之间相互作用的管道装置。在这种装置中能造成一段受控制的气流流动的区域。风洞是空气动力学研究和实验中最广泛使用的工具，它的产生和发展是同航空航天科学的发展紧密相关的。为了多种应用需要，尤其是满足研制飞行器性能的要求，必须提高风洞的雷诺数。Margoulis注意到在降低试验气体温度的情况下，可以提高雷诺数，并降低驱动气流循环所需功率，而动压不会显著增加，并早在1920年就提出低温风洞概念。从70年代初以来，各国纷纷建造低温风洞。低温风洞和其他类型风洞相比在某些方面具有突出的优势，并已建成大型的低温风洞。但仍存在有待改进之处。例如，现有的低温风洞结构大都十分复杂，不仅占地面积大， 其初期设计及建设造价昂贵，在后期使用中单位时间的运行成本非常高，同时出现故障后设备的维修也相当麻烦。中国专利公开号CN1083587A公开了一种籍热分离器降低总温的低温风洞，该风洞采用高压气体作为致冷的能源，在运行中高压气体通过激波管后温度下降，之后通过节流阀使得气体温度进一步降低，达到试验温度要求，但是仍具有设备复杂、 噪音大、高压气源难获得等缺点。此外，现有的风洞为了更换试验模型和改变试验条件，通常需要停车。尤其是低温风洞为了使得试验段中的某些参数例如温度达到预定值后才放入试验模型，通常需要先开启驱动系统待到试验段中的环境达到想要的情况下，进行停车放入试验模型然后再次开启，这可能会导致风洞各部件的寿命缩短和运行成本高，以及试验模型会因停车然后再重启动之间的时间延缓而受到影响，不能保证试验的连续性。

发明内容
为克服上述现有技术的不足，本发明的任务是提供一种以液氮作为冷源且结构比较简单并且最小化甚至避免了使用中停车的低温风洞。本发明提供一种低温风洞，其包括液氮源；具有入口的洞体，该洞体包括与该入口连通的混合室、位于该混合室下游的稳定段、以及均位于该稳定段下游并可断开地与该稳定段连通的试验段和旁路段，其中该试验段与该旁路段并联布置，且其中该混合室包括用于将液氮源中的液氮喷淋到混合室中的至少一个喷淋口 ；驱动系统，其用于在洞体中产生从该入口流向试验段和/或旁路段的气流；和用于使所述试验段和所述旁路段中任一段与所述稳定段连通的切换机构。根据本发明的风洞结构比较简单，且通过该旁路段以及切换机构，便于管路切换， 因此在进行如样品更换等在试验段中操作时无需停车，这样保证了试验的连续性，同时避免了停车后重启动造成的大量能源耗费。此外，以液氮作为冷源，使得风洞的降温速度较快，减少前期准备时间。同时液氮容易得到且使用便捷，此外成本不高、单位能耗低。
根据本发明的优选实施例，混合室竖直布置且所述洞体的入口朝下，所述驱动系统从所述入口朝上喷吹气流。根据一实施例，该至少一个喷淋口包括设置在混合室腔壁上的多个喷淋口。根据进一步优选的实施例，所述多个喷淋口沿混合室的周向布置，且该多个喷淋口配置成沿混合室的内周切向略向下地喷吹液氮。这种配置特别有利于液氮与气流的均勻混合。根据本发明另一实施例，所述多个喷淋口布置成在竖直方向上间隔开并且朝混合室的纵向中心轴线喷吹液氮。混合室优选包括布置在喷淋口上方的金属丝网结构。进一步地，金属丝网结构包括上下间隔布置的多层网，各层网的目数从下往上逐层增大，即网眼由大及小，保证气流与液氮充分均勻混合，同时过滤掉气流中可能的固体杂质，并且对气流的阻力适当。根据另一优选实施例，所述混合室包括金属丝网结构，其中所述金属丝网结构上设置有与液氮源连通的所述至少一个喷淋口。根据本发明的实施例，所述试验段具有透明的观察区，其中该观察区在与气流接触的一侧上涂覆有防雾材料。根据本发明另一实施例，所述切换机构包括分别设置在试验段与稳定段以及旁路段与稳定段连接处的阀。根据本发明进一步的特征，所述洞体外侧设置有绝热保温层。


以下，结合附图来详细说明本发明的实施例，其中图1为本发明的低温风洞的结构示意图，其中未示出绝热保温层；图2为试验段截面示意图；图3为根据本发明的洞体的混合室的剖视图，其中示出了设置在洞体外侧的绝热
保温层；图4是根据本发明的低温风洞的混合室的另一实施例，其中示出了另一种喷淋口布置形式。
具体实施例方式本领域技术人员将理解提供附图是为了示出根据本发明的低温风洞的优选实施例，并不打算将本发明局限于附图所示的实施例。此外，附图不必严格按照比例和对应关系绘制。相反，为了清楚地描述本发明，部分附图或某些特征可能会被放大、省略、透明化或剖切。参看图1，示出了本发明的低温风洞。如图所示，该低温风洞总体上包括驱动系统 1，可移动支架2，洞体3，绝热保温层4(参看图幻。在所示的实施例中，驱动系统1包括风机11和底座12。风机11通过底座12固定在可移动支架上。风机功率依试验段所需的某些参数例如风速确定，在一实施例中，例如风机功率为3kW。根据本发明的洞体3具有与驱动系统连通的入口，且还包括混合室31，稳定段32，旁路段33和试验段34。如图所示，该洞体3的混合室31是竖直放置的，且该洞体的入口朝下。如图所示，用于支撑驱动系统1和洞体3的可移动支架2位于整个风洞的底部，从而风机11也位于该入口的下方并与其相连接，从而风机可以向洞体3内向上地喷吹气流。虽然示出了可移动支架2，可以想到的是也可以采用固定在地面上的支架支撑驱动系统1和洞体3。驱动系统1位于洞体3的底部的设计可以减轻可移动支架2承载的震动，提高整个系统的稳定性。洞体3是风洞的主要部分，空气从洞体3的向下开口的入口进入，依次流经紧邻该入口的混合室31，经过位于该混合室31的下游的稳定段32，并流动到在稳定段32下游的试验段和/或旁路段，如图1中箭头方向所示。混合室31如上所述是竖直放置的，稳定段 32在混合室31的顶部处与该混合室31连通，并且如图所示稳定段32从该顶部处朝下弯折。继续参看图1，在稳定段32的下游并联地连接有试验段34和旁路段33。如图所示，该试验段34和旁路段33优选均水平布置，但可以理解也可以采用其它的布置方式(例如试验段仍为水平布置但旁路段朝下或朝上布置)只要试验段和旁路段呈并联方式的即可。试验段34与稳定段32连通的一端设置有阀门341，该试验段34通过该阀门341 可实现与稳定段32连通或隔断。旁路段33与稳定段32连通的一端也设置有阀门331，该旁路段33通过该阀门331可实现与稳定段32连通或隔断。在该实施例中，切换机构包括所述阀门331和341，它们可用于在试验段34与旁路段33之间切换。例如操纵所述阀门 331和341 (切换机构)，选择试验段34或旁路段33与稳定段32相连通。切换机构可以包括其他能够在试验段与旁路段之间切换的装置，例如分别设置在试验段和旁路段与稳定段连接处的在工作中彼此互逆地联动的阀(即在工作中关闭试验段中的阀会同时地带动旁路段中的阀打开)。风洞还可以包括设置在试验段中的测量装置(未示出)，该测量装置用于测量试验段中的选定参数(例如温度)。例如，当该选定温度的测量值达到预定的阈值时，例如人工地操作切换机构将气流切换到旁路段33放入试验模型，然后再人工地将气流切换回到试验段34。可以理解测量装置还可以用于测量所要进行试验的模型的各种试验参数。此外，进一步优选的是风洞还具有控制装置，该控制装置例如用于当测量系统测得的选定参数的值超过或达到预定的阈值时可操纵切换机构将气流切换到旁路段，然后经过一定时间之后再自动地将气流切换回试验段，或者由操作人员手动切换回试验段。布置有测量装置和与该测量装置相关联的控制装置对于风洞试验的自动化来说是有利的。继续参看图1，试验段34还具有观察段342，该观察段342例如由透明的双层有机玻璃(中间带有夹层，内为真空或充入实验温度下不会凝结的气体，如氮气)制成，并且在该观察段与气流相接触的一侧(即内侧)涂覆有防雾材料。防雾材料例如可以是市售的常规防雾材料或者是用于特定环境而特制的防雾材料。可以理解的是，该观察段342可以用一个透明的观察窗替代，只要操作人员能从外部观察到试验段内部的情况即可。试验段34 的构型和尺寸依待测样品的尺寸及所需风速确定。例如图2所示，试验段可以是具有内径为200mm的圆管状，这种构造容易在管道中获得较为均勻一致的气流。但可以理解除了圆形截面之外，试验段可以具有其它几何形状的构造。回到图1，试验段34和旁路段33在远离稳定段32的一端是开口的，因此该风洞是开式风洞。可以想到的是还可以提供扩压段以及排出段布置试验段的下游，还可以在试验段或其下游部段设置消音器等装置。或者其他回收冷量的装置。
现参考图1和图3具体地描述洞体3中的混合室31，混合室具有形成用于液氮与气流进行混合的腔室和界定该腔室的腔壁，且混合室的水平横截面通常呈圆环形。在直立的混合室31上沿竖直方向间隔地布置了多个液氮喷淋口 311。这些喷淋口用于将外置的液氮源(未示出)中的液氮喷淋在混合室31中。图示的所述喷淋口 311的喷淋方向朝向混合室的纵向中心轴线。如上所述地，风机11喷吹的气流方向向上，而液氮在重力作用下倾向于向下运动，因此气流与液氮能够很好地混合。优选地，在喷淋口 311附近布置有金属丝网结构以利于进一步的混合。例如，在各喷淋口 311之上的一定距离在混合室的整个横截面上水平布置有相应的铜网。如图所示，4个喷淋口 311对应地布置有4个铜网312，且优选铜网具有的目数从下往上是逐层变大的，这样的布置在有利于液氮的混合和蒸发和减少气流流动阻力方面可以获得很好的平衡。此外，如图所示，喷淋口 311在竖直方向上等间隔地布置在混合室的一侧上，可以想到的是，喷淋口有不同的布置方式，例如在竖直方向上等间隔但以一侧布置两个的方式布置在混合室上或者呈现螺旋上升地布置在混合室上，或者在竖直方向上的间隔不等地布置在混合室上。多喷淋口的设计允许将多个液氮储罐同时连接到混合室，避免了因更换液氮储罐造成的试验中断，保证了试验的连续性，同时还可以延长工作时间。在图4所示的实施例中，所述混合室具有大致沿着混合室周向布置的多个喷淋口 311。更优选地，如图4所示，多个喷淋口 311大致位于同一水平平面上，该多个喷淋口 311 围绕着混合室腔壁的圆周布置有助于在气流中形成旋流，从而利于液氮的均勻混合。该多个喷淋口 311例如可以这样沿着混合室内周的水平切向喷吹液氮使得液氮沿着逆时针旋转的方向形成旋流。更优选地，喷淋口这样布置，沿内周切向略向下地喷吹液氮从而可形成水平切向和纵向切向两个方向的分量，水平切向分量有利于形成旋流，纵向向下的切向有助于液氮与风机喷吹的空气流碰撞以有利于混合。尽管在图中示出为多个喷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竖直方向上间隔开的“多层”，其中每层都具有如上描述地布置的至少一个喷淋口，从而沿周向略朝下地喷吹液氮以形成旋流。各层喷吹形成旋流的方向可以相同也可以不同。各层所具有的喷淋口的数目可以相同也可以不同。在另一个未示出的优选实施例中，混合室31可以包括设置在混合室腔室中的金属丝网结构，金属丝网结构可以是空心的且其上设有多个液氮喷淋口(优选朝下喷淋)，并且该金属丝网结构的喷淋口与液氮源连通。这样的布置特别有利，因为其有助于混合的机构与喷淋机构结合成一体，且所述液氮在遍及混合室的整个横截面喷出，这特别有利于液氮的均勻混合。在该实施例中，混合室腔壁上可以不设置喷淋口。在一个优选的实施例中，所述喷淋口均装设混合室的中下部，在这情况下液氮在混合室中可以有较大行程进行混合以有助于混合均勻。在如图3所示，在混合室外侧布置有绝热保温层4，事实上整个洞体外侧均布置有绝热保温层。其作用是减少风洞内低温气流与外部环境的热交换，减小漏热损失，从而减少液氮冷源的用量，降低风洞运行成本。以下描述根据本发明图示的优选实施例的开式风洞的运行。例如风机功率为3kW， 试验段内径为200mm。如图1所示，包括风机11和底座12的驱动系统1位于洞体3的下部，并且风机11上端与洞体3的入口的连通优选沿边缘被密封以防漏气。风洞开启前保持阀门331关闭而阀门341打开。当本发明的风洞开始工作时开启风机11，空气气流进入混合室31底部。液氮从喷淋口 311喷入，在液氮的重力以及向上喷吹的气流的相互作用下、 以及逐层经过铜网312后，低温氮气和喷入的空气气流充分混合，形成温度均勻分布的低温气流，之后进入稳定段32。低温气流经过稳定段32后形成高速稳定的低温气流，最后进入试验段34中，在试验段中气流实测速度可达^m/s。通过测量系统确认试验段34中的气流达到测试所需条件后(温度低到测试所需的阈值时)，关闭阀门341同时打开阀门331， 气流进入可切换旁路段33中。迅速将待测试样品放入有机玻璃段342中，之后在关闭阀门 331的同时打开阀门341，将低温气流切换到试验段34中，操作人员可通过透明的有机玻璃段342观察样品在测试中的状态变化，并进行相关记录。最后气流从有机玻璃段342排出到大气环境中，至此完成了工作气流在本发明的低温风洞中的流动过程。或者可以再切换到旁路段，更换测试样品后进行连续的试验。本发明所示的实施例的低温风洞是一个开式系统，与闭口风洞相比，其结构简单， 占地空间小(最高处距离地面高度仅为:3m左右，占地面积不到10平米)，安装成本低，并且便于安装检修。以上实施例仅是本发明有代表性的例子，只是为了说明本发明，而并非是对本发明的限定，根据所给出的上述说明本领域技术人员可以作出其他不同形式的变形。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举，而基于本发明所引出的等同、变化或变动仍处于本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种低温风洞，其特征在于，其包括液氮源；具有入口的洞体⑶，该洞体⑶包括与该入口连通的混合室(31)、位于该混合室下游的稳定段(32)、以及均位于该稳定段(32) 下游并可断开地与该稳定段(32)连通的旁路段(33)和试验段(34)，其中该旁路段(33)与该试验段(34)并联布置，且其中该混合室(31)包括用于将液氮源中的液氮喷淋到混合室 (31)中的至少一个喷淋口(311)；驱动系统(1)，其用于在洞体(3)中产生从该入口流向旁路段(3 和/或试验段(34)的气流；和用于使所述旁路段(3 和所述试验段(34)中任一段与所述稳定段(32)连通的切换机构。
2.根据权利要求1所述的低温风洞，其特征在于，混合室(31)竖直布置且所述洞体 (3)的入口朝下，所述驱动系统(1)从所述入口朝上喷吹气流。
3.根据权利要求2所述的低温风洞，其特征在于，所述至少一个喷淋口包括设置在混合室腔壁上的多个喷淋口，所述多个喷淋口沿混合室的周向布置，且该多个喷淋口配置成沿混合室(31)的内周切向略向下地喷吹液氮。
4.根据权利要求2所述的低温风洞，其特征在于，所述至少一个喷淋口包括设置在混合室腔壁上的多个喷淋口，所述多个喷淋口布置成在竖直方向上间隔开并且朝混合室(31) 的纵向中心轴线喷吹液氮。
5.根据权利要求2至4中任一项所述的低温风洞，其特征在于，所述混合室(31)包括布置在喷淋口上方的金属丝网结构。
6.根据权利要求5所述的低温风洞，其特征在于，所述金属丝网结构包括上下间隔布置的多层金属丝网，所述多层金属丝网的目数从下往上逐层增加。
7.根据权利要求1所述的低温风洞，其特征在于，所述混合室(31)包括金属丝网结构， 其中所述金属丝网结构上设置有与液氮源连通的所述至少一个喷淋口。
8.根据权利要求1所述的低温风洞，其特征在于，所述试验段(34)具有透明的观察区 (342)，其中该观察区(34 在与气流接触的一侧上涂覆有防雾材料。
9.根据权利要求1所述的低温风洞，其特征在于，所述切换机构包括分别设置在试验段与稳定段以及旁路段与稳定段连接处的阀(331，341)。
10.根据权利要求1所述的低温风洞，其特征在于，所述洞体外侧设置有绝热保温层⑷。
全文摘要
本发明提供一种低温风洞，该低温风洞包括液氮源；具有入口的洞体(3)，该洞体(3)包括与该入口连通的混合室(31)、位于该混合室下游的稳定段(32)、以及均位于该稳定段(32)下游并可断开地与该稳定段(32)连通的旁路段(33)和试验段(34)，其中该旁路段(33)与该试验段(34)并联布置，且其中该混合室(31)包括用于将液氮源中的液氮喷淋到混合室(31)中的至少一个喷淋口(311)；驱动系统(1)，其用于在洞体(3)中产生从该入口流向旁路段(33)和/或试验段(34)的气流；和用于使所述旁路段(33)和所述试验段(34)中任一段与所述稳定段(32)连通的切换机构。
文档编号G01M9/02GK102192828SQ20101011706
公开日2011年9月21日 申请日期2010年3月2日 优先权日2010年3月2日
发明者刘晓军, 刘立强, 熊联友, 董斌, 陆文海, 马莉娅 申请人:中国科学院理化技术研究所