一种基于石英灯加热的温度控制风洞装置及试验方法制造方法及图纸

一种基于石英灯加热的温度控制风洞装置及试验方法，包括加热装置、水冷设备、气冷设备、温控箱；加热装置包括内至外依次设置的石英玻璃框、两层石英玻璃罩和聚光外壳，石英玻璃框的两端均设置有安装框架，上述部件通过两端支撑板固定；若干石英灯构成加热阵列置于上述两层石英玻璃罩之间，且石英灯灯端两头与石英玻璃罩固连；石英灯灯端两头电极分别与水冷管道和电极圈相连；水冷管道通过水冷管道接口、水冷管道与水冷设备相连；电极圈通过温控线路接口和温控线路与温控箱相连；温度传感器通过温控线路接口和温控线路与温控箱相连；气冷管道设置在聚光外壳外侧，出口与由两层石英玻璃罩和试验段支撑板构成的封闭空间连通，入口通过气冷输送管道与气冷设备相连。

A Temperature Control Wind Tunnel Device Based on Quartz Lamp Heating and Its Test Method

【技术实现步骤摘要】
一种基于石英灯加热的温度控制风洞装置及试验方法
本专利技术涉及一种基于石英灯加热的温度控制风洞装置，尤其适用于高超声速飞行器的地面气动热模拟实验，相比较于传统的总温控制风洞与热风洞，既具有良好的流场模拟效果，又具有良好的热环境模拟效果，属于航空航天领域的高温热流场模拟装置。
技术介绍
在最近半个世纪以来，世界各国对高超声速飞行器愈加重视，并对高超声速飞行器的发展投入了越来越多的人力物力。近十几年来，我国也在大力发展高超声速飞行器。典型的高超声速飞行器如X-51黑鸟侦察机和X-47B无人驾驶飞行器都是在5马赫数以上的速度飞行，由于高速摩擦等原因产生的气动加热现象非常严重，整个飞行器表面要承受1000℃以上高温，部分结构如机翼前缘承受温度可达5000℃。由于气动加热产生的高温，会导致飞行器结构承载能力的下降和材料强度极限的降低，使飞行器产生热变形，破坏飞行器的气动外形和机体结构，影响飞行器的安全和使用寿命，为了保证高超声速飞行器的安全，确认飞行器材料和结构是否能够经受起高超声速飞行时的气动热冲击和高温热应力破坏，必须对高超声速飞行器整体进行气动热模拟和热-力耦合实验。同时，飞行器在高超声速飞行时的气动特性也可以在气动热实验中获得。如今比较成熟的飞行器气动实验设备有两类，即总温控制风洞和热风洞。热风洞又称为高焓高超声速风洞，其试验段马赫数可达10到12，主要用于研究导弹、人造卫星或其他高超声速飞行器在高超声速飞行时的气动特性与结构、材料特性。热风洞会在试验段产生高温高超声速气流，模拟出高超声速飞行器飞行时的环境。然而，热风洞存在以下几个缺点：1、热风洞的气体是由风洞上游的加热器加热的，所以整个风洞结构内壁都会承受高温高马赫数气流的冲击，而且整个风洞内的流场特性差。2、热风洞最显著的特点就是它的工作时间极短，为了保证足够高的增压比，热风洞上游必须设有高压气瓶，下游必须设有真空箱，在极短的运行时间内，高压气瓶内的气体被抽向下游，完成整个实验过程。所以，高压气瓶的大小一定程度上限制了工作时间。相比较于热风洞，总温控制风洞能达到非常好的流场特性，也能实现较长的工作时间，但是却不能使气流达到高超声速飞行时的温度。因此，开发一款既能模拟高超声速飞行时的气流环境，又能使流场模拟效果达到最优，同时可以长时间工作的风洞势在必行。
技术实现思路
本专利技术的技术解决问题是：一种基于石英灯加热的总温控制风洞装置，其具有良好的热流场模拟效果，可满足马赫数8以上的高超声速飞行器的实验要求。本专利技术的技术解决方案是：一种基于石英灯加热的温度控制风洞装置，包括加热装置、水冷设备、气冷设备、温控箱；所述的加热装置包括内至外依次设置的石英玻璃框、两层石英玻璃罩和聚光外壳，石英玻璃框的两端均设置有安装框架，二者通过两端支撑板固定；上述石英玻璃罩和聚光外壳的两端亦通过所述的两端支撑板固定；若干石英灯构成加热阵列置于上述两层石英玻璃罩之间，且石英灯灯端两头与石英玻璃罩固连；石英灯灯端两头电极分别与水冷管道和电极圈相连；水冷管道通过水冷管道接口、水冷管道与水冷设备相连；电极圈通过温控线路接口和温控线路与温控箱相连；温度传感器固定在石英玻璃框内侧，并通过温控线路接口和温控线路与温控箱相连；气冷管道设置在聚光外壳外侧，出口与由两层石英玻璃罩和试验段支撑板构成的封闭空间连通，入口通过气冷输送管道与气冷设备相连。试验过程中，温度传感器采集的温度信息发送至温控箱，温控箱将接收的温度信息与预设的温度进行比较，通过PID方式控制石英灯、水冷设备、空冷设备工作，使试验温度达到预设的温度。优选的，所述的石英灯包括由内至外设置的石英灯内腔体和石英灯外腔体，设置在石英灯内腔体两端的石英灯电极，以及设置在石英灯外腔体两端的石英灯水冷通道；石英灯电极分别与电极圈和石英灯内腔体相连，组成石英灯内部电路；石英灯水冷通道分别与水冷管道和石英灯外腔体相连，构成石英灯灯管冷却通道。优选的，所述的加热阵列为环形。优选的，加热阵列中的石英灯均布且灯管间距设置为10～12mm。优选的，所述的加热装置通过安装框架直接连接在喷管段和扩张段之间，作为风洞试验过程中的试验段。优选的，通过多组真空室相连提供真空环境，通过多组高压气罐相连提供高压气体，以提高工作时间。优选的，所述的加热装置安装在试验段内，且通过过渡段实现安装框架与喷管段和扩张段之间的连接。优选的，所述的温控线路接口穿过一端支撑板通过温控线路与温控箱相连；所述的水冷管道接口穿过一端支撑板或者穿过聚光外壳，通过水冷管道与水冷设备相连。优选的，所述的聚光外壳选用镀金属反光板。优选的，所述的气冷管道为一组或多组，每组为一个入口连通多个出口的结构形式，所有出口设置成一排或者多排形式，每排沿来流方向设置。优选的，所述的温控箱通过如下方式控制试验温度达到预设的温度：第一步：按照PID控制算法计算比例控制率Up、积分控制率及微分控制率UD，并在积分控制率的计算过程中引用衰减系数α，以此削弱温控历史误差对当前控制稳定性的干扰；第二步：在第一步的基础上，引入微分前馈补偿项KpdGradi与目标曲线旋转补偿项Ktr(Gradi-Gradi-1)，确定控制率：其中：Gradi：为ti时刻目标温度曲线的导数；Kp，Kd，Ki，Kpd，Ktr为PID控制参数；第三步，试验进行过程中，实时获取当前测得温度T与当前目标温度T0，据此计算当前时刻ti的控制误差e(ti)，结合上述确定的控制率确定当前时刻ti的控制率，并将确定的控制率以电压信号形式输入至温控箱，进而控制输入给石英灯的电源功率。优选的，所述的衰减系数α取值范围0.95-0.99，优选0.99。一种利用所述装置进行试验的方法，步骤如下：步骤一，对风洞设备进行安全性检验；所述的风洞设备包括权利要求1所述的装置、以及满足如下连接关系的设备：高压气罐出口与压缩段相连；压缩段出口与稳定段相连；稳定段出口与喷管段相连；喷管段出口与扩张段6之间安装加热装置，扩张段出口与真空室相连；真空室为气流终端；并在石英玻璃框尾段内固定空速管；步骤二、控制高压气罐与真空室打开气流通路，检查风洞设备各段气密性是否完好，若检查无误，则关闭气流通路，待气流停止，将试验件固定到石英玻璃框内；步骤三、启动水冷设备，使待水冷管道被充满冷却水；步骤四、控制温控箱，启动电磁加热，根据温度传感器传回的数据进行功率调节，待温度达到要求并稳定后保持该功率不变；步骤五、控制高压气罐与真空室打开不超过50％的气流通路，然后根据空速管传回的流速数据进行气流通路大小调节，待流速数据达到要求并稳定后，进行试验；步骤六、试验结束后，先关闭气流通路，待设备降至常温，停止冷却水通入，实验结束、排出管路内多余的冷却水，结束试验过程。本专利技术与现有技术相比有益效果为：本装置通过石英灯加热，在不影响风洞试验流场效果的同时，实现风洞试验模型快速高温升的加热需求、模型最高加热温度的能够实现有效控制且不损坏试验模型。并且本专利技术加热装置的结构形式能够实现风洞试验模型气动热环境的精确模拟，且能够可以实现模型温度的均匀加热、温度的分布式模拟，模拟模型沿轴向和法向的温度分布。本专利技术引入气冷/水冷装置(灯管内部夹层循环水冷却及灯管表面强制对流冷却的联合设计)对石英灯管降温，可以有效降低石英灯管本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于石英灯加热的温度控制风洞装置，其特征在于：包括加热装置、水冷设备、气冷设备、温控箱；所述的加热装置包括内至外依次设置的石英玻璃框、两层石英玻璃罩和聚光外壳，石英玻璃框的两端均设置有安装框架，二者通过两端支撑板固定；上述石英玻璃罩和聚光外壳的两端亦通过所述的两端支撑板固定；若干石英灯构成加热阵列置于上述两层石英玻璃罩之间，且石英灯灯端两头与石英玻璃罩固连；石英灯灯端两头电极分别与水冷管道和电极圈相连；水冷管道通过水冷管道接口、水冷管道与水冷设备相连；电极圈通过温控线路接口和温控线路与温控箱相连；温度传感器固定在石英玻璃框内侧，并通过温控线路接口和温控线路与温控箱相连；气冷管道设置在聚光外壳外侧，出口与由两层石英玻璃罩和试验段支撑板构成的封闭空间连通，入口通过气冷输送管道与气冷设备相连；试验过程中，温度传感器将采集的温度信息发送至温控箱，温控箱根据接收的温度信息控制石英灯工作，使试验温度达到预设的温度。

【技术特征摘要】
1.一种基于石英灯加热的温度控制风洞装置，其特征在于：包括加热装置、水冷设备、气冷设备、温控箱；所述的加热装置包括内至外依次设置的石英玻璃框、两层石英玻璃罩和聚光外壳，石英玻璃框的两端均设置有安装框架，二者通过两端支撑板固定；上述石英玻璃罩和聚光外壳的两端亦通过所述的两端支撑板固定；若干石英灯构成加热阵列置于上述两层石英玻璃罩之间，且石英灯灯端两头与石英玻璃罩固连；石英灯灯端两头电极分别与水冷管道和电极圈相连；水冷管道通过水冷管道接口、水冷管道与水冷设备相连；电极圈通过温控线路接口和温控线路与温控箱相连；温度传感器固定在石英玻璃框内侧，并通过温控线路接口和温控线路与温控箱相连；气冷管道设置在聚光外壳外侧，出口与由两层石英玻璃罩和试验段支撑板构成的封闭空间连通，入口通过气冷输送管道与气冷设备相连；试验过程中，温度传感器将采集的温度信息发送至温控箱，温控箱根据接收的温度信息控制石英灯工作，使试验温度达到预设的温度。2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述的石英灯包括由内至外设置的石英灯内腔体和石英灯外腔体，设置在石英灯内腔体两端的石英灯电极，以及设置在石英灯外腔体两端的石英灯水冷通道；石英灯电极分别与电极圈和石英灯内腔体相连，组成石英灯内部电路；石英灯水冷通道分别与水冷管道和石英灯外腔体相连，构成石英灯灯管冷却通道。3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于：所述的加热阵列为环形。4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于：加热阵列中的石英灯均布且灯管间距设置为10～12mm。5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述的加热装置通过安装框架直接连接在喷管段和扩张段之间，作为风洞试验过程中的试验段。6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于：通过多组真空室相连提供真空环境，通过多组高压气罐相连提供高压气体，以提高工作时间。7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述的加热装置安装在试验段内，且通过过渡段实现安装框架与喷管段和扩张段之间的连接。8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述的温控线路接口穿过一端支撑板通过温控线路与温控箱相连；所述的水冷管道接口穿过一端支撑板或者穿过聚光外壳，通过水冷管道与水冷设备相连。9.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述的聚光外...

【专利技术属性】
技术研发人员：吕计男，郭力，范学领，江鹏，李定骏，杨镠育，
申请(专利权)人：中国航天空气动力技术研究院，西安交通大学，
类型：发明
国别省市：北京,11