一种基于等离子体激励的风洞沙尘环境模拟装置和方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种基于等离子体激励的风洞沙尘环境模拟装置和方法，装置包括设置在风洞实验段入口的沙尘发生组件和风场发生阵列；所述沙尘发生组件用于向所述风洞中注入落沙；所述风场发生阵列由多个等离子体激励组件阵列排布而成；所述等离子体激励组件用于周期性交替产生垂直上升射流和旋转流动，所述沙尘发生组件注入的落沙在两个方向的流动与所述风洞内流动耦合作用下，形成所需沙尘环境。本发明专利技术通过电离空气产生等离子体，带电粒子在电场/磁场作用下相互碰撞或与中性粒子碰撞，进而诱导产生射流，从而为沙尘提供垂向速度和旋转速度，以模拟真实环境下沙尘运行轨迹。以模拟真实环境下沙尘运行轨迹。以模拟真实环境下沙尘运行轨迹。

【技术实现步骤摘要】
一种基于等离子体激励的风洞沙尘环境模拟装置和方法


[0001]本专利技术属于风洞实验
，具体涉及一种基于等离子体激励的风洞沙尘环境模拟装置和方法，可在风洞中模拟大气内沙尘暴等风沙环境，以开展飞行器在沙尘环境内的飞行特性研究，同时也可用来进行风沙环境下风力机及建筑物的受力研究等。

技术介绍

[0002]沙漠戈壁占地面积广泛，沙尘天气众多且影响区域大。飞行器在沙尘环境下工作，其发动机、机翼等结构性能会受到极大影响，严重情况下甚至会造成安全事故；随着风力发电技术的广泛应用，沙尘暴等沙尘天气同样会对风力机性能和安全产生影响，相关研究逐渐受到重视。
[0003]目前开展沙尘暴等沙尘环境研究，除实地开展外，更多需要通过风洞实验模拟沙尘环境完成。目前常用的风沙模拟系统多采用地面铺沙和垂向落沙方式。其中，若采用地面铺沙，风沙流主要局限于地面200mm以内，风沙难以均匀分布于整个风洞截面，有效面积较小，仅能开展小尺寸低矮实验模型研究；垂向落沙存在同样的问题，在风速不够高的情况下，沙尘会快速沉降，在到达实验截面时分布不均，另外仅能模拟单一速度的风沙流，而自然界中沙尘运动特别是沙尘暴天气下沙尘的运动方向是复杂的，现有的方法均无法真实模拟沙尘环境。

技术实现思路

[0004]为了解决现有沙尘环境模拟技术无法真实模拟沙尘环境的问题，本专利技术提供了一种基于等离子体激励的风洞沙尘环境模拟装置和方法。本专利技术通过电离空气产生等离子体，带电粒子在电场/磁场作用下相互碰撞或与中性粒子碰撞，进而诱导产生射流，从而为沙尘提供垂向速度和旋转速度，以模拟真实环境下沙尘运行轨迹。
[0005]本专利技术通过下述技术方案实现：一种基于等离子体激励的风洞沙尘环境模拟装置，包括设置在风洞实验段入口的沙尘发生组件和风场发生阵列；所述沙尘发生组件用于向所述风洞中注入落沙；所述风场发生阵列由多个等离子体激励组件阵列排布而成；所述等离子体激励组件用于周期性交替产生垂直上升射流和旋转流动；所述沙尘发生组件注入的落沙在两个方向的流动与所述风洞内流动耦合作用下，形成所需沙尘环境。
[0006]作为优选实施方式，本专利技术的等离子体激励组件包括磁场发生单元、垂直上升射流发生单元和旋转流动发生单元；所述垂直上升射流发生单元包括环形交流高压电极和环形交流低压电极，由交流电源供电；所述旋转流动发生单元包括环形直流高压电极和环形直流低压电极，由直流电源
供电；所述环形直流高压电极和环形直流低压电极同轴设置，且所述环形直流低压电极设置在所述环形直流高压电极外侧，所述磁场发生单元设置在所述旋转流动发生单元下方。
[0007]作为优选实施方式，本专利技术的磁场发生单元采用环形磁场发生装置；所述环形直流高压电极的外径等于所述环形磁场发生装置的内径；所述环形直流低压电极的内径等于所述环形磁场发生装置的外径。
[0008]作为优选实施方式，本专利技术的旋转流动发生单元和所述垂直上升射流发生单元中的电极均采用铜箔。
[0009]作为优选实施方式，本专利技术的等离子体激励组件还包括函数发生器和调压器；所述函数发生器用于分别控制所述磁场发生单元、垂直上升射流发生单元和旋转流动发生单元的周期性工作与关闭；所述调压器，用于调节所述垂直上升射流发生单元和旋转流动发生单元的输入电压幅值和频率。
[0010]作为优选实施方式，本专利技术的函数发生器采用多通道输出驱动信号的方式进行控制。
[0011]作为优选实施方式，本专利技术的调压器包括直流调压器和交流调压器；所述直流调压器与所述直流电源连接，所述交流调压器与所述交流电源连接。
[0012]第二方面，本专利技术提出了上述风洞沙尘环境模拟装置的工作方法，包括：运行风洞，产生均匀来流；初始化函数发生器，函数发生器分别输出驱动信号至所述磁场发生单元、垂直上升射流发生单元和旋转流动发生单元；控制所述磁场发生单元和所述旋转发生单元同时启动，并控制所述垂直上升射流发生单元关闭，产生旋转流动；在预设时间间隔后，控制所述垂直上升射流发生单元启动，并控制所述磁场发生单元和所述旋转流动发生单元关闭，产生垂直上升射流；与预设时间间隔周期性交替产生旋转流动和垂直上升射流，两个方向的流动与所述风洞内流动耦合，从而形成所需风场结构；打开所述沙尘发生组件，为所述风洞内注入落沙，其在所述风场结构的作用下形成所需沙尘环境。
[0013]作为优选实施方式，本专利技术的初始化函数发生器，具体为：设置函数发生器的输出信号，函数发生器的3个输出通道同步以5V的TTL信号作为输出，且3个输出通道输出的信号的电位差、频率一致；输入所述磁场发生单元和所述旋转流动发生单元的信号的波形相位一致；输入所述垂直上升射流发生单元的信号与输入所述磁场发生单元和所述旋转流动发生单元的信号波形相位相差0.5T，其中，T为信号周期。
[0014]作为优选实施方式，本专利技术的方法还包括：通过调整所述垂直上升射流发生单元和所述旋转流动发生单元的输入电压幅值和频率，从而调整形成的沙尘强度。
[0015]本专利技术具有如下的优点和有益效果：本专利技术采用了纯电驱动的形式，通过电离空气产生等离子体，随后带电粒子在电
场/磁场作用下相互碰撞或与中性粒子碰撞，进而诱导产生射流，为沙尘提供垂向速度和旋转速度，从而模拟真实环境下沙尘运行轨迹。
[0016]本专利技术通过控制电磁场强度和带电离子密度，实现对垂直风速和旋转风速的控制，使得沙尘在到达实验截面前防止沙尘因重力下落，提高实验段沙尘分布均匀性。
[0017]本专利技术结构简单，便于维护，成本低且易于实现。
附图说明
[0018]此处所说明的附图用来提供对本专利技术实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本专利技术实施例的限定。在附图中：图1为本专利技术实施例的装置结构示意图。
[0019]图2为本专利技术实施例的等离子体激励组件结构示意图。
[0020]图3为本专利技术实施例的等离子体激励单元剖视图。
[0021]图4为本专利技术实施例的等离子体激励单元俯视图。
[0022]图5为本专利技术实施例的等离子体激励单元仰视图。
[0023]图6为本专利技术实施例的旋转流动产生示意图。
[0024]图7为本专利技术实施例的垂直射流产生示意图。
[0025]附图中标记及对应的零部件名称：1
‑
风洞，2
‑
沙尘发生组件，3
‑
风场发生阵列，4
‑
第一电极，5
‑
第二电极，6
‑
第一绝缘介质层，7
‑
第三电极，8
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绝缘填充层，9
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第二绝缘介质层，10
‑
磁场发生单元。
具体实施方式
[0026]在下文中，可在本专利技术的各种实施例中使用的术语“包括”或“可包括”指示所专利技术的功能、操作或元件的存在，并且不限制一个或更多个功能、操作或元件的增加。此外，如在本专利技术的各种实施例中所使用，术语“包括”、“具有”及其同源词仅意本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于等离子体激励的风洞沙尘环境模拟装置，其特征在于，包括设置在风洞实验段入口的沙尘发生组件和风场发生阵列；所述沙尘发生组件用于向所述风洞中注入落沙；所述风场发生阵列由多个等离子体激励组件阵列排布而成；所述等离子体激励组件用于周期性交替产生垂直上升射流和旋转流动；所述沙尘发生组件注入的落沙在两个方向的流动与所述风洞内流动耦合作用下，形成所需沙尘环境。2.根据权利要求1所述的一种基于等离子体激励的风洞沙尘环境模拟装置，其特征在于，所述等离子体激励组件包括磁场发生单元、垂直上升射流发生单元和旋转流动发生单元；所述垂直上升射流发生单元包括环形交流高压电极和环形交流低压电极，由交流电源供电；所述旋转流动发生单元包括环形直流高压电极和环形直流低压电极，由直流电源供电；所述环形直流高压电极和环形直流低压电极同轴设置，且所述环形直流低压电极设置在所述环形直流高压电极外侧，所述磁场发生单元设置在所述旋转流动发生单元下方。3.根据权利要求2所述的一种基于等离子体激励的风洞沙尘环境模拟装置，其特征在于，所述磁场发生单元采用环形磁场发生装置；所述环形直流高压电极的外径等于所述环形磁场发生装置的内径；所述环形直流低压电极的内径等于所述环形磁场发生装置的外径。4.根据权利要求2所述的一种基于等离子体激励的风洞沙尘环境模拟装置，其特征在于，所述旋转流动发生单元和所述垂直上升射流发生单元中的电极均采用铜箔。5.根据权利要求2所述的一种基于等离子体激励的风洞沙尘环境模拟装置，其特征在于，所述等离子体激励组件还包括函数发生器和调压器；所述函数发生器用于分别控制所述磁场发生单元、垂直上升射流发生单元和旋转流动发生单元的周期性工作与关闭；所述调压器，用于调节所述垂直上升射流发生单元和旋转流动发生单元的输入电压幅值和频率。6.根据权利要求5所述的...

【专利技术属性】
技术研发人员：张鑫，李昌，阳鹏宇，
申请(专利权)人：中国空气动力研究与发展中心低速空气动力研究所，
类型：发明
国别省市：