用于发动机管路数字孪生模型的光纤流体测温方法及系统与流程

1.本发明涉及流体测温技术领域，具体涉及一种用于发动机管路数字孪生模型的光纤流体测温方法及系统。


背景技术：

2.飞机的管路系统的正常运行是飞机整体系统正常运作的保障。由于飞机发动机的各种零部件之间的形状结构和安装位置均相差较大，内部流动油液种类和工作状态(温度、压力、流量等)也各不相同，不同的管路都需要分别开展管路性能试验，如管路防火试验，不仅存在一定危险性，且所耗成本较大，验证周期较长。随着仿真模拟技术的快速发展，有人提出建立发动机外部管路及零部件的数字孪生模型，通过数字孪生模型进行各种试验仿真，得到模拟试验结果，不仅仅能够有助于对各种试验的前期设计和修正，还能通过先进行仿真模拟节约实际试验成本，不仅仅提高了试验的安全性和准确性，还能够极大节约成本
3.然而，建立数字孪生模型需要发动机管路内部各个关键节点的节点参数，而对于一些零部件以前没有测过这些节点参数的情况下，需要新设计新的测试方法来准确获得这些节点参数。例如，对于输油管道等的流体温度测试，以往仅仅测试进出口的流体温度，对于管道内的流体温度从来没有测试过。
4.现有的与流体接触的温度测量有很多的困难，并且测量结果并不真实。现有技术中，往往通过在规划和设计管道时开测温孔，通过测温孔将温度传感器插入流体，然后进行测温。这种方式，开孔需要法兰和结构加固，这些结构必须满足一些最严格的安全要求。同时还需要加设导热保护套管设计用于保护温度传感器免受化学和机械应力的影响。而还有一种方案是通过导线连接温度传感器的方式置入到管道内进行测试。上述方案的结构均会对管道的内部空间造成影响，一定程度上影响管道内流体的流动状态，无法真实模拟出管道中流体在正常流动下的温度参数，得到的温度参数值并不准确，不具备参实际考价值，用包括这些温度参数在内的节点参数也无法建立出符合飞机对应管道真实性的数字孪生模型。
5.因此，目前亟需一种能够真实测得管道流体各关键节点温度的方案。


技术实现要素：

6.本发明意在提供一种用于发动机管路数字孪生模型的光纤流体测温方法及系统，能够准确测量管道内的流体温度，结构简单，操作方便，应用性强，构建出的测试环境逼近于真实应用环境，测试的真实性较强。
7.为达到上述目的，本发明提供以下方案：
8.方案一：
9.用于发动机管路数字孪生模型的光纤流体测温方法，包括以下步骤：
10.步骤1：安装光纤光栅，使得光纤光栅穿过待测管道且不接触待测管道的内管壁；并调节光纤光栅位置，使得光纤光栅轴线与待测管道轴线之间的距离呈预设距离；固定光
纤光栅；
11.步骤2：引出光纤光栅的尾纤部；连接尾纤部和温度解调装置；
12.步骤3：待测管道内开始流动流体；温度解调装置通过光纤光栅测量待测管道内的流体温度。
13.本方案的工作原理及优点在于：利用光纤光栅进行管道流体测温，并且测温对象为管道内的流体，能够准确检测待测管道内部各个关键节点的流体温度参数，能够为细致评估管道性能提供充分完善的数据参考。并且，光纤光栅的直径较小，占用管道的体积较小，不会对管道内流体的流速、流动方向等造成影响，能够最大程度上的保证待测管道内流体的流动状态的真实性，构建出的测试环境逼近于真实应用环境，测试的真实性较强，进而测温得到的温度数据真实性较强，具备实际参考价值。
14.现有技术中，往往没有对管道内部的流体温度情况做检测，其中原因概为：一是常规技术中，大家忽略了管道内流体温度变化的情况和过程，仅测量管道进口处和管道出口处的流体温度，仅关注流体温度的输入和输出结果。而实际上，仅关注结果是不可取的，对于流体在管道内流动时温度变化过程同样需要检测，通过细致的管道内关键节点的温度检测，才能够准确评估管道整体的性能，才便于有针对性地提升管道质量。而本方案则发现了以往检测中存在的缺陷，设计了一套适用于管道内部流体温度检测的测温方法，能够细致地评估管道各个部分的性能。
15.二是对于管道内部流体的准确温度测量存在技术壁垒。现有技术中，通过导线连接温度传感器的方式置入到管道内进行测试，会因为导线和温度传感器等器件占据空间较大的原因而影响到流体的正常流动，使测得的温度并非是在流体正常流动的情况下测得的，无法真实模拟出管道中流体在正常流动下的温度参数，得到的结果参考价值较低。而本方案则将光纤光栅测温技术应用到管道流体测温领域中，充分发挥了光纤光栅的结构及功能特性，光纤在待测管道内占用的截面面积较小，能够在不影响管道内流体的正常流动的情况下，准确测量出管道内部流体的温度。
16.进一步，在步骤1中，固定光纤光栅时，采用三棱固定架固定光纤光栅，所述三棱固定架设于待测管道的测温段的端部和尾部。
17.这样设置，能够将光纤光栅准确固定在测温段，保证得到的温度数据是需要的数据。
18.进一步，在步骤2中，引出光纤光栅的尾纤部时，采用光纤法兰引出并辅助封闭待测管道。
19.这样设置，能够保证尾纤部的正常引出，同时能够完成对待测管道的密封，减少待测管道中流体温度的额外损耗。
20.进一步，在步骤1中，安装光纤光栅时，还调节光纤光栅位置，使得光纤光栅轴线与待测管道轴线平行，光纤光栅轴线与待测管道轴线之间的距离呈预设距离。
21.本方案中的光纤光栅轴线与待测管道轴线之间的距离呈预设距离，准确定义了光纤光栅在管道中的相对位置，不同预设距离下测得的流体温度可能不同。例如，预设距离为0时，光纤光栅轴线与待测管道轴线重合，能够测得最标准的流体温度；预设距离为待测管道半径减去光纤光栅半径的值时，光纤光栅靠近管壁，得到的流体温度偏高，但是，通过分析比较不同节点的温度值高低，有助于分析管壁的隔热性能。相比于现有技术中，对于测温
装置在待测物中的位置不做限定的做法，本方案能够通过调整光纤光栅的相对位置，从不同角度分析管道的性能。此外，光纤光栅轴线与待测管道轴线平行，能够保证管道内每个节点的光纤光栅占用的管道横截面积都为定值，都为光纤光栅的标准横截面积，最大程度上减小对于管道流体的干扰。
22.进一步，所述光纤光栅上设有数个不同中心波长的光栅；相邻光栅间距为定值。
23.这样设置,能够保证一定值的测量定位精度，每隔一定的距离采集一个温度，流体温度采集的细致程度和规整程度较高。
24.进一步，所述光纤光栅包括涂覆层；涂覆层采用聚酰亚胺材料。
25.聚酰亚胺材料具备较强的耐高温性能，能够长期在300℃左右的高温环境下正常使用，采用该材料涂覆光纤光栅，能够增强光纤光栅的耐高温性能，保证光纤光栅的正常工作。同时受热膨胀较小，对于光纤光栅整体的体积影响较小。
26.进一步，光纤光栅套设于毛细不锈钢金属管中，所述毛细不锈钢金属管的两端与待测管道内壁固定连接。
27.这样设置，当管道内流体流动时，毛细不锈钢金属管可有效避免因流体压力对光纤光栅造成的应力应变，同时保证了光纤光栅与高温流体的良好接触，从而达到快速精准测温定位的效果。
28.进一步，所述固定连接为激光焊接。
29.这样设置，毛细不锈钢金属管的定位精度较高，连接紧密度较好。
30.方案二：
31.用于发动机管路数字孪生模型的光纤流体测温系统，包括光纤光栅、三棱固定架、三通连接器、光纤法兰和温度解调装置；
32.所述光纤光栅用于检测待测管道内的流体温度；
33.所述三棱固定架用于固定光纤光栅；
34.所述三通连接器用于连通光纤光栅尾纤部的引出部以及待测管道的测温段和非测温段；
35.所述光纤法兰用于引出光纤光栅的尾纤部并辅助封闭待测管道；
36.所述温度解调装置用于分析确认待测管道内的流体温度值。
37.本方案的效果及优点在于：针对管道内的流体进行温度检测，能够准确测量待测管道内部的流体温度，同时采用光纤光栅作为检测件，光纤光栅对管道空间的占用程度较小，不会影响管道内流体的流动状态，构建出的测试环境逼近于真实应用环境，测试的真实性较强。
38.进一步，所述温度解调装置包括激光光源、光纤放大器、光环形器、光电探测器和信号处理装置；所述激光光源用于为光纤光栅提供光信号；所述光纤放大器用于发送光信号；所述光环形器用于与光纤光栅进行信号传输；所述光电探测器用于进行光电信号转换；所述信号处理装置用于解析信号数据并得出流体温度。
39.这样设置，整体通过光电信号的转换和解析，能够实现对管道内部高温流体的准确的测温及定位。
附图说明
40.图1为本发明实施例一的用于发动机管路数字孪生模型的光纤流体测温方法的流程示意图。
41.图2为本发明实施例一的用于发动机管路数字孪生模型的光纤流体测温方法的光纤光栅安装结构示意图。
42.图3为本发明实施例三的用于发动机管路数字孪生模型的光纤流体测温方法的光纤光栅安装结构示意图。
具体实施方式
43.下面通过具体实施方式进一步详细的说明：
44.说明书附图中的标记包括：待测管道1、测温段11、非测温段12、光纤光栅2、毛细不锈钢金属管3、光纤法兰4、三通连接器5、三棱固定架6、弯管7。
45.实施例一：
46.实施例基本如附图1、图2所示：用于发动机管路数字孪生模型的光纤流体测温方法，包括以下步骤：
47.步骤1：安装光纤光栅2，使得光纤光栅2穿过待测管道1且不接触待测管道1的内管壁；固定光纤光栅2。
48.固定光纤光栅2时，采用三棱固定架6固定光纤光栅2，所述三棱固定架6设于待测管道1的测温段11的端部和尾部。安装光纤光栅2时，还调节光纤光栅2位置，使得光纤光栅2轴线与待测管道1轴线平行，光纤光栅2轴线与待测管道1轴线之间的距离呈预设距离。本实施例中，预设距离为0，即光纤光栅2轴线与待测管道1轴线重合，能够测得标准的流体温度。
49.具体地，本实施例中，待测管道1的测温段11和非测温段12处于同一条轴线上，能够在不改变原有流体管道完整性及流体流动方向的情况下进行温度测量，能够最大程度上保证测试环境的真实性。在测温段11的端部和尾部各安装一个三棱固定架6，所述三棱固定架6包括固定壁和棱边，固定壁呈圆环形，固定壁的外径与待测管道1形状尺寸配合，能够良好卡合在待测管道1中，固定壁的内部设有三个棱边，三个棱边周向均匀排布，三个棱边的一端均与固定壁的内表面相连，另一端则相互连接。三个棱边相互连接处留有一容纳孔，容纳孔的圆心与固定壁的圆心重合；光纤光栅2穿过该容纳孔完成定位，能够使得光纤光栅2轴线与待测管道1轴线重合，能够准确定位并固定光纤光栅2，同时便于流体经过，对于管道内部流体状态的影响较小。
50.光纤光栅2上设有数个不同中心波长的光栅；相邻光栅间距为定值。本实施例中，利用拉丝塔连续在线刻写数不同中心波长的光纤布拉格光栅，相邻光栅间距定位3cm,每个光栅作为一个温度采集点，能够达到3cm的测量精度，细致有序地测量管道内各节点的温度参数值。
51.光纤光栅2包括涂覆层；涂覆层采用聚酰亚胺材料。涂覆层均匀地涂覆在光纤光栅2的外表面。并且，光纤光栅2套设于毛细不锈钢金属管3中，本实施例中可采用304号不锈钢制成的毛细不锈钢金属管3。所述毛细不锈钢金属管3的两端与待测管道1内壁采用激光焊接的方式固定连接。裸露的光纤光栅2本身对于流体压力会带来的应力应变的承受度较低，加设毛细不锈钢金属管3后能够有效增强光纤光栅2整体对于流体压力的承受度。
52.步骤2：引出光纤光栅2的尾纤部；连接尾纤部和温度解调装置。
53.引出光纤光栅2的尾纤部时，采用光纤法兰4引出并辅助封闭待测管道1。光纤法兰4能够保证尾纤部的正常引出，同时能够完成对待测管道1的密封，减少待测管道1中流体温度的额外损耗。在安装光纤法兰4前，采用一个三棱固定架6固定住尾纤部的位置，保证尾纤部的稳定。此外，本方案中还采用一个三通连接器5，用于连通流体管道的待测管道1的测温段11、非测温段12以及光纤光栅2尾纤部的引出部分。
54.步骤3：待测管道1内开始流动流体；温度解调装置通过光纤光栅2测量待测管道1内的流体温度。具体地，温度解调装置通过向光纤光栅2发射连续的光信号，然后接收分析光纤光栅2反射回的光信号，进而解析出准确的流体温度值。
55.本实施例还提供一种用于发动机管路数字孪生模型的光纤流体测温系统，包括光纤光栅2、三棱固定架6、三通连接器5、光纤法兰4和温度解调装置；
56.所述光纤光栅2用于检测待测管道1内的流体温度；
57.所述三棱固定架6用于固定光纤光栅2；
58.所述三通连接器5用于连通光纤光栅2尾纤部的引出部以及待测管道1的测温段11和非测温段12；
59.所述光纤法兰4用于引出光纤光栅2的尾纤部并辅助封闭待测管道1。本实施例中，光纤法兰4为常规法兰凸缘盘，尾纤部由法兰凸缘盘的中心孔处引出。
60.所述温度解调装置用于分析确认待测管道1内的流体温度值。本实施例中，温度解调装置即指能够解析光纤光栅的传输信号的温度解调仪。
61.具体地，温度解调装置包括激光光源、光纤放大器、光环形器、光电探测器和信号处理装置；所述激光光源用于为光纤光栅2提供光信号；所述光纤放大器用于发送光信号；所述光环形器用于与光纤光栅2进行信号传输；所述光电探测器用于进行光电信号转换；所述信号处理装置用于解析信号数据并得出流体温度。
62.具体地，激光光源发出连续光信号，经过光纤放大器后被一级放大，放大后的光信号经过光环形器传输至光纤光栅2阵列中。光纤光栅2将反射与阵列中光栅中心波长匹配的入射光。根据光纤光栅2温度传感机理，当光栅所处的环境温度发生变化时，光栅的中心波长会发生对应的漂移，从而导致光栅反射光的波长发生变化。光纤光栅2反射回的光信号经过光环形器的另一端传输至光电探测器进行光电转换。经过光电转换后的电信号，传输至信号处理装置进行光纤光栅2阵列中心波长的解调工作，解调出温度变化后光栅中心波长的漂移量，以实现对管道高温流体的测温及定位。
63.本实施例提供的用于发动机管路数字孪生模型的光纤流体测温方法及系统，能够准确测量管道内的流体温度，结构简单，操作方便，应用性强，构建出的测试环境逼近于真实应用环境，测试的真实性较强。本方案中待测管道1的测温段11和非测温段12处于同一条轴线上，能够在不改变原有流体管道完整性及流体流动方向的情况下进行温度测量，能够最大程度上保证测试环境的真实性。
64.此外，本方案发现了以往检测中存在的缺陷，对管道内部的流体进行温度测量，进而弥补了该缺陷，并应用光纤光栅2测温技术解决了现有技术中测量管道内流体温度的技术性困难，能够准确且真实地进行测温。并且，本方案中，在安装光纤光栅2时使得光纤光栅2轴线与待测管道1轴线平行，能够采集平行于待测管道1轴线的流通路径的流体参数，在保
证最大程度上的不占用待测管道1空间及不影响流体流速的同时，使得测得的数据更加准确，更接近于最客观的流体参数值，且都能够通过这样在同一流通路径上设置多组光纤光栅2同时进行温度参数采集，使整个测试更加精准全面，同时有助于提升后续其他相关测试的精准度。
65.实施例二：
66.本实施例提供一种用于发动机管路数字孪生模型的光纤流体测温方法，同实施例一中所述方法相同，故不作赘述。
67.本实施例还提供一种用于发动机管路数字孪生模型的光纤流体测温系统，在实施例一的基础上，在温度解调装置中增设了温度报警模块和标定模块，所述温度报警模块和标定模块均设于信号处理装置中，温度报警模块用于监测光纤光栅2上每个温度采集点的温度，在温度数值异常时即时以语音通知、短信通知等形式进行报警。具体地，当管道内的流体温度超过阈值温度时，即发出警报；在温度恢复至正常范围内时，自动解除警报。所述标定模块用于定位并标注温度异常的温度采集点。
68.本实施例提供的用于发动机管路数字孪生模型的光纤流体测温系统，相比于实施例一能够对管道内部的流体温度状况进行实时监控，并能够针对异常情况即时报警，对于流体温度的把控更为细致，其中，标定模块能够定位并标注温度异常的温度采集点，便于在发现温度异常时进行快速而准确的溯源定位，相比于现有技术中单单采集温度而不作进一步地监控定位的做法，本方案则能够更细致更准确更及时地温度异常点，即能够准确定位待测管道1质量存在问题的部位，不仅采集温度值，并能针对温度值作出合理处理，系统整体的安全性和测试细致度更高。
69.实施例三：
70.如附图3所示，用于发动机管路数字孪生模型的光纤流体测温方法，在实施例一的基础上，对步骤1和步骤2中的光纤光栅2的安装及连接方式做了改变。
71.步骤1：安装光纤光栅2，使得光纤光栅2穿过待测管道1且不接触待测管道1的内管壁；固定光纤光栅2。
72.固定光纤光栅2时，采用三通连接器5固定管道，在测温段11的端部和尾部各安装一个三通连接器5，三通连接器5在固定光纤光栅2的同时，还连通待测管道1的测温段11、非测温段12以及光纤光栅2尾纤部的引出部。同时，在连通待测管道1的非测温段12时，通过弯管7连接非测温段12，以保证非测温段12的轴线与测温段11的轴线平行，能够保证流体流动方向一致，尽可能还原真实场景。
73.步骤2：引出光纤光栅2的尾纤部；连接尾纤部和温度解调装置。
74.通过步骤1中由三通连接器5连通的光纤光栅2尾纤部的引出部引出，在引出光纤光栅2的尾纤部时，采用光纤法兰4引出并辅助封闭待测管道1。此外，本实施例中，待测管道1的测温段11和非测温段12不处于同一轴线上，在引出尾纤部时不需要弯折光纤光栅2，后续可直接使用跳线连接测试，同时光纤光栅2内的光损耗较小。
75.本实施例提供的用于发动机管路数字孪生模型的光纤流体测温方法及系统，相比于实施例一，光纤光栅2内部光传输时的光损耗更小，采集的温度数值相对准确。
76.实施例四：
77.用于发动机管路数字孪生模型的光纤流体测温方法，在实施例一的基础上，对步
骤1中的光纤光栅2的安装及固定方式做了改变。
78.步骤1：安装光纤光栅2，使得光纤光栅2穿过待测管道1且不接触待测管道1的内管壁；固定光纤光栅2。
79.安装光纤光栅2时，还调节光纤光栅2位置，使得光纤光栅2轴线与待测管道1轴线平行，光纤光栅2轴线与待测管道1轴线之间的距离呈预设距离。本实施例中，预设距离为待测管道1半径减去光纤光栅2半径的值，光纤光栅2靠近管壁，得到的流体温度偏高，但是，通过分析比较不同节点的温度值高低，有助于分析管壁的隔热性能。
80.固定光纤光栅2时，采用三棱固定架6固定光纤光栅2，在测温段11的端部和尾部各安装一个三棱固定架6，本实施例中的三棱固定架6容纳孔的位置对应调节，使得固定后的光纤光栅2轴线与待测管道1轴线之间的距离呈预设距离。
81.本实施例提供一种用于发动机管路数字孪生模型的光纤流体测温系统，同实施例一中所述系统相同，故不作赘述。
82.本实施例提供的用于发动机管路数字孪生模型的光纤流体测温方法及系统，相比于实施例一，光纤光栅2在待测管道1中的相对位置不一样，本实施例中更靠近管壁，有助于分析管壁的隔热性能。
83.以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述，所属领域普通技术人员知晓申请日或者优先权日之前发明所属技术领域所有的普通技术知识，能够获知该领域中所有的现有技术，并且具有应用该日期之前常规实验手段的能力，所属领域普通技术人员可以在本技术给出的启示下，结合自身能力完善并实施本方案，一些典型的公知结构或者公知方法不应当成为所属领域普通技术人员实施本技术的障碍。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本技术要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。