一种风洞群真空资源的消耗计量方法及系统与流程

1.本发明涉及风洞群试验运行调度领域，尤其是涉及一种风洞群真空资源的消耗计量方法及系统。


背景技术：

2.试验能耗计量是实现试验工作科学管理的一项重要的技术基础，也是搞好单位能源科学管理的基础。通过试验能耗计量管理，促进单位实行能源定量化管理，做到能耗有数据、考核用能情况有标准，为制定节能的操作制度创造条件，同时为合理开展试验节能技术改造提供可靠依据，有利于采用新技术，提高监测、管理水平。
3.真空资源是高超声速风洞试验所必须的多种动力资源之一，由若干套真空泵组、若干个真空球罐、及相应的真空管道、真空插板阀等组成，通过真空泵组对球罐与管道抽吸，达到试验所需真空度(低真空10pa量级，高真空0.01pa量级)，为风洞试验提供真空环境。
4.比如，对于超声速风洞，要在试验段中获得高马赫数的气流(ma≥5)，需要在风洞最上游设置一组高压空气罐，试验时压缩气流经过喷管加速达到超声速状态，同时在风洞下游出口处接上一只容积很大的真空罐，靠上冲下吸的方式形成很大的压差，从而产生ma≥5的高超声速气流，以满足任务试验需求；同时，基于“整合建设、节约经费”的原则，风洞群中的真空泵组、真空球罐等真空资源共建、共用，所有使用真空资源的风洞出口都连到同一组真空罐群上，风洞试验时，若干真空泵组同时启动，对真空罐群进行抽气，并通过资源动态调配，确保每座风洞轮流使用真空进行试验，如图1所示。
5.真空的获得需要若干台泵组电机持续的工作，在风洞群共享使用真空资源的前提下，如何高效地实现对单次风洞试验所消耗的真空资源进行计量是一个巨大挑战。
6.目前常规方法主要包括直接计量和间接计量两种。直接计量是通过在真空罐群或附属的真空管道上加装真空计来获得真空球罐真空度(pa)，这种方法一方面真空计成本较高，安装复杂；另一方面，在目前的工艺条件下，真空计不能兼顾压力测量范围和低真空测量精度，量程较小(100torr量级)，风洞试验完成时刻的真空球罐压力往往超过真空计的量程，无法读数；间接计量是通过采集一段时间内真空泵组的电力总消耗来间接计量，但是由于不同风洞试验的交错运行，不同真空泵组的轮换启停，这种方式不能区分不同风洞、不同试验的真空消耗，无法实现对单次风洞试验的真空消耗进行计量。
7.通过初步调研，针对风洞真空动力资源消耗计量的需求，目前的常用方式都存在一些明显的局限，不适合风洞群消耗计量应用。未见对风洞试验真空动力资源单次消耗计量的公开报道。


技术实现要素：

8.本发明的目的是提供一种风洞群真空资源的消耗计量方法及系统，不需额外安装真空计，实现对风洞试验每车次自动、高效的真空动力资源消耗计量。
9.一种风洞群真空资源的消耗计量方法，其特征在于，包括以下步骤：
10.s10.根据喷管喉道处流过的气流量计算流到真空罐内的气流量，得到试验结束时真空罐的压力；
11.s20.根据试验前后真空罐的压力差，运用容器系统抽气方程，计算真空泵组的压缩功率和电机功率；
12.s30.根据风洞试验的时间和步骤s20中的电机功率，计算真空泵组的电能消耗，作为该次风洞试验真空动力资源的消耗量。
13.进一步地，步骤s10包括：采集风洞试验过程中的试验参数，并计算风洞试验结束时真空罐压力pe，
14.所述试验参数包括试验段总压p0，总温t0，和试验时对应真空泵组启动到停止的总用时t；
[0015][0016]
其中，ve为真空罐容积，vn为标况下空气资源消耗体积，pn为标况下气体压力；
[0017][0018][0019]
q为风洞试验中流过喷管喉道的气流的质量流量，ρn为标况下空气密度，γ为气体比热比，r为气体常数，b为喷管喉道截面积。
[0020]
进一步地，步骤s20包括：计算真空泵组电机功率w：
[0021]
w＝a/η
[0022]
a＝kseδp＝kse(p
s-pe)
[0023]
其中，a为真空系统的压缩功率，k为启动的真空泵组数，se为泵组理论抽速，ps为真空泵组启动时的真空罐压力，η为压缩机的机械效率。
[0024]
进一步地，步骤s30中，计算单次风洞试验的能耗e：
[0025]
e＝wt。
[0026]
进一步地，将前一次试验结束时的真空罐压力作为下一次试验开始时的真空罐压力。
[0027]
本发明还提供一种风洞群真空资源的消耗计量系统，其特征在于，包括监控模块和计算模块；
[0028]
所述监控模块采集风洞试验过程中的试验参数，所述试验参数包括试验段总压p0，总温t0，和试验时对应真空泵组启动到停止的总用时t；
[0029]
所述计算模块用于执行如前所述的一种风洞群真空资源的消耗计量方法。
[0030]
进一步地，所述监控模块还用于采集首次试验时真空罐的压力值。
[0031]
采用本发明的一种风洞群真空资源的消耗计量方法及系统，相对于现有技术，至少具有以下有益效果：
[0032]
(1)本发明通过计算流经试验段的气体流量来计算试验结束时压力罐的剩余压
力，并基于试验前后真空罐的压力差来计算单次风洞试验真空动力资源的消耗量。解决了真空计无法测量实验结束时真空罐的压力的技术问题，也不需要额外增加真空计；
[0033]
(2)本发明利用喷管喉道是临界截面的特性，将难以测量的空气流速转换为容易测量的气流温度和压力，从而提高测量和计算的准确性；
[0034]
(3)本发明通过采集试验段的总温和总压，并利用试验段与喷管喉道处压力和温度的关系来计算喷管喉道处的空气密度和空气流速，以此来提高计算的精度。
附图说明
[0035]
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0036]
图1是风洞群共享真空资源结构示意图；
[0037]
图2是本发明中实施例的一种风洞群真空资源的消耗计量方法流程图。
具体实施方式
[0038]
以下的说明提供了许多不同的实施例、或是例子，用来实施本发明的不同特征。以下特定例子所描述的元件和排列方式，仅用来精简的表达本发明，其仅作为例子，而并非用以限制本发明。
[0039]
实施例1
[0040]
根据风洞试验原理，如图1所示，在风洞试验段的最上游为一压缩空气储气罐，一般压强在8个大气压以上，下游出口处接一只容积很大的真空罐，试验时，通过上冲下吸的方式在试验段形成很大的压差，从而产生大于5马赫的高超声速气流。
[0041]
本发明在计算风洞群真空资源消耗量时，忽略管道和各阀门的少量气体泄漏，试验中流经试验段的高压空气(即本次试验消耗的空气)可以认为都进入到了真空罐中，并在试验结束时达到压力平衡。因此，可以通过计算流经试验段的空气量来计算试验结束时真空罐内的剩余压力，由此，解决了真空计由于量程问题无法计量试验结束时真空罐内的压力的技术问题。
[0042]
在计算流经试验段的空气量时，根据计算公式需要空气密度，空气流速和试验段截面积，由于空气密度和空气流速都无法测量，所以需要考虑如何能够通过计算得到这流经试验段的空气量。
[0043]
经过分析，风洞在上下游足够大的压强比之下，拉瓦尔喷管中的气流先在收缩段中作亚声速加速，在最小截面(喷管喉道处)上达到声速，以后在扩张段中作超声速加速。气流正好达到声速(ma＝1)的截面称为临界截面，由于马赫数是当地气流流速与当地声速的比值，所以在临界截面上，气流流速正好等于当地声速，而声速是温度的函数，由此可以通过测量或计算喷管喉道当地气流温度来计算当地气流流速。解决了试验段的气流流速无法测量的技术问题。
[0044]
由此，本发明提供一种风洞群真空资源的消耗计量方法，如图2所示，包括以下步骤：
[0045]
s10.根据喷管喉道处流过的气流量计算流到真空罐内的气流量，得到试验结束时真空罐的压力pe；
[0046]
由于流经喷管喉道处的气流量等于流到试验段的气流量，也等于流到真空罐中的气流量，所以可以直接计算流经喷管喉道处的气流量q；
[0047]
q＝ρvb
[0048]
其中，ρ为流经喷管喉道处的空气密度，v是喷管喉道处的空气流速，b为喷管喉道截面积；
[0049][0050]
由此，可以通过测量或计算喷管喉道处流经的气流的的温度和密度来计算总的气流量。
[0051]
作为优选，为了提高测量和计算的精度，本发明通过采集试验段的总压p0和总温t0，并利用试验段与喷管喉道处压力p和温度t的关系来计算喷管喉道处的空气密度ρ和空气流速v，具体如下：
[0052][0053][0054][0055]
联立以上方程，可以得到：
[0056][0057]
其中，γ为气体比热比，r为气体常数；
[0058]
标况下空气资源消耗体积vn：
[0059][0060]
由于风洞试验的时间有时候很短，例如1分钟，几分钟甚至更短，但是试验前真空泵组就要启动，几个小时后才能把罐群压力抽到满足试验需求的压力，所以采用真空泵组启动到停止的总用时来计算资源消耗。
[0061]
本领域技术人员可以理解，在采集真空泵组启动到停止的总用时时，直接记录真空泵组启动时间和停止时间，并将两个时间相减即得到t。
[0062]
则计算风洞试验结束后真空罐压力pe：
[0063][0064]
其中，ve为真空罐容积，vn为标况下空气资源消耗体积，pn为标况下气体压力；
[0065]
由此，步骤s10中，通过采集试验段总压p0，总温t0，和试验时对应真空泵组启动到停止的总用时t，并带入喷管喉道截面积b，则可以计算出风洞试验结束后真空罐的压力，即风洞试验结束后对应的真空剩余压力；
[0066]
s20.根据试验前后真空罐的压力差，运用容器系统抽气方程，计算真空泵组的压缩功率和电机功率；
[0067]
真空系统的任务是要抽取真空容器内的各种气体，使容器内建立起满足试验真空度要求的真空环境。根据容器系统抽气方程，真空系统的压缩功率为：
[0068]
a＝kseδp＝kse(p
s-pe)
[0069]
其中，k为启动的真空泵组数，se为泵组理论抽速，ps为真空泵组启动时的真空罐压力，值得说明的是，由于不同的试验段的风洞试验经常在时间上是连续的，因此，上一次试验结束时的真空罐内的压力可以直接作为下一次试验开始时真空罐的压力。那么首次试验时，由于真空罐内的压力值还在真空计的量程范围内，所以首次试验开始时的真空罐压力通过设置在真空罐内的真空计来测量。
[0070]
考虑到真空系统的机械效率η，则真空泵组电机功率w计算如下：
[0071]
w＝a/η
[0072]
其中，η为压缩机的机械效率；根据真空泵组的不同轴承、齿轮等摩擦引起的机械损失，机械效率η的取值一般为0.85～0.9之间。
[0073]
s30.根据风洞试验的时间，计算真空泵组的电能消耗，作为该次风洞试验真空动力资源的消耗量e：
[0074]
e＝wt。
[0075]
由此计算出单次风洞试验的真空动力资源消耗量，通过采集记录不同风洞试验开始结束时试验段内的总压p0，总温t0，和试验时对应真空泵组启动到停止的总用时t，以及对应时间段内的启动的真空泵组数，即可计算出每次风洞试验的真空动力资源消耗量。
[0076]
相对于现有技术中直接采用试验的时间段内真空泵组的电力总消耗来计算消耗量，本发明的计算方法更加的精确，并且计算方法简单易行。
[0077]
实施例2
[0078]
本发明还提供一种风洞群真空资源的消耗计量系统，包括监控模块和计算模块，所述监控模块采集风洞试验过程中的试验参数，所述试验参数包括试验段总压p0，总温t0，和试验时对应真空泵组启动到停止的总用时t，以及在相应时间段内开启的真空泵组数量k，本领域技术人员可以理解，监控模块连接了采集这些参数的采集元件，如设置在试验段的真空计和温度计，通过硬件或软件的方式完成以上试验参数的采集；
[0079]
计算模块用于执行如实施例1所述的一种风洞群真空资源的消耗计量方法。
[0080]
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。