一种可控气氛的小型回流式风洞实验装置及其工作方法

1.本发明属于风洞试验技术领域，具体涉及一种可控气氛的小型回流式风洞实验装置及其工作方法。


背景技术：

2.气体气氛作为一种常见的实验条件，在诸多研究领域都有涉及，如：小尺寸物体的空气动力学研究、不同气氛下液滴/池的传质传热研究、特定气氛下的微生物反应和催化反应、化学热处理、惰性气氛下摩擦行为研究、环境保护和食品储运等领域。目前有关气体气氛的实验装置都未考虑气氛的流动速度对实验对象的影响。
3.传统意义上风洞作为空气动力学研究的基础平台，它的工作介质一般为空气。并且，由于以下原因传统风洞内难以形成理想的气体气氛：1.现有回流式风洞由于体积庞大且一般水平放置，因此不适用静态体积排气体法；2.现有回流式风洞如果先通过抽真空再配置气体气氛，理论上是可以的，但这对风洞本身强度和密封性要求较高，并且由于内部负压也可能会损坏风洞内部的电子元件；3.对于直流风洞来说，本身开放性的特征需要在风洞入口源源不断的提供所需气体气氛，并且尾气的处理也是一个问题。
4.现有风洞平台没有针对可控气氛进行专门的设计，无法为待测样品施加均匀稳定且速度可调的气体气氛。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种可控气氛的小型回流式风洞实验装置及其工作方法，该装置有利于灵活调控风洞内气体气氛。
6.为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种可控气氛的小型回流式风洞实验装置，包括风洞主体、配气系统和测控系统；所述风洞主体为“回”字形的循环通路，由稳定段、收缩段、试验段、第一扩散段、第一拐角、第二扩散段、第二拐角、过渡段、动力段、第三扩散段、第三拐角、第四扩散段和第四拐角首尾连接组成；所述试验段上设有风速传感器和温度传感器，所述第二扩散段和第四扩散段上分别设有用于与配气系统连接的第三开关阀和第四开关阀；所述配气系统由上配气子系统和下配气子系统组成，用于改变风洞工作介质，为待测样品提供不同流速下的气氛；所述下配气子系统包括由气管依次连接的第一气瓶、第一减压阀、第一开关阀、第一气体质量流量控制器和第一二位三通阀，所述下配气子系统通过气管与第三开关阀连接；所述上配气子系统包括由气管依次连接的第二气瓶、第二减压阀、第二开关阀、第二气体质量流量控制器和第二二位三通阀，所述上配气子系统通过气管与第四开关阀连接；所述测控系统用于记录风速传感器和温度传感器获得的数据，还用于控制第一气体质量流量控制器、第二气体质量流量控制器的流量大小，以及第一二位三通阀、第二二位三通阀的开关。
7.进一步地，所述气氛由平衡气体和组分气体按设定的比例在风洞主体内混合而成，其中组分气体为一种或多种；所述气氛的配制方法为静态体积排气体法，即利用气体密度的差异在风洞主体内收集所需的气体；所述平衡气体、组分气体通过配气系统通入。
8.进一步地，通入平衡气体、组分气体时，比较平衡气体、各种组分气体与风洞主体中现有气体的密度，如果密度比风洞主体中现有气体小，则通过上配气子系统通入，否则通过下配气子系统通入。
9.进一步地，所述稳定段、收缩段、试验段、第一扩散段、第一拐角、第二扩散段、第二拐角、过渡段、动力段、第三扩散段、第三拐角、第四扩散段与第四拐角之间通过法兰连接，法兰之间设置橡胶垫片，法兰与橡胶垫片之间涂有密封胶，以保证风洞密封性；所述稳定段、收缩段、第一扩散段、第一拐角、第二扩散段、第二拐角、过渡段、第三扩散段、第三拐角、第四扩散段和第四拐角的截面也为圆角方形，所述动力段的截面为圆形；所述第一拐角、第二拐角、第三拐角和第四拐角均为90
°
圆弧拐角。
10.进一步地，所述稳定段由蜂窝器段、阻尼网段和静流段组成；所述蜂窝器段内嵌有蜂窝器，所述蜂窝器段与阻尼网段之间设有第一阻尼网，所述阻尼网段与静流段之间设有第二阻尼网。
11.进一步地，所述试验段的三个侧面嵌设有光学玻璃，第四个侧面上设有磁吸开关侧板和泄压阀；所述磁吸开关侧板的内侧面上设有传感器支架和载物台，所述传感器支架上安装有风速传感器和温度传感器，用于实时测量试验段内气流的速度和温度，所述载物台用于放置待测样品；所述磁吸开关侧板上设有取样孔及隔膜，用于计量注射器从风洞主体中抽出气体进行分析。
12.进一步地，所述磁吸开关侧板的边缘分布有第一磁铁，所述试验段的第四个侧面上开设有通孔并在通孔边缘设置有用于嵌入磁吸开关侧板的凹槽，所述凹槽上分布有与第一磁铁相对应的第二磁铁，所述磁吸开关侧板的边缘与所述凹槽之间设有垫片，以通过第一磁铁与第二磁铁之间的磁吸力和中间的垫片达到密封作用。
13.进一步地，所述动力段包括依次连接的预整流段、pwm风扇和后整流段；所述预整流段由预止旋片和整流头罩构成；所述后整流段由止旋片和整流尾罩构成；所述pwm风扇通过pwm调速器控制其转速，为试验段提供的风速范围为0.10~7.00m/s，区间内风速连续可调，最小分辨率为0.01m/s。
14.进一步地，所述第一二位三通阀和第二二位三通阀为二位三通电磁阀或三通球阀；为二位三通电磁阀时，二位三通电磁阀的p位连接气源，a位连接风洞主体，r位用于将风洞主体内多余气体排至安全处。
15.本发明还提供了上述可控气氛的小型回流式风洞实验装置的工作方法，包括以下步骤：（1）启动装置，并将待测样品放入试验段内的载物台上；（2）打开第二气瓶，调节第二减压阀至适当压力，使第二二位三通阀得电，调节第二气体质量流量控制器至适当流量；（3）打开第三开关阀、第四开关阀和第二开关阀，此时上配气子系统与风洞主体接通，而风洞主体内多余的气体则通过第一二位三通阀排放至安全处；（4）通入足量的平衡气体后，关闭第二气瓶、第二气体质量流量控制器、第三开关
阀和第二开关阀；（5）用计量注射器从试验段中抽取少量气体用于气相色谱仪分析，检测风洞主体内的空气是否排尽；如果杂质气体过多，则重复上述步骤；（6）在风洞内空气排尽的情况下，打开第一气瓶，调节第一减压阀至适当压力，使第一二位三通阀得电，使第二二位三通阀失电，调节第一气体质量流量控制器至适当流量；（7）打开第三开关阀和第一开关阀，此时下配气子系统与风洞主体接通，控制第一气体质量流量控制器向风洞主体内通入所需的组分气体，而风洞内多余的气体则通过第二二位三通电磁阀排放至安全处；（8）通入设定量的组分气体后，关闭第一气瓶、第一气体质量流量控制器、第三开关阀、第四开关阀和第一开关阀；（9）通过动力段调节至风速最大，待风洞主体内气体充分混合均匀后，用计量注射器从试验段中抽取少量气体用于气相色谱仪分析，检测组分气体的浓度是否达到要求，是则转下一步，否则重复上述步骤；（10）气氛调制完毕后，调节风速至所需值，观察试样变化，记录并保存实验数据；（11）实验结束后，用平衡气体吹扫风洞主体内残余气体。
16.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：提供了一种可控气氛的小型回流式风洞实验装置及其工作方法，该装置通过在风洞上设置配气系统，可灵活配置、改变风洞内的工作介质，为待测样品提供不同流速下的气氛，可为多种科研领域提供平台支撑，如：小尺寸物体的空气动力学研究、不同气氛下液滴/池的传质传热研究、特定气氛下的微生物反应和催化反应、化学热处理、惰性气氛下摩擦行为研究和环境保护等领域。
附图说明
17.图1为本发明实施例的装置整体结构示意图；图2为本发明实施例中风洞主体的结构示意图；图3为本发明实施例中试验段的结构示意图。
具体实施方式
18.下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。
19.应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本技术提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本技术所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
20.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本技术的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
21.如图1-3所示，本实施例提供了一种可控气氛的小型回流式风洞实验装置，包括风洞主体、配气系统和测控系统。
22.所述风洞主体为“回”字形的循环通路，由稳定段1、收缩段2、试验段3、第一扩散段4、第一拐角5、第二扩散段6、第二拐角7、过渡段8、动力段9、第三扩散段10、第三拐角11、第
四扩散段12和第四拐角13首尾连接组成。风洞主体内气流方向15呈逆时针循环。所述试验段3上设有风速传感器16和温度传感器17，所述第二扩散段6和第四扩散段12上分别设有用于与配气系统连接的第三开关阀6.1和第四开关阀12.1。在本实施例中，第三开关阀和第四开关阀均采用球阀，即第三开关阀6.1即为第一球阀，第四开关阀12.1即为第二球阀。
23.所述配气系统由上配气子系统和下配气子系统组成，用于改变风洞工作介质，为待测样品提供不同流速下的气氛。所述下配气子系统包括由气管依次连接的第一气瓶18、第一减压阀19、第一开关阀20、第一气体质量流量控制器21和第一二位三通电磁阀23，所述下配气子系统通过气管与第一球阀6.1连接；所述上配气子系统包括由气管依次连接的第二气瓶24、第二减压阀25、第二开关阀26、第二气体质量流量控制器27和第二二位三通电磁阀29，所述上配气子系统通过气管与第二球阀12.1连接。
24.所述测控系统主要用于记录风速传感器16和温度传感器17获得的数据，还用于控制第一气体质量流量控制器21、第二气体质量流量控制器27的流量大小，以及第一二位三通电磁阀23、第二二位三通电磁阀29的开关。
25.所述气氛由平衡气体和组分气体按设定的比例在风洞主体内混合而成，其中组分气体为一种或多种(平衡气体通常为氮气或空气)。所述气氛的配制方法为静态体积排气体法，即利用气体密度的差异在风洞主体内收集所需的气体。所述平衡气体、组分气体通过配气系统通入。
26.通入平衡气体、组分气体时，比较平衡气体、各种组分气体与风洞主体中现有气体的密度，如果密度比风洞主体中现有气体小，则通过上配气子系统通入，否则通过下配气子系统通入，以更好的使用排气体法配制所需气氛。比如，配制气氛所需的组分气体密度比空气小，以氨气为例，那么组分气体就是氨气，而平衡气体可以选择密度大于空气的氩气，这时下配气子系统的气源就是氩气（排出风洞内的空气），然后再通过上配气子系统注入氨气从而排出风动内多余的氩气。又比如，配制气氛所需的组分气体的密度比空气大，比如配制一定浓度的二氧化碳气氛，那么平衡气体可以选择密度比空气校的气体氦气，此时与上面相反，上配气子系统就对应平衡气体（氦气），下配气子系统就对应组分气体（二氧化碳）。
27.在本实施例中，所述稳定段1、收缩段2、试验段3、第一扩散段4、第一拐角5、第二扩散段6、第二拐角7、过渡段8、动力段9、第三扩散段10、第三拐角11、第四扩散段12与第四拐角13之间通过法兰连接，法兰之间设置橡胶垫片，法兰与橡胶垫片之间涂有密封胶，以保证风洞密封性。
28.为避免边界层充分发展而不发生分离，所述试验段3的截面为圆角正方形，壁面扩散角为0.5
°
。所述稳定段1、收缩段2、第一扩散段4、第一拐角5、第二扩散段6、第二拐角7、过渡段8、第三扩散段10、第三拐角11、第四扩散段12和第四拐角13的截面也为圆角方形，所述动力段9的截面为圆形。所述第一拐角5、第二拐角7、第三拐角11和第四拐角13均为90
°
圆弧拐角。
29.如图2所示，所述稳定段1由蜂窝器段1.1、阻尼网段1.3和静流段1.5组成；所述蜂窝器段1.1内嵌有蜂窝器1.11，所述蜂窝器段1.1与阻尼网段1.3之间设有第一阻尼网1.2，所述阻尼网段1.3与静流段1.5之间设有第二阻尼网1.4。在本实施例中，所述蜂窝器1.11和阻尼网1.2采用不锈钢制成。
30.所述收缩段2的收缩比为9，收缩曲线采用双三次曲线，公式为：
式中，为两条三次曲线连接点的横坐标相对于收缩段长度的位置；l为收缩段长度；d1、d2分别为收缩段入口、出口高或宽；d为距入口 x 处收缩型面的高或宽。
31.如图3所示，所述试验段3的三个侧面嵌设有光学玻璃3.1，第四个侧面上设有磁吸开关侧板3.3和泄压阀3.9，泄压阀3.9可避免因实验人员操作失误造成风洞内压强过大而损伤风洞。所述磁吸开关侧板3.3的内侧面上设有传感器支架3.7和载物台3.8，所述传感器支架3.7上安装有风速传感器16和温度传感器17，用于实时测量试验段3内气流的速度和温度，所述载物台3.8用于放置待测样品；所述磁吸开关侧板3.3上设有取样孔及隔膜3.6，用于计量注射器33从风洞主体中抽出气体，以供气相色谱仪检测所配制气氛浓度是否达标。
32.具体地，所述磁吸开关侧板3.3的边缘分布有第一磁铁3.4，所述试验段3的第四个侧面上开设有通孔并在通孔边缘设置有用于嵌入磁吸开关侧板3.3的凹槽，所述凹槽上分布有与第一磁铁3.4相对应的第二磁铁3.5，所述磁吸开关侧板3.3的边缘与所述凹槽之间设有垫片3.2，以通过第一磁铁3.4与第二磁铁3.5之间的磁吸力和中间的垫片3.2达到密封作用。
33.如图2所示，所述动力段9包括依次连接的预整流段9.1、pwm风扇9.2和后整流段9.3；所述预整流段9.1由预止旋片9.11和整流头罩9.12构成；所述后整流段9.3由止旋片9.32和整流尾罩9.31构成；所述pwm风扇9.2通过pwm调速器30控制其转速，为试验段3提供的风速范围为0.10~7.00m/s，区间内风速连续可调，最小分辨率为0.01m/s。
34.在本实施例中，所述第一二位三通电磁阀23和第二二位三通电磁阀29为常闭型，所述第一二位三通电磁阀23和第二二位三通电磁阀29的p位用于连接气源，a位连接风洞主体，r位用于将风洞主体内多余气体排至安全处22/28。在本发明其他实施例中，所述第一二位三通电磁阀23和第二二位三通电磁阀29也可用三通球阀代替。
35.在本实施例中，风洞主体通过螺栓固定在矩形铝型材框架14内。固定风洞本体的铝型材框架14不限于如图1所示的竖直放置，可视实验需求调整放置姿态(水平或以一定的倾角放置)，通过改变框架放置姿态可为试验段提供不同方向和角度的流场。
36.较佳地，所述风洞主体可由abs耗材3d打印而成，打印成品具有较好的刚性和强度，可承受一定的压力和冲击。
37.在本实施例中，所述测控系统包括计算机32和无纸记录仪31。第一气体质量流量控制器21、第二气体质量流量控制器27的流量大小以及第一二位三通电磁阀23、第二二位三通电磁阀29的开关通过计算机32远程控制。第一气体质量流量控制器21、第二气体质量流量控制器27的操作压力上限为450kpa。风速传感器16和温度传感器17分别与无纸记录仪31相连，无纸记录仪31将处理后得到的试验段3内实时的风速值和温度变化交由计算机32显示和导出。
38.本实施例还提供了上述的可控气氛的小型回流式风洞实验装置的工作方法。在本
实施例中，以在风洞内调制一定浓度的二氧化碳气氛为例（平衡气体为氮气，组分气体为二氧化碳），该装置的工作方法如下：（1）由于该实验具有一定的危险性，进行实验时需多人同时在场，严禁单独实验，避免发生意外时无人知晓。
39.（2）如调制的目标气氛具有一定的毒性，实验人员需在开展实验前需按规定穿戴防护服和佩戴氨气专用防毒面具。
40.（3）实验开始前按流程检查配气系统和风洞主体的管道是否存在破损，以及线路供电是否正常。
41.（4）插上电源，启动装置，观察测控系统及风洞主体是否正常工作，并为接下来的实验做好准备。
42.（5）取下试验段3上的磁吸开关侧板3.3，将待测样品放置于试验段3内的载物台3.8上。
43.（6）打开第二气瓶24内的氮气，调节第二减压阀至300kpa，使第二二位三通阀29得电，调节第二气体质量流量控制器27至合适流量。
44.（7）打开第一球阀6.1、第二球阀12.1和第二开关阀26，此时上配气子系统与风洞主体接通，而风洞内多余的气体则通过第一二位三通电磁阀23排放至安全处22（由于氮气和空气密度相近，可通入过量氮气确保里面空气排空）。
45.（8）通入足量氮气后，关闭第二气瓶24、第二气体质量流量控制器27、第一球阀6.1和第二开关阀26。
46.（9）用计量注射器33插入隔膜3.6，从试验段3中抽取少量气体用于气相色谱仪分析，检测风洞主体内的空气是否排尽，如果杂质气体过多，则重复上述步骤。
47.（10）在风洞内空气排尽的情况下，打开第一气瓶18内的二氧化碳气，调节第一减压阀19至300kpa，使第一二位三通阀21得电，使第二二位三通电磁阀29失电，调节第一气体质量流量控制器21至合适流量。
48.（11）打开第一球阀6.1和第一开关阀20，此时下配气子系统与风洞主体接通，控制第一气体质量流量控制器21向风动内通入需要的二氧化碳体积，而风洞内多余的气体则通过第二二位三通电磁阀29排放至安全处28。
49.（12）通入一定量的二氧化碳后，关闭第一气瓶18、第一气体质量流量控制器21、第一球阀6.1、第二球阀12.1和第一开关阀19。
50.（13）开启pwm风扇9.2并调节pwm调速器30至风速最大，待风洞主体内气体充分混合均匀后，用计量注射器33插入隔膜3.6，从试验段3中抽取少量气体用于气相色谱仪分析，检测二氧化碳的浓度是否达到要求，否则重复上述步骤。
51.（14）气氛调制完毕后，调节风速至需要值，观察试样变化，记录并保存实验数据。
52.（15）实验结束后，用氮气吹扫风洞主体内残余气体。
53.（16）关闭所有实验设备，整理实验现场。
54.以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。