CN104689734B - 用于高空飞行大气环境温度模拟实验的气体混合装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于地面模拟飞行高空飞行半实物仿真领域，并公开了一种用于高空飞行大气环境温度模拟实验的气体混合装置，其中混合室外筒、测量室外筒、混合室内筒和测量室内筒均为圆柱形空心套筒结构，并共同构成了具备四个内部空间的双层腔体结构；热源喷枪插入混合室内筒中，并喷入等离子体高温气体；混合室外筒上开设有气体入口，混合室内筒的壁面上开设有沿着圆周均布的孔，由此使得低温气体以射流混合方式与高温气体执行均匀混合，然后进混合气体测量空间；温度传感器的探头布置在混合气体测量空间中，并用于对混合后的气体执行实时温度测量。通过本发明，能够达到高低温流动气体的快速混合及测量，并获得高精度和快速响应的随动温度模拟系统。

Description

用于高空飞行大气环境温度模拟实验的气体混合装置

技术领域

本发明属于地面模拟飞行高空飞行半实物仿真领域，更具体地，涉及一种用于高空飞行大气环境温度模拟实验的气体混合装置，其适于针对流动气体实现高精度、快速响应的高低温气体混合和随动温度模拟及测试用途。

背景技术

为了满足当前地面飞行器半实物仿真实验的需求，通常需要模拟飞行器高空飞行大气环境温度的实验装置，并在温度模拟仿真回路中接入飞行器的部分实物进行试验。它可以在条件允许的情况下尽可能在环境模拟系统中接入实物，以取代相应部分的数学模型，这样更接近实际情况，并准确反映飞行器的实际特性和问题，从而掌握飞行器在空间工作的条件和特性，消除飞行器在飞行中的隐患。

对于上述高空飞行大气环境温度模拟设备而言，高、低温气体混合装置是其核心部件之一，其性能好坏直接影响到温度模拟装置的可靠性。然而，进一步的研究表明，目前的温度模拟设备多数为温度调节系统，温度模拟范围较低，并且在运用于动态的高温模拟时存在响应速度低或者定点控制精度差等缺陷；尤其是，针对高空飞行大气环境中流动气体，难于获取高精度、快速响应的随动温度模拟系统。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种用于高空飞行大气环境温度模拟实验的气体混合装置，其中通过结合高空飞行大气环境温度模拟自身的特点，对其高低温气体混合装置的整体构造和设置方式进行改进，尤其是对配置其中的混合室外筒、混合室内筒、测量室外筒和测量室内筒等关键组件的具体结构及其相互连接方式进行设计，相应能够利用双层腔体结构达到高低温流动气体的快速混合及测量，并获得高精度和快速响应的随动温度模拟系统，因而尤其适用于高空飞行大气温度模拟实验的应用场合。

为实现上述目的，按照本发明，提供了一种用于高空飞行大气环境温度模拟实验的气体混合装置，其特征在于，该气体混合装置包括混合室外筒、测量室外筒、混合室内筒、测量室内筒、热源喷枪和温度传感器，其中：

所述混合室外筒、测量室外筒、混合室内筒和测量室内筒均为圆柱形空心套筒结构，其中混合室外筒与测量室外筒之间通过法兰同轴安装共同构成第一腔体，混合室内筒和测量室内筒之间通过螺纹方式同轴安装共同构成第二腔体，并且第二腔体沿着第一腔体的整个长度方向分布在其内部中央，由此构成双层腔体结构；此外，在该双层腔体结构的内、外筒连接处，分别对应设置有第一隔热环和第二隔热环，由此进一步将双层腔体结构划分为四个空间，即处于外层腔体左侧的低温气体导入空间、处于内层腔体左侧的高低温气体混合空间、处于内层腔体右侧的混合气体测量空间，以及处于外层腔体右侧的隔热填充空间；

所述第一腔体的一侧为封闭端面，该封闭端面通过连接法兰进行定位；所述热源喷枪通过螺纹与所述连接法兰进行连接，并贯穿该封闭端面插入所述混合室内筒中，用于向所述高低温气体混合空间喷入高温气体；所述混合室外筒上开设有气体入口，所述混合室内筒的壁面上开设有沿着圆周均布的孔；以此方式，低温气体经由气体入口进到低温气体导入空间，对混合室内筒执行冷却并经由孔继续进入高低温气体混合空间，然后与所述高温气体执行射流混合，并在混合均匀后进入所述混合气体测量空间；

所述温度传感器的探头布置在所述混合气体测量空间中，并用于对从所述高低温气体混合空间导入的混合气体执行实时温度测量。

作为进一步优选地，对于所述高低温气体混合空间而言，高温气体与低温气体之间优选呈现90°夹角执行射流混合。

作为进一步优选地，所述隔热填充空间优选采用隔热材料进行完全填充，以便避免所述混合气体测量空间中混合气体的热能损失。

作为进一步优选地，所述第一腔体的整个封闭端面上还设置有第三隔热环，并且所述第一、第二和第三隔热环优选由高温陶瓷材料制成。

作为进一步优选地，所述温度传感器的探头为2个，它们上下对称地垂直布置在所述混合气体测量空间中。

作为进一步优选地，所述热源喷枪优选为高温等离子体热源，并连接有高频控制器对其功率执行调节；所述低温气体由低温气源提供，并配备有流量伺服阀对其流速进行控制。

作为进一步优选地，对于上述双层腔体结构而言，其内层腔体与外层腔体之间不存在直接接触。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：

1、通过对其关键组件如混合室外筒、混合室内筒、测量室外筒和测量室内筒等的具体结构及其相互连接方式进行设计，所形成的双层腔体结构内外套筒之间无直接接触，同时采用隔热环进行支撑和绝热，有效避免了热能的损失，确保了测量结果的高精度；

2、通过采用上述双层腔体结构并配合高低温气体直接射流混合的方式，大大提高了气体混合的速度，而且还可以通过对高温热源的功率和低温气体的流量和流速进行控制，相应达到快速、精确控制所输出气体温度的目的，而且整个过程动态特性优良；

3、由于采用等离子高温热源，热源气流温度高、速度快、能量集中，对外界热量散发很快，该高温气体与以上双层腔体结构和射流混合方式相结合，能够进一步获得高精度和快速响应的随动温度模拟系统；

4、按照本发明的气体混合装置整体结构紧凑、便于操控、而且易于拆解和后期维护，实际测试表明能够很好地避免传热及热量损失，尤其是对于动态的气体混合模拟具备快速相应和定点控制精度高等特点，因而尤其适用于高空飞行大气温度模拟实验的应用场合。

附图说明

图1是按照本发明优选实施例所构建的高低温气体混合装置的主体结构示意图；

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

1-热源喷枪，2-法兰，3-混合室外筒，4-低温气体入口，5-测量室外筒，6-隔热材料，7-测量室内筒，8-混合室内筒，9-12均为耐温隔热陶瓷，13-温度传感器的探头，A-低温气体导入空间，B-高低温气体混合空间，C-混合气体测量空间

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

图1是按照本发明优选实施例所构建的高低温气体混合装置的主体结构示意图。如图1中所示，该混合装置主要包括混合室外筒3、测量室外筒5、混合室内筒8、测量室内筒7、热源喷枪1和温度传感器等组件。

具体而言，混合室外筒3、测量室外筒5、混合室内筒8和测量室内筒7均为圆柱形空心套筒结构，其中混合室外筒3与测量室外筒5之间通过法兰同轴安装共同构成第一腔体也即外层腔体，混合室内筒8和测量室内筒7之间通过螺纹方式同轴安装共同构成第二腔体也即内层腔体，并且第二腔体沿着第一腔体的整个长度方向分布在其内部中央，由此构成双层腔体结构；此外，在该双层腔体结构的同心内、外筒连接处，也即外层腔体的混合室外筒3与测量室外筒5之间、内层腔体的混合室内筒8与测量室内筒7之间均竖直设置有譬如由高温陶瓷制成的隔热环，该第一隔热环10和第二隔热环11使得内外套筒之间不发生直接接触，并进一步将双层腔体结构划分为四个空间，即处于外层腔体左侧的低温气体导入空间A、处于内层腔体左侧的高低温气体混合空间B、处于内层腔体右侧的混合气体测量空间C，以及处于外层腔体右侧的隔热填充空间；以此方式，实际上是由两个同心的圆筒组成了混合室，其中内腔为流动的高温气体，外腔为流动的低温气体，外腔的低温气体通过内筒上的开孔进入内腔进行混合过程；同样，由两个同心的圆筒组成了测量室，其中内腔为混合均匀后的高温流动气体，外腔为填充的隔热材料。

在第一腔体的一侧(图中显示为左侧)为封闭端面，它通过连接法兰2进行定位，然后采用譬如高温陶瓷制成的第三隔热环9在其内侧贴合；此外，第一腔体的另外一侧(图中显示为右侧)呈环形开口结构，并且该环形开口的内侧同样设置有用譬如高温陶瓷制成的隔热环，由此不仅在其空间内部、而且还在端面位置进一步确保内外套筒在任何位置也不发生直接接触。

热源喷枪1通过螺纹与连接法兰2进行连接，它贯穿该封闭端面插入混合室内筒8中，并用于向高低温气体混合空间B喷入高温气体；混合室外筒3上开设有气体入口4，混合室内筒8的壁面上则开设有沿着圆周均布的大量孔；以此方式，低温气体经由气体入口4进到低温气体导入空间A，对混合室内筒8执行冷却并经由孔继续进入高低温气体混合空间B，然后与高温气体执行射流混合，并在混合均匀后进入混合气体测量空间C。

下面将具体描述按照本发明的工作原理。

高温等离子发生器产生的高温气流通过热源喷枪1进入混合室内筒8，低温气源气体经低温入口4进入混合室外筒3，低温气体在混合室外腔的流动对内筒壁面有冷却作用，然后通过混合室内筒8壁面的圆周均布的小孔优选与高温气流呈90°夹角进行射流混合。气体在混合室混合均匀后进测量室，测量室内筒7有垂直布置的温度传感器探头进行温度测量。测量室内筒7与测量室外筒5之间用隔热材料6进行填充，并用隔热环9、10、11进行支撑。

此外，所述高温等离子热源包括等离子直流电源、高频控制器、冷却循环水箱和高温等离子喷射枪。所述低温气体经由管道与低温气体源相连，并配备有流量伺服阀。这样，通过高频控制器可对高温热源的功率进行快速调节，通过流量伺服阀对低温气体流量进行控制，相应可达到快速精确控制输出气体温度的目的。

综上，本发明中，通过以高温等离子体为热源，利用双层腔体结构，能够达到高、低温气体快速混合，同时避免腔内流动的高温气体通过壁面对外界的热量损失。该装置整体结构紧凑、便于操控、而且易于拆解和后期维护，实际测试表明能够很好地避免传热及热量损失，尤其是对于动态的气体混合模拟具备快速相应和定点控制精度高等特点，因而尤其适用于高空飞行大气温度模拟实验的应用场合。

本领域的技术人员容易理解，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。

Claims (6)

1.一种用于高空飞行大气环境温度模拟实验的气体混合装置，其特征在于，该气体混合装置包括混合室外筒(3)、测量室外筒(5)、混合室内筒(8)、测量室内筒(7)、热源喷枪(1)和温度传感器，其中：

所述混合室外筒(3)、测量室外筒(5)、混合室内筒(8)和测量室内筒(7)均为圆柱形空心套筒结构，其中该混合室外筒(3)与该测量室外筒(5)之间通过法兰同轴安装共同构成第一腔体，该混合室内筒(8)和该测量室内筒(7)之间通过螺纹方式同轴安装共同构成第二腔体，并且所述第二腔体沿着所述第一腔体的整个长度方向分布在其内部中央，由此构成双层腔体结构；此外，在该双层腔体结构的内、外筒连接处，分别对应设置有第一隔热环(10)和第二隔热环(11)，由此进一步将此双层腔体结构划分为四个空间，即处于外层腔体左侧的低温气体导入空间(A)、处于内层腔体左侧的高低温气体混合空间(B)、处于内层腔体右侧的混合气体测量空间(C)，以及处于外层腔体右侧的隔热填充空间；

所述第一腔体的一侧为封闭端面，该封闭端面通过连接法兰(2)进行定位；所述热源喷枪(1)通过螺纹与所述连接法兰(2)进行连接，并贯穿该封闭端面插入所述混合室内筒(8)中，用于向所述高低温气体混合空间(B)喷入高温气体；所述混合室外筒(3)上开设有气体入口(4)，所述混合室内筒(8)的壁面上开设有沿着圆周均布的孔；以此方式，低温气体经由所述气体入口(4)进到所述低温气体导入空间(A)，对所述混合室内筒(8)执行冷却并经由孔继续进入所述高低温气体混合空间(B)，然后与所述高温气体执行射流混合，并在混合均匀后进入所述混合气体测量空间(C)；

所述温度传感器的探头布置在所述混合气体测量空间(C)中，并用于对从所述高低温气体混合空间(B)导入的混合气体执行实时温度测量。

2.如权利要求1所述的气体混合装置，其特征在于，对于所述高低温气体混合空间(B)而言，高温气体与低温气体之间呈现90°夹角执行射流混合。

3.如权利要求1或2所述的气体混合装置，其特征在于，所述隔热填充空间采用隔热材料(6)进行完全填充，以便避免所述混合气体测量空间(C)中混合气体的热能损失。

4.如权利要求1或2所述的气体混合装置，其特征在于，所述第一腔体的整个封闭端面上还设置有第三隔热环(9)，并且所述第一隔热环、第二隔热环和第三隔热环由高温陶瓷材料制成。

5.如权利要求4所述的气体混合装置，其特征在于，所述温度传感器的探头为2个，它们上下对称地垂直布置在所述混合气体测量空间(C)中。

6.如权利要求1或2所述的气体混合装置，其特征在于，所述热源喷枪(1)为高温等离子体热源，并连接有高频控制器对其功率执行调节；所述低温气体由低温气源提供，并配备有流量伺服阀对其流速进行控制。