一种风洞温度梯度控制装置及其控制方法

摘要

本发明属于风洞试验配套设备领域，并具体公开了一种风洞温度梯度控制装置及其控制方法，其包括温差栅格、固定式温度传感器、活动式温度传感器和温度控制器，控制时其根据固定式温度传感器和活动式温度传感器测得的温差栅格各层的温度分布和目标位置的温度分布计算获得温度系数矩阵；然后根据温度系数矩阵和目标位置所需的目标温度梯度计算获得温差栅格各层所需的温度；最后控制器根据计算获得的温差栅格各层的温度分布控制温差栅格各层的加热线圈使各层达到所需温度。本发明可对气流进行分层，并对分层后的气流进行独立加热以获得不同的温度梯度，从而对气流进行分层模拟，并实现各层气流的温度梯度控制。

说明书

技术领域

本发明属于风洞试验配套设备领域，更具体地，涉及一种风洞温度梯度控制装置及其控制方法。

背景技术

风洞是指在一个按一定要求设计的管道系统内，采用动力装置驱动可控制的气流，根据运动的相对性和相似性原理进行各种气动力试验的设备。边界层风洞是专门用于风工程试验的长试验段风洞，根据用途的不同可以分为建筑风洞、环境风洞、汽车专用风洞等，其中建筑风洞主要进行土木工程结构的抗风研究，如高层建筑、大型桥梁、输电线塔等结构的抗风研究。

现有边界层风洞试验中大多采用常规的大气边界层风洞，例如许伟(许伟，大气边界层风洞中风场的数值模拟[D]，哈尔滨工业大学，2007)针对哈工大风洞的小试验段建立了全尺度模型，将被动模拟技术中的尖劈、粗糙元装置引入到数值风洞中，开展了对大气边界层风场的数值模拟研究；王兆印(王兆印.大气边界层的风洞模拟[J].实验力学，1998，13(3)：283-392)通过比较大气边界层与不同比尺的模型实验，研究了风洞模型实验中的比尺效应。上述大气边界层风洞试验的前提均是假设气流未分层，而实际上不同位置的气流其温度存在一定的梯度，并不能将其完全视为一样，因此上述风洞试验无法实现对不同气流分层强弱的模拟。为了开展考虑气流分层影响的风洞试验，实现对不同气流层的模拟，本领域亟待研制一套风洞温度梯度控制装置及方法，以实现气流各层的温度梯度控制，进而对不同气流分层进行模拟。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种风洞温度梯度控制装置及其控制方法，其通过对关键组件如温差栅格、温度传感器组件和温度控制器的结构及其具体配合方式的研究与设计，可实现气流分层并对各层气流温度进行独立控制，同时可实现以试验目标位置的温度分布为目标的温差栅格自适应控制，具有结构简单、操作方便等优点，适用于风洞试验的气流分层模拟。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提出了一种风洞温度梯度控制装置，其包括温差栅格、温度传感器组件和温度控制器，其中：

所述温差栅格为多层结构，其设置在风洞收缩段的末端，用于将风洞收缩段末端的气流进行分层，所述温差栅格的每一层上均设置有加热线圈；

所述温度传感器组件包括固定式温度传感器和活动式温度传感器，其中固定式温度传感器的数量与所述温差栅格的层数对应，其设于温差栅格的各层中以测量通过温差栅格各层后的气流温度，活动式温度传感器的数量同样与所述温差栅格的层数对应，其设于目标位置以测量目标位置的温度分布；

所述温度控制器与所述加热线圈、固定式温度传感器和活动式温度传感器相连，其用于通过加热线圈实现温差栅格各层的温度调节，以使得目标位置达到所需的目标温度梯度。

作为进一步优选的，所述温差栅格的每层均包括由上至下依次设置的绝缘板、绝热板和承重板，所述加热线圈设于所述绝缘板上。

作为进一步优选的，所述活动式温度传感器优选设置在所述温差栅格的出流端，并位于温差栅格相邻两层的中部。

作为进一步优选的，所述活动式温度传感器的排布高度及间距优选与所述固定式温度传感器的排布高度和间距相同。

作为进一步优选的，具体采用如下方式使得目标位置达到所需的目标温度梯度：

S1根据固定式温度传感器和活动式温度传感器测得的温差栅格各层的温度分布和目标位置的温度分布计算获得温度系数矩阵；

S2根据温度系数矩阵和目标位置所需的目标温度梯度计算获得温差栅格各层的温度分布；

S3控制器根据计算获得的温差栅格各层的温度分布控制温差栅格各层的加热线圈使各层达到所需温度。

按照本发明的另一方面，提供了一种风洞温度梯度控制装置的控制方法，其包括如下步骤：

S1根据固定式温度传感器和活动式温度传感器测得的温差栅格各层的温度分布和目标位置的温度分布计算获得温度系数矩阵；

S2根据温度系数矩阵和目标位置所需的目标温度梯度计算获得温差栅格各层所需的温度；

S3控制器根据计算获得的温差栅格各层的温度分布控制温差栅格各层的加热线圈使各层达到所需温度。

作为进一步优选的，步骤S1具体包括如下子步骤：

S11对温差栅格的第一层进行加热，其余层不加热，利用活动式温度传感器测得目标位置的温度分布，根据温差栅格第一层的温度和目标位置的温度分布计算获得与该层对应的温度系数；

S12重复步骤S11以遍历温差栅格的各层，获得与各层对应的温度系数，利用各层的温度系数构建出温度系数矩阵。

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.本发明研究获得了一套可用于风洞试验的温度梯度控制装置，通过该装置可对气流进行分层，并对分层后的气流进行独立加热以获得不同的温度梯度，由此可对气流进行分层模拟，并实现各层气流的温度梯度控制。

2.本发明中的温度传感器组件分为两组，一组为固定式，设于温差栅格各层的末端，以获取各栅格层加热后的气流温度，一组为活动式，设于目标位置以观测目标位置的温度分布，通过栅格层及目标位置处的温度分布可得出两者之间的温度系数矩阵，为后续的栅格层自适应控制与调节提供相关数据。

3.本发明的每一栅格层上均设置有独立的且与温度控制器相连的加热线圈，以此通过温度控制器可实现各栅格层的独立加热控制，并可通过目标位置的目标温度调节各栅格层的温度，从而使目标位置获得达到所需的目标温度。

4.由于来流的混合作用、气流的热传导作用以及风洞与外界的热桥作用会使得温差栅格末端的温度分布到达目标位置时必将发生变化，因此需根据目标位置的目标温度对温差栅格各层温度进行自适应控制，本发明通过先获得温差栅格与目标位置的温度系数矩阵，然后利用温度系数矩阵结合目标位置的目标温度梯度计算获得温差栅格各层所需的温度，最后利用控制器根据该温度调节温差栅格各层的加热线圈使其达到所需温度，进而保证目标位置的温度为所需的目标温度，以此实现了以试验目标位置温度分布为目标的温差栅格自适应控制，有效避免了来流的混合作用、气流的热传导作用以及风洞与外界的热桥作用对目标位置温度的影响，保证测试的准确性和可靠性。

附图说明

图1是本发明实施例提供的风洞温度梯度控制装置的示意图；

图2是本发明实施例提供的风洞温度梯度控制装置的主动自适应控制示意图。

图中：1-加热线圈2-绝缘板3-绝热板4-承重板5-温度传感器组件6-支架7-温度控制器。

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。

如图1所示，本发明实施例提供的一种风洞温度梯度控制装置，其包括温差栅格、温度传感器组件5和温度控制器7，其中，温差栅格为多层结构，其设置在风洞收缩段的末端，用于将风洞收缩段末端的气流进行分层，温差栅格的每一层(叶板)上均设置有加热线圈1，以对温差栅格的各层进行加热；温度传感器组件5包括固定式温度传感器和活动式温度传感器，其中固定式温度传感器的数量与温差栅格的层数对应，其设于温差栅格的各层中以测量通过温差栅格各层后的气流温度，活动式温度传感器的数量同样与所述温差栅格的层数对应，其设于目标位置以测量目标位置的温度分布，其中目标位置可以根据试验需要进行选择，在此不限定；温度控制器7与所述加热线圈1、固定式温度传感器和活动式温度传感器相连，其用于通过加热线圈1实现温差栅格各层的温度调节，以使得目标位置达到所需的目标温度梯度。

具体的，如图1所示，温差栅格的每层均包括由上至下依次设置的绝缘板2、绝热板3和承重板4，加热线圈1设于绝缘板2上。活动式温度传感器优选设置在温差栅格的出流端(气流排出的一端)，即设于温差栅格各叶板的末端，并位于温差栅格相邻两层的中部，以获取各栅格叶板加热后的气流温度。优选的，温差栅格采用百叶窗结构，初步设计栅格竖向间距10cm、宽度0.5m、长度8.0m、总高度1.9m，设置在风洞收缩段末端，加热线圈位于温差栅格表面，并采用云母软板作绝缘材料，石棉做绝热材料。

如图1所示，温差栅格共有七层，各层水平等间距从上至下依次安装在支架6上，每一层上都设置有加热线圈1，温度控制器7控制每层加热线圈1的设定，气流穿过温差栅格，根据温差在竖直方向上分为七层，每层的气流都有各自的温度，这就实现了气流的分层。固定式温度传感器设有7个，设于两叶板中间，且在竖直方向上等间距布置，其中第一个固定式温度传感器设于第一层末端的上方，其到第一层的距离与第二个固定式温度传感器到第一层的距离相等。活动式温度传感器同样为7个，在目标位置竖直方向等间距布置，且布置高度及间距与固定式温度传感器一致，以观测目标位置的温度分布。在实际操作中，固定式温度传感器可以获取经过加热线圈的气流温度及其分布，实现了对不同气流分层强弱的模拟。

为了实现以试验位置(即目标位置)温度分布为目标的温差栅格自适应控制，本发明还提供了一种风洞温度梯度控制方法，包括如下步骤：

S1根据固定式温度传感器和活动式温度传感器测得的温差栅格各层的温度分布和目标位置的温度分布计算获得温度系数矩阵，该步骤具体包括如下子步骤：

S11对温差栅格的第一层进行加热，其余层不加热，利用活动式温度传感器测得目标位置的温度分布，根据温差栅格第一层的温度和目标位置的温度分布计算获得与该层对应的温度系数；

S12重复步骤S11以遍历温差栅格的各层，获得与各层对应的温度系数，利用各层的温度系数构建出温度系数矩阵；

S2根据温度系数矩阵和目标位置所需的目标温度梯度计算获得温差栅格各层所需的温度；

S3控制器根据计算获得的温差栅格各层的温度分布控制温差栅格各层的加热线圈使各层达到所需温度。

具体的，如图2所示，温差栅格的叶板(即层)从上至下被标注为n₀、n₁、……、n_i、……n_m，对应地，目标位置温度传感器竖向分布，与各叶板高度相同，从上至下标号为0、1、……、i、……m，其中A_j(j＝0～m-1)为温差栅格与目标位置的温度系数，依次对温差栅格各叶板分别加热，即可获得对应的温度系数A_j，通过各温度系数A_j构建温度系数矩阵A。若目标位置温度传感器竖向分布与叶板分布不同，可通过目标位置相邻观测点二次曲线插值获得。

在试验之前，依次遍历温差栅格各叶板，获得当前试验条件下的温度系数矩阵，具体而言，对温差栅格最上面的叶板(即第一层)n₀加热其余叶板不加热，在目标位置测得的从上至下各层气流温度为则相应的温度系数采用下式计算获得：

即通过上式计算即可获得温度系数A₀中的各元素值

然后，对温差栅格第二层叶板n₁加热其余叶板不加热，在目标位置测得的从上至下各层气流温度为则温度系数采用下式计算获得：

即通过上式计算即可获得温度系数A₁中的各元素值

以此类推，对温差栅格最后一层叶板n_m加热其余叶板不加热，在目标位置测得的从上至下各层气流温度为其温度系数采用下式计算获得：

即通过上式计算即可获得温度系数A_m中的各元素值

将以上获得的m+1个温度系数，即A₀、A₁、……、A_m整合在一起即可得到温度系数矩

然后通过温度系数逆矩阵A^-1与目标位置温度增加向量相乘以获得温差栅格末端温度增加向量

其中，目标位置温度增加向量根据实际需要限定，即根据测试要求确定目标位置的温度，例如测试时需要目标位置的第一层气流温度为10℃，下一层比上一层高10℃，即第二层气流温度为20℃，第i层气流温度为10×i℃，依次类推，第m层气流温度为10×m℃，将目标位置的每一层的温度带入上述公式(1)中计算获得温差栅格对应层的温度，然后控制器控制对应层的加热线圈进行加热使得对应层达到所需温度，并可通过固定式温度传感器测量温差栅格对应层的温度，判断对应层是否达到所需温度，例如将第i层气流温度带入上述公式(1)中计算获得温差栅格第i层的温度然后控制器控制温差栅格第i层加热线圈进行加热使得温差栅格第i层气流温度达到所需温度并通过温差栅格第i层的固定式温度传感器测量温差栅格第i层气流温度，以判断温差栅格第i层的气流温度是否达到所需温度若未达到所需温度，则利用加热线圈继续加热直至达到所需温度，若达到了所需温度，则停止加热。

通过上述方法，可根据目标位置所需的目标温度对温差栅格的各层进行温度控制与调节，以此使得目标位置能够获得所需的目标温度，实现以试验目标位置的温度分布为目标的温差栅格自适应控制，可防止来流的混合作用、气流的热传导作用以及风洞与外界的热桥作用对气流在目标位置的温度分布产生影响。

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。