大型氣候環(huán)境實驗室溫度場評定方法研究

杜文輝

大型氣候環(huán)境實驗室溫度場評定方法研究

杜文輝

（中國飛機(jī)強(qiáng)度研究所，陜西 西安 710065）

氣候環(huán)境實驗室具有空間大、流場復(fù)雜等特點，其溫度場的均勻性、波動度是評定氣候?qū)嶒炇业闹匾笜?biāo)。通過對實驗室結(jié)構(gòu)及氣流組織進(jìn)行分析，確定實驗室有效空間內(nèi)溫度不均勻性及波動度概率較大位置，設(shè)計實驗室溫度場評定方案，并對溫度場誤差的不確定度來源進(jìn)行分析，通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對實驗室溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，評定氣候環(huán)境實驗室溫度場均勻性及波動度等指標(biāo)。

氣候環(huán)境實驗室；溫度評定；溫度均勻性；不確定度

1 引言

氣候環(huán)境實驗室為各類飛機(jī)及武器裝備環(huán)境適應(yīng)性研究[1-2]提供模擬環(huán)境，實驗室可模擬多種自然環(huán)境[3-4]，其最基本的是溫度場的模擬，因此氣候環(huán)境實驗室溫度性能評定至關(guān)重要。氣候環(huán)境實驗室相比一般環(huán)境箱尺寸較大，溫度性能指標(biāo)要求較高，如美國麥金利實驗室（McKinley Climatic Laboratory）體積接近100 000 m3，韓國ADD實驗室體積約為20 000 m3。隨著中國氣候環(huán)境實驗室的建設(shè)，實驗室體積達(dá)到130 000 m3，成為中國規(guī)模最大、模擬環(huán)境因素最多的大型綜合氣候環(huán)境模擬試驗設(shè)施。

2 現(xiàn)有評定方法分析

目前國內(nèi)僅有針對環(huán)境箱（試驗箱）的校準(zhǔn)/檢定規(guī)范有JJF 1101—2003《環(huán)境試驗設(shè)備溫度、濕度校準(zhǔn)規(guī)范》、JJF 1564—2016《溫濕度環(huán)境試驗箱校準(zhǔn)規(guī)范》、HB 6783.3—1993《軍用機(jī)載設(shè)備氣候環(huán)境試驗箱（室）檢定方法溫度試驗箱（室）》，此類評定/檢定方法中評定點的設(shè)置對大空間的氣候環(huán)境實驗室溫度性能評定并不適用，因此對于大空間的氣候環(huán)境實驗室溫度性能的評定需要結(jié)合實驗室的結(jié)構(gòu)設(shè)計、氣流組織分析，設(shè)計新的評定方法[5]。

3 氣候環(huán)境實驗室溫度場評定方法

通過對實驗室的結(jié)構(gòu)及氣流組織進(jìn)行分析，確定室內(nèi)有效空間內(nèi)溫度不均勻性及波動度概率較大的位置，將測量點數(shù)量及位置進(jìn)行最優(yōu)化處理，設(shè)計溫度場測量點布置方案，通過分布式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行溫度數(shù)據(jù)采集。

3.1 氣流組織分析

氣候環(huán)境實驗室采用頂部送風(fēng)側(cè)墻回風(fēng)的氣流組織形式，室內(nèi)設(shè)計有5條送風(fēng)管道，送風(fēng)口均勻布置在實驗室的頂部；每條送風(fēng)管道對應(yīng)1個回風(fēng)口，位于側(cè)墻，實驗室各風(fēng)道結(jié)構(gòu)設(shè)計完全相同；將距實驗室墻壁2 m、地面1 m、由頂部送風(fēng)口向下1.5 m的區(qū)域定義為試驗有效空間。

氣流組織決定溫度場特性，通過對實驗室低溫及高溫工況氣流組織進(jìn)行CFD建模分析，各風(fēng)道氣流流動特性基本相似，由于結(jié)構(gòu)中大門、隔離門及墻壁對兩側(cè)風(fēng)道氣流組織的影響，兩側(cè)風(fēng)道氣流流動特性成左右對稱，而中間3條風(fēng)道氣流流動特性基本相同。通過CFD建模分析，當(dāng)?shù)孛尕?fù)載的影響逐漸減小，并趨于穩(wěn)定點，低溫工況溫度不均勻性及波動性主要位于實驗室墻壁邊緣位置及靠近送風(fēng)口的空間，高溫工況溫度不均勻性及波動性點主要位于在實驗室邊緣位置及靠近地表的空間。

3.2 溫度場測量點設(shè)計

根據(jù)實驗室流場分析，大門/隔離門、墻壁、地面負(fù)載及送風(fēng)口位置高度對氣流組織有一定影響，試驗有效區(qū)域中央位置溫度均勻性及穩(wěn)定性較好，各邊緣位置溫度出現(xiàn)不均勻性及波動概率較大，評定重點選擇此類邊緣位置。

測量點布局如圖1所示，并在每條懸掛溫度傳感器，如圖2所示。

圖1 測量點布局圖

圖2 懸掛式傳感器設(shè)計

3.3 溫度場數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

實驗室溫度數(shù)據(jù)利用實驗室數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用分布式系統(tǒng)構(gòu)架，用于實驗室艙內(nèi)環(huán)境參數(shù)、試驗件表面響應(yīng)參數(shù)的測量以及測量數(shù)據(jù)的處理、顯示、存儲。系統(tǒng)主要包括傳感器、信號分配箱、數(shù)據(jù)采集終端、保溫箱、數(shù)據(jù)采集工作站等。

傳感器采用A級Pt100溫度傳感器，將實驗室溫度信號轉(zhuǎn)換成可傳輸?shù)碾娦盘?，通過寬溫電纜接入信號分配箱，集成為大型航空插頭后接入數(shù)據(jù)采集終端，數(shù)據(jù)采集終端為傳感器提供激勵并采集傳感器的輸出信號，采集信號接入交換機(jī)轉(zhuǎn)換為光信號，利用光纖接入實驗室墻壁的網(wǎng)絡(luò)接線箱并傳遞給數(shù)據(jù)采集工作站，數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)流如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)采集原理圖

3.4 評定實施方案

氣候環(huán)境實驗室溫度評定點主要選擇不同實驗工況的特殊溫度點，如極限高溫、低溫、濕熱等。實驗室先進(jìn)行低溫工況校準(zhǔn)，在常溫狀態(tài)下，對實驗室進(jìn)行除濕。除濕結(jié)束后，實驗室開始降溫至第一個校評定，溫度到達(dá)后，進(jìn)行維持，每半小時對室內(nèi)溫度進(jìn)行觀測。待室內(nèi)溫度穩(wěn)定后，記錄該時間為穩(wěn)定時間，并開始進(jìn)行該溫度點的數(shù)據(jù)記錄（此過程中數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實時記錄數(shù)據(jù)），數(shù)據(jù)測試周期為1 h。實驗室開始降溫，進(jìn)行下一個溫度點。由于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采樣實時采集，可在評定結(jié)束后利用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的采集數(shù)據(jù)對實驗室溫度性能進(jìn)行計算分析。

4 溫度場評定不確定來源分析

通過對實驗室溫度場不確定度的來源分析和所采用的評定方法可知，實驗室溫度評定不確定度來源具體表示為：①溫度測量結(jié)果平均值的實驗標(biāo)準(zhǔn)偏差aver；②氣候環(huán)境實驗室內(nèi)不同測量點引入的不確定度分量diff，由各個測量溫度傳感器讀數(shù)平均值的分散度求得；③溫度隨時間的變化引入的不確定度分量fluc，依據(jù)每次測量所有溫度傳感器讀數(shù)平均值的分散度求得；④測量設(shè)備引入的不確定度分量inst，依據(jù)校準(zhǔn)/檢定證書提供的最大允許誤差、準(zhǔn)確度等級或擴(kuò)展不確定度求得。

各個分量之間不相關(guān)，因此實驗室溫度性能的合成不確定度數(shù)學(xué)模型為：

不確定度來源如表1所示。

表1 不確定度來源一覽表

不確定度分量不確定度來源類型 uaver測量結(jié)果平均值的實驗標(biāo)準(zhǔn)偏差A(yù) udiff不同測量點引入的不確定度分量A ufluc時間變化引入的不確定度分量A uinst測量設(shè)備引入的不確定度分量B

5 結(jié)束語

該評定方法通過氣流組織分析結(jié)果及實驗室送風(fēng)結(jié)構(gòu)對稱原則，將實驗室評定點數(shù)量及位置進(jìn)行最優(yōu)化處理，具備如下優(yōu)點：①可實現(xiàn)超大空間實驗室溫度性能同步校準(zhǔn)；②充分結(jié)合氣流組織分析，將校準(zhǔn)點數(shù)量及位置進(jìn)行最優(yōu)化處理；③校準(zhǔn)方法簡單便捷、投入少、經(jīng)濟(jì)性佳、易于應(yīng)用。

［1］王浚，黃本誠，萬才大.環(huán)境模擬技術(shù)［M］.北京：國防工業(yè)出版社，1996：5．

［2］胥澤齊，張世艷，宜衛(wèi)芳.裝備環(huán)境適應(yīng)性評價［J］.裝備環(huán)境工程，2012，9（1）：54-59．

［3］王浚.我國環(huán)境模擬技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展［J］.航空制造技術(shù)，2004（8）：49-52．

［4］唐虎，李喜明.飛機(jī)氣候試驗［J］.裝備環(huán)境工程，2012，9（1）：60-65．

［5］康志茹，耿榮勤，魏曉克，等.JJF 1101—2003 環(huán)境試驗設(shè)備溫度、濕度校準(zhǔn)規(guī)范［S］.北京：中國計量出版社，2003.

TB942

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2020.08.029

2095－6835（2020）08－0073－02

杜文輝（1985—），男，陜西寶雞人，學(xué)士學(xué)位，工程師，研究方向為飛機(jī)氣候環(huán)境適應(yīng)性。

〔編輯：王霞〕