一种低温流场观测实验观察视窗玻璃的智能防凝露结构
阅读说明：本技术 一种低温流场观测实验观察视窗玻璃的智能防凝露结构 (Condensation structure is prevented to low temperature flow field observation experiment observation window glass's intelligence ) 是由 张多 柳军 袁雪强 朱轲 刘卫东 于 2021-09-13 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种低温流场观测实验观察视窗玻璃的智能防凝露结构,包括实验段、观察视窗、罩体、相机与氮气源,所述观察视窗固定设在所述实验段上；所述罩体固定设在所述实验段上且覆盖所述观察视窗,所述罩体与所述实验段的外壁之间围成观察腔,所述相机固定设在所述罩体上,所述相机的镜头位于所述观察腔内且朝向所述观察视窗；所述罩体上设有能够连通所述观察腔与外部环境的进气结构与出气结构,且所述进气结构通过管路与所述氮气源相连。该结构采用在玻璃视窗上加装氮气源,并持续稳定向观察腔输入氮气以隔绝空气的方式,进而解决玻璃观察窗凝露难题,而且结构简单,实施有效,适用于多种流场观测情况,并且操作方便易于实现。(The invention discloses an intelligent anti-condensation structure of observation window glass for a low-temperature flow field observation experiment, which comprises an experiment section, an observation window, a cover body, a camera and a nitrogen source, wherein the observation window is fixedly arranged on the experiment section; the cover body is fixedly arranged on the experimental section and covers the observation window, an observation cavity is enclosed between the cover body and the outer wall of the experimental section, the camera is fixedly arranged on the cover body, and a lens of the camera is positioned in the observation cavity and faces the observation window; the cover body is provided with an air inlet structure and an air outlet structure which can be communicated with the observation cavity and the external environment, and the air inlet structure is connected with the nitrogen source through a pipeline. This structure adopts installs the nitrogen gas source additional on the glass window to last steady mode with isolated air of observing chamber input nitrogen gas, and then solve glass observation window condensation difficult problem, simple structure moreover implements effectively, is applicable to the observation condition of multiple flow field, and convenient operation easily realizes.)
技术领域
本发明涉及飞行器推进系统技术领域，具体是一种低温流场观测实验观察视窗玻璃的智能防凝露结构。
背景技术
在高超声速飞行器推进系统研究领域，随着对流动问题的深入研究，越来越多的学者认识到飞行器表面温度对流动问题的影响至关重要。如极端温度条件下的激波/边界层干扰等复杂流场问题，激波/边界层干扰给传热问题带来的新的挑战，以及预冷进气道表面对流换热时的结冰结霜问题等，这些都是制约高超声速推进技术发展的关键难题。为此，国内外学者进行大量的地面高速流场观测实验以期待突破表面温度对飞行器技术发展的制约，为飞行器的推进系统的发展带来新的机遇。
在进行低温流场观测实验时，为了保持流场品质不受干扰，通常都是在风洞中开展实验，并通过侧面的光学玻璃观察窗对流场及低温表面的实验对象进行观测和拍摄测量。此时，低温表面一般置于风洞底部，并与侧面玻璃观察窗接触，低温表面通过热传导使得玻璃表面温度降低。当玻璃观察窗的表面温度低于空气中水蒸气的露点温度以后便会出现凝露现象。由于观察玻璃流场侧为高温或高速气流不会出现凝露现象，而在另一侧，玻璃观察窗暴露在静止空气中，空气中的水蒸气将在冷玻璃表面上形成凝露，从而影响对流场的观测与拍摄。
为了解决玻璃表面的凝露现象，有研究者提出一种用于冰箱中的冷藏透视窗防凝露结构(专利号：CN205316785U)，通过在冷藏门胆后盖和冷藏门玻璃之间安装防凝露电加热丝，并填充保温材料，有效解决冰箱中的冷藏透视窗凝露问题。现有的这种玻璃防凝露方法需要加装电热丝，玻璃生产成本高，结构复杂。同时，实验中高速来流的冲击对观察窗的玻璃性能和强度有一定的要求，采用加装电热丝等方法会削弱玻璃强度，造成安全隐患。因此现有的玻璃防凝露方法不适用于解决飞行器推进领域低温流场观测实验中的玻璃凝露的难题。
发明内容
针对上述现有技术中的不足，本发明提供一种低温流场观测实验观察视窗玻璃的智能防凝露结构，采用在玻璃视窗上加装氮气源，并持续稳定向观察腔输入氮气以隔绝空气的方式，进而解决玻璃观察窗凝露难题，而且结构简单，实施有效，适用于多种流场观测情况，并且操作方便易于实现。
为实现上述目的，本发明提供一种低温流场观测实验观察视窗玻璃的智能防凝露结构，包括实验段、观察视窗、罩体、相机与氮气源，所述观察视窗固定设在所述实验段上；
所述罩体固定设在所述实验段上且覆盖所述观察视窗，所述罩体与所述实验段的外壁之间围成观察腔，所述相机固定设在所述罩体上，所述相机的镜头位于所述观察腔内且朝向所述观察视窗；
所述罩体上设有能够连通所述观察腔与外部环境的进气结构与出气结构，且所述进气结构通过管路与所述氮气源相连。
在其中一个实施例中，所述出气结构为设在所述罩体底部的第一通孔。
在其中一个实施例中，所述进气结构为设在所述罩体侧部的第二通孔，且所述第二通孔通过所述管路与所述氮气源相连通。
在其中一个实施例中，所述进气结构包括两个对称设在所述罩体两侧的第二通孔；
所述管路的一端与所述氮气源相连，另一端经过两个所述第二通孔穿过所述罩体，且所述管路的部分管体位于所述观察腔内；
所述管路位于所述观察腔内的部分管体上沿长度方向间隔设有若干第三通孔。
在其中一个实施例中，所述第二通孔的孔壁上设有橡胶密封圈或密封条，以用于密封和固定所述管路。
在其中一个实施例中，所述罩体上设有第四通孔，所述相机通过所述第四通孔固定在所述罩体上，且所述第四通孔与所述相机的连接缝隙处设有橡胶密封圈或密封条。
在其中一个实施例中，所述观察视窗上设有与所述罩体对应的凹型卡槽，所述罩体通过所述凹型卡槽可拆卸地连接在所述观察视窗上。
在其中一个实施例中，智能防凝露结构还包括：
电磁阀，设在所述管路上，用于控制所述管路的通断；
温湿度传感器，设在所述观察腔内，用于获取所述观察腔内的环境温度与环境湿度；
壁温传感器，设在所述观察视窗上，用于获取所述观察视窗的壁面温度；
控制器，设在所述罩体外，并与所述电磁阀、所述温湿度传感器、所述壁温传感器电连接，以基于所述环境温度、所述环境湿度与所述壁面温度控制所述电磁阀的启闭。
在其中一个实施例中，所述控制器的控制过程具体为：
获取所述观察腔内的环境温度Tc、环境湿度RH以及所述观察视窗的壁面温度Ts；
基于环境温度Tc得到对应的第一饱和蒸汽压力Ps(Tc)，并基于壁面温度Ts得到对应的第一饱和蒸汽压力Ps(Ts)；
基于第一饱和蒸汽压力Ps(Tc)、第一饱和蒸汽压力Ps(Ts)得到所述观察视窗凝露的临界湿度RHc，为：RHc＝Ps(Ts)/Ps(Tc)；
判断RH≥α×RHc是否成立，若是则控制所述电磁阀开启，否则控制所述电磁阀关闭，其中，α为控制系数。
在其中一个实施例中，还包括设在所述观察腔内的冷光源，且所述冷光源与所述控制器电连接。
相较于现有技术，本发明提供的一种低温流场观测实验观察视窗玻璃的智能防凝露结构具有如下有益技术效果：
1、方便快捷，制作简便，无需对观察视窗进行额外加工，适用于多种观察视窗玻璃情况；
2、不需要对实验流场做任何改变，适用于多种流场实验工况；
3、不影响相机的进光，并在需要屏蔽日照光线的实验中可提供更好的拍摄条件。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对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，下面描述中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示出的结构获得其他的附图。
图1为本发明实施例中低温流场观测实验观察视窗玻璃的智能防凝露结构在第二通孔采用第一种实施方式下的剖视图；
图2为本发明实施例中低温流场观测实验观察视窗玻璃的智能防凝露结构在第二通孔采用第一种实施方式下的结构图；
图3为本发明实施例中低温流场观测实验观察视窗玻璃的智能防凝露结构在第二通孔采用第二种实施方式下的剖视图；
图4为本发明实施例中低温流场观测实验观察视窗玻璃的智能防凝露结构在第二通孔采用第二种实施方式下的结构图；
图5为本发明实施例中低温流场观测实验观察视窗玻璃的智能防凝露结构在具有控制组件时的剖视图；
图6为本发明实施例中低温流场观测实验观察视窗玻璃的智能防凝露结构在具有控制组件时的结构图；
图7为本发明实施例中空气的饱和蒸汽压力-温度曲线图；
图8为本发明实施例中罩体与观察视窗的连接结构图。
附图标号：实验段10、观察视窗101、低温冷表面102、壁温传感器103、卡槽104、罩体20、观察腔201、第一通孔202、第二通孔203、排气管204、第四通孔205、温湿度传感器206、冷光源207、电缆孔208、相机30、氮气源40、管路50、第三通孔501、电磁阀502、控制器60。
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接，还可以是物理连接或无线通信连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
如图1-4所示为本实施例公开的一种低温流场观测实验观察视窗玻璃的智能防凝露结构，其主要包括实验段10、观察视窗101、罩体20、相机30与氮气源40。其中，实验段10内具有实验流场，图1中的箭头方向即流场气流方向，实验段10左端为气流入口，右端为气流出口，实验段10的底部为低温冷表面102。
罩体20固定设在实验段10上且覆盖观察视窗101，罩体20与实验段10的外壁之间围成观察腔201，相机30固定设在罩体20上，相机30的镜头位于观察腔201内且朝向观察视窗101。罩体20上设有能够连通观察腔201与外部环境的进气结构与出气结构，且进气结构通过管路50与氮气源40相连。采用在玻璃视窗上加装氮气源40，并持续稳定向观察腔201输入氮气以隔绝空气的方式，进而解决玻璃观察窗凝露难题，而且结构简单，实施有效，适用于多种流场观测情况，并且操作方便易于实现。
本实施例中，罩体20为一具有五个外表面的非封闭敞口长方体结构，罩体20的材料可根据实验需求选定。对于需要采用日照光线作为进光的相机30镜头，可以选用透明玻璃或者透明树脂等可透光的材料作为罩体20的表面材料，不影响相机30镜头的进光。对于需要屏蔽日照光线的相机30镜头如采用瞬时激光作为进光，可以使用不透明材料作为罩体20的表面材料，如黑色塑料等。
本实施例中，出气结构为设在罩体20底部的第一通孔202，进气结构为设在罩体20侧部且靠上的第二通孔203，其中，第一通孔202上连接有排气管204。将第二通孔203设置在观察腔201的上方，这是因为氮气密度较空气密度小，输入的氮气会集中在观察腔201上方并逐渐填充观察腔201，将空气由下方的第一通孔202以及排气管204排出。
本实施例中，第二通孔203具有两种实施方式：
参考图1-2为第二通孔203的第一种实施方式，该实施方式下第二通孔203的数量为一个，且第二通孔203通过管路50与氮气源40相连通，管路50的管径为4mm～6mm，最终通过管路50以及第二通孔203将氮气源40中的氮气持续稳定的输入观察腔201。
参考图3-4为第二通孔203的第二种实施方式，该实施方式下第二通孔203的数量为两个，且两个第二通孔203对称设在罩体20的两侧；管路50的一端与氮气源40相连，另一端经过两个第二通孔203穿过罩体20，且管路50的部分管体位于观察腔201内；管路50位于观察腔201内的部分管体上沿长度方向等间隔设有若干孔径为1mm～2mm的第三通孔501，最终通过管路50以及第三通孔501将氮气源40中的氮气持续稳定的输入观察腔201。
本实施例中，第二通孔203的孔壁上设有橡胶密封圈或密封条，以用于密封和固定管路50。
本实施例中，罩体20上设有第四通孔205，相机30通过第四通孔205固定在罩体20上，且第四通孔205与相机30的连接缝隙处设有橡胶密封圈或密封条。
参考图5-6，作为优选地实施方式，防凝露结构还包括控制组件，用于控制上述管路50的通断，在确保玻璃观察视窗101不凝露的情况下，减少氮气用量，节约能源。具体地，控制组件包括电磁阀502、温湿度传感器206、壁温传感器103、控制器60。其中，电磁阀502设在管路50位于氮气源40与罩体20之间的部分管体上，用于控制管路50的通断；温湿度传感器206设在观察腔201内，用于获取观察腔201内的环境温度Tc与环境湿度RH；壁温传感器103设在观察视窗101上，用于获取观察视窗101的壁面温度Ts；控制器60设在罩体20外，并与电磁阀502、温湿度传感器206、壁温传感器103电连接，以基于环境温度、环境湿度与壁面温度控制电磁阀502的启闭。
进一步具体地，控制器60的控制过程具体为：
参考图7，为空气的饱和蒸汽压力(P)-温度(T)曲线，该曲线已由大量实验研究获得，因此本实施例中不再对其赘述。Tc为观察腔201内的环境温度，Ps(Tc)为Tc对应的第一饱和蒸汽压力，Ts为观察视窗101的壁面温度，Ps(Ts)为Ts对应的第二饱和蒸汽压力，Pc为环境蒸汽分压，则观察腔201内的环境湿度RH为：
RH＝Pc/Ps(Tc)
当Pc≤Ps(Ts)时，在观察视窗101的玻璃表面附近不会出现凝露现象，因此观察视窗101凝露的临界湿度RHc为：
RHc＝Ps(Ts)/Ps(Tc)
其中Ts、Tc可分别通过壁温传感器103、温湿度传感器206获得。另外，本实施例中可预先将饱和蒸汽压力(P)-温度(T)曲线数据导入控制器60中，则Ps(Ts)、Ps(Tc)可由控制器60的内置程序得到，同时可计算得到观察视窗101凝露的临界湿度RHc，而当前观察腔201内的环境湿度RH可通过温湿度传感器206获得，此时控制器60会通过对比RH和RHc进行判断。为了确保观察视窗101无凝露，需对观察腔201内的环境湿度RH进行更严格的控制，取控制系数α＝0.8。当RH≥α×RHc时，控制器60将电磁阀502打开，通入氮气使观察腔201内湿度下降，直至观察腔201内的环境湿度RH<α×RHc，此时关闭电磁阀502，由此达到智能控制观察腔201内的湿度，确保观察视窗101不发生凝露的效果。
作为优选地实施方式，观察腔201内还设置有冷光源207，冷光源207安装在罩体20上安装相机30的内壁上，且冷光源207与控制器60电连接，即由控制器60控制冷光源207的开关，用于为相机30需要时提供足够的进光量。
需要注意的是，上述图5-6中的第二通孔203虽然选择的是第二种实施方式，在具体实施过程中也可以选用第一种实施方式。
需要注意的是，参考图8，罩体20上设有若干电缆孔208，且电缆孔208上装有橡胶密封圈或密封条，用于密封和固定连接控制器60与壁温传感器103、温湿度传感器206、冷光源207之间的电缆。
本实施例中，罩体20的敞口面与观察视窗101的玻璃相接，不影响相机30镜头对实验段10内的实验对象的拍摄。优选地实施方式，观察视窗101上设有与罩体20对应的凹型卡槽104，罩体20与观察视窗101之间通过固定在观察视窗101上的凹型卡槽104连接，以便于快速拆卸和安装罩体20。其中，罩体20与凹型卡槽104直接通过卡扣结构或气动夹具等来实现固定夹持与分离，其实施过程为所属领域的常规技术手段，因此本实施例中不再对其进行赘述。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。
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