杜文輝

大型氣候環(huán)境實(shí)驗(yàn)室溫度場(chǎng)評(píng)定方法研究

杜文輝

（中國(guó)飛機(jī)強(qiáng)度研究所，陜西 西安 710065）

氣候環(huán)境實(shí)驗(yàn)室具有空間大、流場(chǎng)復(fù)雜等特點(diǎn)，其溫度場(chǎng)的均勻性、波動(dòng)度是評(píng)定氣候?qū)嶒?yàn)室的重要指標(biāo)。通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)室結(jié)構(gòu)及氣流組織進(jìn)行分析，確定實(shí)驗(yàn)室有效空間內(nèi)溫度不均勻性及波動(dòng)度概率較大位置，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)室溫度場(chǎng)評(píng)定方案，并對(duì)溫度場(chǎng)誤差的不確定度來(lái)源進(jìn)行分析，通過(guò)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對(duì)實(shí)驗(yàn)室溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，評(píng)定氣候環(huán)境實(shí)驗(yàn)室溫度場(chǎng)均勻性及波動(dòng)度等指標(biāo)。

氣候環(huán)境實(shí)驗(yàn)室；溫度評(píng)定；溫度均勻性；不確定度

1 引言

氣候環(huán)境實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)室可模擬多種自然環(huán)境[3-4]，其最基本的是溫度場(chǎng)的模擬，因此氣候環(huán)境實(shí)驗(yàn)室溫度性能評(píng)定至關(guān)重要。氣候環(huán)境實(shí)驗(yàn)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(guó)麥金利實(shí)驗(yàn)室（McKinley Climatic Laboratory）體積接近100 000 m3，韓國(guó)ADD實(shí)驗(yàn)室體積約為20 000 m3。隨著中國(guó)氣候環(huán)境實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)，實(shí)驗(yàn)室體積達(dá)到130 000 m3，成為中國(guó)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(yàn)設(shè)施。

2 現(xiàn)有評(píng)定方法分析

目前國(guó)內(nèi)僅有針對(duì)環(huán)境箱（試驗(yàn)箱）的校準(zhǔn)/檢定規(guī)范有JJF 1101—2003《環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備溫度、濕度校準(zhǔn)規(guī)范》、JJF 1564—2016《溫濕度環(huán)境試驗(yàn)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(yàn)箱（室）檢定方法溫度試驗(yàn)箱（室）》，此類評(píng)定/檢定方法中評(píng)定點(diǎn)的設(shè)置對(duì)大空間的氣候環(huán)境實(shí)驗(yàn)室溫度性能評(píng)定并不適用，因此對(duì)于大空間的氣候環(huán)境實(shí)驗(yàn)室溫度性能的評(píng)定需要結(jié)合實(shí)驗(yàn)室的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、氣流組織分析，設(shè)計(jì)新的評(píng)定方法[5]。

3 氣候環(huán)境實(shí)驗(yàn)室溫度場(chǎng)評(píng)定方法

通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)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(dòng)度概率較大的位置，將測(cè)量點(diǎn)數(shù)量及位置進(jìn)行最優(yōu)化處理，設(shè)計(jì)溫度場(chǎng)測(cè)量點(diǎn)布置方案，通過(guò)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(shí)驗(yàn)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(jì)有5條送風(fēng)管道，送風(fēng)口均勻布置在實(shí)驗(yàn)室的頂部；每條送風(fēng)管道對(duì)應(yīng)1個(gè)回風(fēng)口，位于側(cè)墻，實(shí)驗(yàn)室各風(fēng)道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)完全相同；將距實(shí)驗(yàn)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(yàn)有效空間。

氣流組織決定溫度場(chǎng)特性，通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)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(dòng)特性基本相似，由于結(jié)構(gòu)中大門(mén)、隔離門(mén)及墻壁對(duì)兩側(cè)風(fēng)道氣流組織的影響，兩側(cè)風(fēng)道氣流流動(dòng)特性成左右對(duì)稱，而中間3條風(fēng)道氣流流動(dòng)特性基本相同。通過(guò)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(diǎn)，低溫工況溫度不均勻性及波動(dòng)性主要位于實(shí)驗(yàn)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(dòng)性點(diǎn)主要位于在實(shí)驗(yàn)室邊緣位置及靠近地表的空間。

3.2 溫度場(chǎng)測(cè)量點(diǎn)設(shè)計(jì)

根據(jù)實(shí)驗(yàn)室流場(chǎng)分析，大門(mén)/隔離門(mén)、墻壁、地面負(fù)載及送風(fēng)口位置高度對(duì)氣流組織有一定影響，試驗(yàn)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(dòng)概率較大，評(píng)定重點(diǎn)選擇此類邊緣位置。

測(cè)量點(diǎn)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(cè)量點(diǎn)布局圖

圖2 懸掛式傳感器設(shè)計(jì)

3.3 溫度場(chǎng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)室溫度數(shù)據(jù)利用實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)室艙內(nèi)環(huán)境參數(shù)、試驗(yàn)件表面響應(yīng)參數(shù)的測(cè)量以及測(cè)量數(shù)據(jù)的處理、顯示、存儲(chǔ)。系統(tǒng)主要包括傳感器、信號(hào)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(jí)Pt100溫度傳感器，將實(shí)驗(yàn)室溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換成可傳輸?shù)碾娦盘?hào)，通過(guò)寬溫電纜接入信號(hào)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(lì)并采集傳感器的輸出信號(hào)，采集信號(hào)接入交換機(jī)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)，利用光纖接入實(shí)驗(yàn)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(píng)定實(shí)施方案

氣候環(huán)境實(shí)驗(yàn)室溫度評(píng)定點(diǎn)主要選擇不同實(shí)驗(yàn)工況的特殊溫度點(diǎn)，如極限高溫、低溫、濕熱等。實(shí)驗(yàn)室先進(jìn)行低溫工況校準(zhǔn)，在常溫狀態(tài)下，對(duì)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行除濕。除濕結(jié)束后，實(shí)驗(yàn)室開(kāi)始降溫至第一個(gè)校評(píng)定，溫度到達(dá)后，進(jìn)行維持，每半小時(shí)對(duì)室內(nèi)溫度進(jìn)行觀測(cè)。待室內(nèi)溫度穩(wěn)定后，記錄該時(shí)間為穩(wěn)定時(shí)間，并開(kāi)始進(jìn)行該溫度點(diǎn)的數(shù)據(jù)記錄（此過(guò)程中數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實(shí)時(shí)記錄數(shù)據(jù)），數(shù)據(jù)測(cè)試周期為1 h。實(shí)驗(yàn)室開(kāi)始降溫，進(jìn)行下一個(gè)溫度點(diǎn)。由于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采樣實(shí)時(shí)采集，可在評(píng)定結(jié)束后利用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的采集數(shù)據(jù)對(duì)實(shí)驗(yàn)室溫度性能進(jìn)行計(jì)算分析。

4 溫度場(chǎng)評(píng)定不確定來(lái)源分析

通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)室溫度場(chǎng)不確定度的來(lái)源分析和所采用的評(píng)定方法可知，實(shí)驗(yàn)室溫度評(píng)定不確定度來(lái)源具體表示為：①溫度測(cè)量結(jié)果平均值的實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)偏差aver；②氣候環(huán)境實(shí)驗(yàn)室內(nèi)不同測(cè)量點(diǎn)引入的不確定度分量diff，由各個(gè)測(cè)量溫度傳感器讀數(shù)平均值的分散度求得；③溫度隨時(shí)間的變化引入的不確定度分量fluc，依據(jù)每次測(cè)量所有溫度傳感器讀數(shù)平均值的分散度求得；④測(cè)量設(shè)備引入的不確定度分量inst，依據(jù)校準(zhǔn)/檢定證書(shū)提供的最大允許誤差、準(zhǔn)確度等級(jí)或擴(kuò)展不確定度求得。

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

不確定度來(lái)源如表1所示。

表1 不確定度來(lái)源一覽表

不確定度分量不確定度來(lái)源類型 uaver測(cè)量結(jié)果平均值的實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)偏差A(yù) udiff不同測(cè)量點(diǎn)引入的不確定度分量A ufluc時(shí)間變化引入的不確定度分量A uinst測(cè)量設(shè)備引入的不確定度分量B

5 結(jié)束語(yǔ)

該評(píng)定方法通過(guò)氣流組織分析結(jié)果及實(shí)驗(yàn)室送風(fēng)結(jié)構(gòu)對(duì)稱原則，將實(shí)驗(yàn)室評(píng)定點(diǎn)數(shù)量及位置進(jìn)行最優(yōu)化處理，具備如下優(yōu)點(diǎn)：①可實(shí)現(xiàn)超大空間實(shí)驗(yàn)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(diǎn)數(shù)量及位置進(jìn)行最優(yōu)化處理；③校準(zhǔn)方法簡(jiǎn)單便捷、投入少、經(jīng)濟(jì)性佳、易于應(yīng)用。

［1］王浚，黃本誠(chéng)，萬(wàn)才大.環(huán)境模擬技術(shù)［M］.北京：國(guó)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(píng)價(jià)［J］.裝備環(huán)境工程，2012，9（1）：54-59．

［3］王浚.我國(guó)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(yàn)［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(yàn)設(shè)備溫度、濕度校準(zhǔn)規(guī)范［S］.北京：中國(guó)計(jì)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?yàn)轱w機(jī)氣候環(huán)境適應(yīng)性。

〔編輯：王霞〕