[发明专利]一种基于电磁加热的温度控制风洞装置及试验方法

权利要求书

1.一种基于电磁加热的温度控制风洞装置，其特征在于:包括加热装置、水冷设备、温控箱；所述的加热装置包括内至外依次设置的石英玻璃框、两层外罩板，石英玻璃框的两端均设置有安装框架，二者通过两端支撑板固定；上述外罩板的两端亦通过所述的两端支撑板固定；居于内层的外罩板外端面缠绕电磁线圈，电磁线圈的自由端均通过温控线路和温控线路接口与温控箱相连；水冷管道固定在安装支撑板上，并通过水冷输送管道与水冷设备相连；

试验过程中，温度传感器采集的温度信息发送至温控箱，温控箱根据接收的温度信息控制电磁线圈工作，使试验温度达到预设的温度。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述的温度传感器数量至少4个，构成传感器阵列，且周向均匀固定于石英玻璃框尾段内。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述的加热装置通过安装框架直接连接在喷管段和扩张段之间，作为风洞试验过程中的试验段。

4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于：通过多组真空室相连提供真空环境，通过多组高压气罐相连提供高压气体，以提高工作时间。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述的加热装置安装在试验段内，且通过过渡段实现安装框架与喷管段和扩张段之间的连接。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述的水冷管道固定在安装支撑板外部且在满足安装干涉的前提下尽可能靠近安装支撑板内部的电磁线圈。

7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述水冷管道的入水口为单管道，延伸至加热装置下方分成两路，两路分别在两端安装支撑板上缠绕成圆形，之后在加热装置下方汇聚成一路单管道，作为水冷管道的出水口。

8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述的电磁线圈与最外层外罩板之间的间距大于5cm。

9.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述的电磁线圈为多组线圈并绕在外罩板上，每组线圈之间的距离大于5cm。

10.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述的石英玻璃框的截面形状与风洞试验中喷管内截面形状匹配。

11.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述的温控箱通过如下方式控制试验温度达到预设的温度：

第一步：按照PID控制算法计算比例控制率U_p、积分控制率及微分控制率U_D，并在积分控制率的计算过程中引用衰减系数α，以此削弱温控历史误差对当前控制稳定性的干扰；

第二步：在第一步的基础上，引入微分前馈补偿项K_pdGrad_i与目标曲线旋转补偿项K_tr(Grad_i-Grad_i-1)，确定控制率：

其中：

Grad_i：为t_i时刻目标温度曲线的导数；K_p，K_d，K_i，K_pd，K_tr为PID控制参数；

第三步，试验进行过程中，实时获取当前测得温度T与当前目标温度T₀，据此计算当前时刻t_i的控制误差e(t_i)，结合上述确定的控制率确定当前时刻t_i的控制率，并将确定的控制率以电压信号形式输入至温控箱，进而控制输入给电磁线圈的电源功率。

12.根据权利要求11所述的装置，其特征在于：所述的衰减系数α取值范围0.95-0.99，优选0.99。

13.一种利用权利要求1所述装置进行试验的方法，其特征在于：

步骤一，对风洞设备进行安全性检验；所述的风洞设备包括权利要求1所述的装置、以及满足如下连接关系的设备：高压气罐出口与压缩段相连；压缩段出口与稳定段相连；稳定段出口与喷管段相连；喷管段出口与扩张段之间安装加热装置，扩张段出口与真空室相连；真空室为气流终端；并在石英玻璃框尾段内固定空速管；

步骤二、控制高压气罐与真空室打开气流通路，检查风洞设备各段气密性是否完好，若检查无误，则关闭气流通路，待气流停止，将试验件固定到石英玻璃框内；

步骤三、启动水冷设备，使水冷管道被充满冷却水；

步骤四、控制温控箱，启动电磁加热，根据温度传感器传回的数据进行功率调节，待温度达到要求并稳定后保持该功率不变；

步骤五、控制高压气罐与真空室打开不超过50％的气流通路，然后根据空速管传回的流速数据进行气流通路大小调节，待流速数据达到要求并稳定后，进行试验；

步骤六、试验结束后，先关闭气流通路，待设备降至常温，停止冷却水通入，实验结束、排出管路内多余的冷却水，结束试验过程。