[发明专利]一种适用于结冰风洞试验的冰晶粒子的制备方法

说明书

本发明提供一种适用于结冰风洞试验的冰晶粒子的制备方法，如下，采用的设备包括粉碎罐体、旋风分离机和拉瓦尔喷管，粉碎罐体的侧壁对称布置有多根拉瓦尔喷管，位于拉瓦尔喷管上方的粉碎罐体侧壁开有冰块进料口，粉碎罐体上方出口连通有旋风分离机，低温气体从粉碎腔室底部注入，低温气体作为保护介质，平衡粉碎罐体、拉瓦尔喷管和旋风分离机与外界的热交换，防止冰晶融化凝结；高压气源通过所述的拉瓦尔喷管喷进粉碎罐体内，将进入粉碎罐体内的小尺寸的冰块反复冲击破碎后直径逐渐变小，在旋风分离机离心力的作用下，符合尺寸的冰晶粒子被甩出。本发明生成的冰晶粒径可控，产量高，相比云室冰晶生成方法，具有成本和时间优势。

技术领域

本发明属于结冰风洞试验技术领域，具体涉及一种适用于结冰风洞试验的冰晶粒子的制备方法。

背景技术

冰晶，是水汽在冰核上凝华增长而形成的固态水成物，由于其尺寸小，极易受到环境温度的影响发生相变和凝结。在大气中，冰晶具有很多的形态和尺寸，冰晶通过与周围水蒸气的结合而增长尺寸。冰晶主要的结构是盘状、柱状或者是混合状，外形一般与环境温度有关。冰晶的次要结构由于冰枝的存在而变得高度复杂，次要结构一般是由附近水蒸气的饱和度所决定的。

在热带地区，大气中会存在强对流云层，云层中的强上升气流会将低空气体运送至高层大气中，强对流气团、把水汽抬高到0℃等温线以上，在这个过程中，随着温度的下降，水蒸气被持续压缩，冰晶会随之生成。大的颗粒因重力过大重新下落，小的漂浮在空中。这些小冰晶可以小到40μm，它们单独存在，肉眼无法看见，机载气象雷达无回波显示。当强对流天气中的水汽充足时，它们也会大范围、高密度地存在，最高可以到达对流层顶高度。飞机穿越这种天气时就有可能造成发动机和空速管等工作异常。

为保障航空飞行器的飞行安全，需在地面结冰风洞中进行冰晶对飞行器性能影响的模拟试验。根据适航条例的规定，风洞试验中对冰晶的寸进行了明确规定，其中值直径(MMD)的范围为50μm～200μm，而对于其形状未作明确要求。风洞试验，由于需要连续和高速运行，每次试验需求的冰晶数量较多。气象行业主要通过云室方法制备冰晶，该方法冰晶的结晶需求时间长且产量低，能量消耗巨大，不能满足风洞试验冰晶消耗量大的需求。因此，需要一种即能够满足航空飞行适航条例规定的尺寸范围，又产量高、生产速度快的冰晶制备方法。

发明内容

基于以上不足之处，本发明的目的是提供一种适用于结冰风洞试验的冰晶粒子的制备方法，能够实现持续地生产满足航空适航条例规定的中值直径(MMD)范围为50μm～200μm的冰晶，解决了现有的气象行业采用的云室方法制备时间长、产量低和成本高的问题。

本发明采用的技术方案是：一种适用于结冰风洞试验的冰晶粒子的制备方法，如下，采用的设备包括粉碎罐体、旋风分离机和拉瓦尔喷管，在粉碎罐体的底部与低温气体的注入管道连通，粉碎罐体的侧壁在同一水平面沿圆周对称布置有多根拉瓦尔喷管，每根拉瓦尔喷管的出口位于粉碎罐体内，位于拉瓦尔喷管上方的粉碎罐体侧壁开有冰块进料口，粉碎罐体上方出口连通有旋风分离机，低温气体从粉碎罐体底部注入，低温气体作为保护介质，平衡粉碎罐体、拉瓦尔喷管和旋风分离机与外界的热交换，并防止粉碎罐体内的冰块和破碎后形成的冰晶在旋风分离机内及其出口处融化凝结；高压气源通过所述的拉瓦尔喷管喷进粉碎罐体内，将进入粉碎罐体内的小尺寸的冰块相互反复冲击破碎后直径逐渐变小，直径达到微米级的冰晶粒子在上升气流的作用下进入旋风分离机，在旋风分离机离心力的作用下，符合尺寸的冰晶粒子被甩出，大尺寸的冰晶粒子在重力的作用下下落并在粉碎罐体内进一步粉碎。

进一步的，所述的拉瓦尔喷管的入口压力为3.7atm，高压气体经膨胀后进入粉碎罐体的出口压力为1atm，出口气流速度为1-1.5Ma。

进一步的，所述的低温气体到粉碎罐体的静压力为1个大气压。

进一步的，通过调节旋风分离机的转速进而调节制得的冰晶的直径尺寸。

进一步的，采用液氮作为所述的低温气体的气源。