大型氣候環境實驗室溫度場評定方法研究

杜文輝

大型氣候環境實驗室溫度場評定方法研究

杜文輝

（中國飛機強度研究所，陜西 西安 710065）

氣候環境實驗室具有空間大、流場復雜等特點，其溫度場的均勻性、波動度是評定氣候實驗室的重要指標。通過對實驗室結構及氣流組織進行分析，確定實驗室有效空間內溫度不均勻性及波動度概率較大位置，設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行分析，通過數據采集系統對實驗室溫度數據進行采集，評定氣候環境實驗室溫度場均勻性及波動度等指標。

氣候環境實驗室；溫度評定；溫度均勻性；不確定度

1 引言

氣候環境實驗室為各類飛機及武器裝備環境適應性研究[1-2]提供模擬環境，實驗室可模擬多種自然環境[3-4]，其最基本的是溫度場的模擬，因此氣候環境實驗室溫度性能評定至關重要。氣候環境實驗室相比一般環境箱尺寸較大，溫度性能指標要求較高，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。隨著中國氣候環境實驗室的建設，實驗室體積達到130 000 m3，成為中國規模最大、模擬環境因素最多的大型綜合氣候環境模擬試驗設施。

2 現有評定方法分析

目前國內僅有針對環境箱（試驗箱）的校準/檢定規范有JJF 1101—2003《環境試驗設備溫度、濕度校準規范》、JJF 1564—2016《溫濕度環境試驗箱校準規范》、HB 6783.3—1993《軍用機載設備氣候環境試驗箱（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置對大空間的氣候環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境實驗室溫度性能的評定需要結合實驗室的結構設計、氣流組織分析，設計新的評定方法[5]。

3 氣候環境實驗室溫度場評定方法

通過對實驗室的結構及氣流組織進行分析，確定室內有效空間內溫度不均勻性及波動度概率較大的位置，將測量點數量及位置進行最優化處理，設計溫度場測量點布置方案，通過分布式數據采集系統進行溫度數據采集。

3.1 氣流組織分析

氣候環境實驗室采用頂部送風側墻回風的氣流組織形式，室內設計有5條送風管道，送風口均勻布置在實驗室的頂部；每條送風管道對應1個回風口，位于側墻，實驗室各風道結構設計完全相同；將距實驗室墻壁2 m、地面1 m、由頂部送風口向下1.5 m的區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行CFD建模分析，各風道氣流流動特性基本相似，由于結構中大門、隔離門及墻壁對兩側風道氣流組織的影響，兩側風道氣流流動特性成左右對稱，而中間3條風道氣流流動特性基本相同。通過CFD建模分析，當地面負載的影響逐漸減小，并趨于穩定點，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 溫度場測量點設計

根據實驗室流場分析，大門/隔離門、墻壁、地面負載及送風口位置高度對氣流組織有一定影響，試驗有效區域中央位置溫度均勻性及穩定性較好，各邊緣位置溫度出現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 懸掛式傳感器設計

3.3 溫度場數據采集系統

實驗室溫度數據利用實驗室數據采集系統。數據采集系統采用分布式系統構架，用于實驗室艙內環境參數、試驗件表面響應參數的測量以及測量數據的處理、顯示、存儲。系統主要包括傳感器、信號分配箱、數據采集終端、保溫箱、數據采集工作站等。

傳感器采用A級Pt100溫度傳感器，將實驗室溫度信號轉換成可傳輸的電信號，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據采集終端，數據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轉換為光信號，利用光纖接入實驗室墻壁的網絡接線箱并傳遞給數據采集工作站，數據采集數據流如圖3所示。

圖3 數據采集原理圖

3.4 評定實施方案

氣候環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。實驗室先進行低溫工況校準，在常溫狀態下，對實驗室進行除濕。除濕結束后，實驗室開始降溫至第一個校評定，溫度到達后，進行維持，每半小時對室內溫度進行觀測。待室內溫度穩定后，記錄該時間為穩定時間，并開始進行該溫度點的數據記錄（此過程中數據采集系統實時記錄數據），數據測試周期為1 h。實驗室開始降溫，進行下一個溫度點。由于數據采集系統采樣實時采集，可在評定結束后利用數據采集系統的采集數據對實驗室溫度性能進行計算分析。

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溫度測量結果平均值的實驗標準偏差aver；②氣候環境實驗室內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，依據每次測量所有溫度傳感器讀數平均值的分散度求得；④測量設備引入的不確定度分量inst，依據校準/檢定證書提供的最大允許誤差、準確度等級或擴展不確定度求得。

各個分量之間不相關，因此實驗室溫度性能的合成不確定度數學模型為：

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測量結果平均值的實驗標準偏差A 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測量設備引入的不確定度分量B

5 結束語

該評定方法通過氣流組織分析結果及實驗室送風結構對稱原則，將實驗室評定點數量及位置進行最優化處理，具備如下優點：①可實現超大空間實驗室溫度性能同步校準；②充分結合氣流組織分析，將校準點數量及位置進行最優化處理；③校準方法簡單便捷、投入少、經濟性佳、易于應用。

［1］王浚，黃本誠，萬才大.環境模擬技術［M］.北京：國防工業出版社，1996：5．

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

［3］王浚.我國環境模擬技術現狀與發展［J］.航空制造技術，2004（8）：49-52．

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

［5］康志茹，耿榮勤，魏曉克，等.JJF 1101—2003 環境試驗設備溫度、濕度校準規范［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，學士學位，工程師，研究方向為飛機氣候環境適應性。

〔編輯：王霞〕