CN102914416B - 一种直冷式结冰风洞实现方法及系统 - Google Patents

Abstract

一种结冰风洞实现方法，采用低温制冷气体直接冷却风洞中的试验气流，将潮湿的试验气体中的水分冷凝成液滴，得到结冰试验所需的低温水雾环境。所述低温制冷气体同时用于降低试验模型表面温度，以获得试验气流温度、液滴粒径分布和模型表面温度之间不同的参数组合，以在模型上得到不同的冰型。实现该方法的结冰风洞系统，包括风机、低温气体喷淋系统、模型冷却系统，所述低温气体喷淋系统安装在风洞试验段的上游以便将低温气体喷入试验气流；模型冷却系统与试验模型相连接以使其获得较低的表面温度。本发明具有更高的换热效率，且系统结构得以简化，既可用于直流式风洞，也可用于回流式风洞。还可用于将现有常规风洞改造为结冰风洞。

Description

一种直冷式结冰风洞实现方法及系统

技术领域

本发明属于空气动力学实验技术领域，涉及结冰风洞的实现方法及系统。

背景技术

飞机结冰是导致飞机事故的主要气象因素，因此各国飞行适航条例（包括我国CCAR25部和美国FAR25部）中均将飞机结冰作为重要的适航条例。从科学研究角度看，飞机结冰是在强对流环境下的结晶过程，是飞机空气动力学和凝聚态物理学的交叉点，因此世界各国均对飞机结冰的机理和影响开展了广泛的研究，其中利用结冰风洞在地面研究飞机结冰问题是广泛采用的研究手段和适航验证手段。

风洞是空气动力学地面设备的主流装备，其设计目的就是在一个管道中产生试验所需的气流用于测定物体周围流场的品质，以及这些物体所受到的气动力和气动热等关键参数。结冰风洞是用于测定物体在空气中结冰时，冰的形态以及流场变化的风洞。有两种类型风洞：

（一）回流式风洞：

如图1所示，回流式风洞的最大特点是风洞洞体为一个环形管道，试验气流可以在管道中循环流动。回流式风洞的优点是可以将带有动能的气流重复使用，从而达到降低风洞运行能量的目的，缺点是需要增加整流装置以保证试验段气流的流动品质，因此其建造成本较高、结构相对复杂，但运行成本低。

（二）直流式风洞：

如图2所示，直流式风洞的最大特点是风洞洞体为一个直的管道，试验气流从一端流入，从另一端流出。直流式风洞的优点是结构简单，建造成本低，缺点是耗费能量较大，运行成本较高。

结冰风洞主要用于模拟飞机在云层中的结冰过程，是研究飞机结冰的主要工具。为达到这个目的，需要在风洞中制备出与云层环境相似的环境，包括带细小液滴的水雾环境、较低的气流温度、低温气流的速度和模型表面温度。

世界目前建成在用的结冰风洞有30多座，在这些风洞中，为了达到模拟结冰环境的目的，都加装了气流冷却系统和喷雾系统—冷却系统用于降低气流温度，喷雾系统用于模拟云层中的水汽环境。目前加装的冷却系统均由压缩机和热交换器两大部分构成。气流温度用空调冷却的方式获得，水雾环境用大量雾化喷嘴喷出水雾形成。在这种方式下，需要将冷却剂管道铺设在风洞内部，在试验气流流过冷却剂管道时，通过与管壁之间的换热完成冷却过程。由于冷却剂管道对气流有扰动作用，因此需要增加稳定气流的阻尼网等装置，进一步加大气流动能的损耗。由于这个原因，传统结冰风洞结构复杂，能耗很大，建造成本和运行成本都很高。

以美国Glenn中心的结冰风洞为例，这座风洞为回流式风洞，其试验段尺寸为2.74m x1.83mx 6.1m，制冷系统采用制冷剂（氟利昂）制冷，不仅要在风洞内部设置阻力很大的热交换器用以冷却风洞内空气温度，同时需要一个大型制冷设备为制冷系统提供所需的冷量，其热交换器由两块重达850吨的板式交换器构成，喷雾系统则由1000个小型喷嘴构成的喷雾耙组成。这些设备全部放置在风洞中，大大增加了流动阻力，从而需要很高的风机驱动功率，使结冰风洞试验成为耗能很高的试验项目，结冰风洞的建造和运行成本因而也非常高。

发明内容

本发明目的在于通过改变试验气体的冷却方式，提出一种新的结冰风洞设计方法，以达到简化结冰风洞结构、提高能源利用效率，进而达到降低结冰风洞建造和运行成本的目的。

本发明的目的是这样实现的：

在风洞试验段的上游均匀喷入低温气体，通过气-气直接混合方式降低试验气流的温度，使之达到结冰试验所需的温度。当温度降低到露点以下时，空气中所含有的水分将因冷凝作用析出成为微小的液滴。由于气-气混合方式换热效率高于传统结冰风洞中采用的壁管式换热，同时气-气混合换热不需采用制冷用的管束结构，因此制冷系统的结构将大大简化，流动阻力也将大大降低。

为了控制模型表面温度，可以将试验模型设计成带中空腔体的结构形式。在试验过程中，低温氮气将被注入中空腔体以降低并控制模型表面温度。为了保证试验气流的相对湿度足够，同时为了实际产生水雾与云层中液滴粒径符合，可以在风洞中增加辅助雾化装置。

由上述说明可知，本发明通过采用新的换热冷却方式，通过冷凝作用将降低试验温度与制备结冰试验所需的水雾结合在一起，简化了结冰风洞结构，降低了低温结冰系统对风洞内气流的扰动和损耗，无疑可以降低结冰风洞的建造和运行成本。

为了最大限度降低冷却气体对试验气流的扰动，最好使用与空气分子量近似的低温氮气作为制冷气体。低温氮气由液氮气化得到，由于液氮温度接近-196℃，因此可以用较小的流量达到对空气快速制冷的目的。如果再将低温氮气的喷淋设备与风洞结构做一体化设计，比如将低温氮气的管路从风机静止叶片或中心整流锥中导入，则可以进一步降低对气流的扰动作用。

本发明为一种结冰风洞设计的新方法。将低温气体加入潮湿的试验气流，通过直接冷却的方式降低试验气流温度，并将气流中的水分冷凝成液滴，形成结冰试验所需的低温水雾环境。作为辅助手段，可增设辅助雾化系统用于调节试验气流的湿度和液滴粒径分布。

在试验过程中，通过调节试验气流温度、液滴粒径分布和试验模型表面温度的取值范围，可以在风洞试验段中形成不同的结冰试验参数组合，从而在模型上得到不同的冰型。由于氮气化学性质稳定，分子量接近空气分子量，同时市场价格不高，因此特别适用于本试验中对潮湿空气的冷却。

与现有结冰风洞设计中采用管壁式冷却相比，本发明提出的直接冷却方式具有更高的换热效率，同时系统结构设计也得到简化，可以大大降低结冰风洞的能耗和建造运行成本，既可用于直流式风洞，也可用于回流式风洞。由于增加这套系统所需的结构改动量较小，还可用于将现有常规风洞改造为结冰风洞。

附图说明

图1为回流式风洞示意图。

图2为吸气式直流风洞示意图。

图3是本发明直冷式结冰风洞原理图。

图中11.风机  12.低温气体入口  13.低温气体喷淋孔  14.收缩段  15.试验模型  16.风洞试验段

图4是直冷式结冰风洞子系统的示意图。

图中21.低温气源  22.低温气体喷淋系统  23.模型冷却系统  24.辅助雾化系统  25.风机叶片  26.风洞  27.低温气体出口  28.输气管道

图5是低温气体喷淋系统与风机一体化设计示意图。

图中31.风洞洞体  32.低温气体入口  33.低温气体喷淋孔

具体实施方式

本发明为一种结冰风洞设计的新方法，其特点是用低温气体直接冷却风洞中的试验气流，并将潮湿的试验气体中的水分冷凝成液滴，得到结冰试验所需的低温水雾环境。低温气体可同时用于降低试验模型表面温度，以获得试验气体温度、液滴粒径分布和模型表面温度之间不同的参数组合，在模型上得到不同的冰型。

进一步，试验中可以增设一个小型的辅助喷雾系统24用于改变试验气体的湿度和水雾的液滴粒径分布。

依据本发明提出的结冰风洞设计中包含低温气体喷淋系统22、模型冷却系统23、辅助喷雾系统24三个主要部分，其中低温气体喷淋系统22安装在风洞试验段16的上游，用于将低温气体喷入试验气流；模型冷却系统23用于冷却试验模型，以便获得较低的表面温度；辅助喷雾系统24安装在试验段的上游，用于调节试验水雾中液滴的粒径分布和水汽含量。

上述三个子系统中，低温气体喷淋系统22由低温气源21、输气管道28和喷淋装置27构成。低温气体流量可以用阀门进行控制，并用流量计、温度计监控冷量输入。低温气体喷嘴22用于将低温气体喷入试验气流，其基本结构与常规气体喷嘴相同，实际设计中要注意与试验气流速度相匹配，以免对气流造成过大的扰动，比如可以将低温气体管道埋设在风机的静止叶片或中心整流锥内部。

模型冷却系统由低温气源21、输气管道28和带中空气室的试验模型15构成。这里的低温气源可以与低温气体喷淋系统共用一个气源，也可以使用独立的气源。由于模型冷却需要的冷量较低，低温模型冷却系统也可以采用其它冷却方式进行冷却。在采用低温气体直接冷却的方式时，模型中的中空气室需要根据模型的结构进行设计，以保证模型表面能够得到有效的冷却。中空气室有低温气体的入口和出口，以便在冷量消耗以后补充新的低温气体。

辅助喷雾系统24为独立系统，由水泵和雾化喷嘴构成。水泵将水推入雾化喷嘴并提供背景压强，然后由雾化喷嘴将液态水雾化后喷入试验气流，最后在模型上结冰，多余的水则由排水管路排出风洞。

本发明采用低温气体冷却试验气流的方式，将空气中的水分冷凝成微小的雾滴，并同时达到降低试验气流温度的目的。

采用低温气体调节试验模型表面温度，达到控制结冰条件的目的。

将低温气体喷淋系统22与风机11静止叶片或中心整流锥做一体化设计，以达到减小气流阻力的目的。

采用辅助喷雾系统调节水雾中液滴粒径分布和含量，从而获得结冰所需的试验条件。

实施例1.小型直流式结冰风洞

对于小型直流式风洞，假设风洞试验段尺寸是0.15x0.15x0.30m，风洞来流速度为8m/s，流量为0.18m³/s，温度为5℃，试验所需气流温度为-5℃。在本例中，低温气体采用低温氮气。低温氮气从液氮罐中输出气化后由于管道的冷量损失，温度由-196℃升高到-193℃，同时假定低温氮气从喷淋系统中进入风洞时速度与试验气流相同，则所需要导入的低温氮气流量约为0.01m³/s，仅占试验气流总量的1/18左右。

直流式风洞根据风机位置的不同又可分为吹气式风洞和吸气式风洞两个大类。吹气式风洞的风机安装在试验段的上游，气流被风机吹入试验段完成试验。吸气式风洞的风机安装在试验段的下游，气流在风机的抽吸作用下从进风口流入风洞，再从另一端吹出风洞。

图3中的直流式风洞为吹气式风洞。在设计吹气式风洞时，通常将电动机放置在中心锥内。为了减小中心锥对试验气流的扰动，中心锥通常设计成一个流线型的锥体。锥体的后半部通常为中空锥体。本实施案例将中空锥体改造为低温气体的喷淋装置，喷淋装置的结构类似于淋浴喷头，包括腔体和多个喷孔。低温气体注入中心锥体后再由喷孔喷出。通过调节低温气源的压强可以控制喷孔的喷气速度和流量。辅助雾化喷嘴可以与中空锥体做一体化设计，在本例中我们采用单一喷嘴，并将喷嘴设置在中心锥的中心处，以便喷出的水雾能均匀地分布在气流的中心区域。

实施例2.小型回流式结冰风洞

假设本例所述小型回流式结冰风洞与案例1中的直流式风洞的试验段尺寸相同，即为0.15x0.15x0.30m，同时试验气流速度相等，即同样为8m/s，流量为0.18m³/s，温度为5℃，试验所需气流温度为-5℃，则由于回流式风洞中的低温气流可以重复使用，也就是说注入到试验气流中的冷量会被重复利用，因此在试验气流降低下来后，每次补入的冷量仅为由于设备热损失失去的冷量，所以可以预计在回流式风洞中，需要使用的低温气体流量更小，也就是小于0.01m³/s。

在结构设计上，低温气体喷淋装置和辅助雾化系统在一体化设计后，设置在试验段的上游。

实施例3.大型回流式结冰风洞

以美国Glenn中心大型结冰风洞的几何和试验参数为参照，假设试验段尺寸为2.7x1.8x6m，最大风速为179m/s，最低温度为-40℃，全年可以在-25℃条件下进行试验。假定试验时室内温度为10℃，试验风速为100m/s，试验温度为-25℃，试验气流稳定后假定有2%的冷量泄漏，则其试验气流的流量为486m³/s。在启动时需要的冷量约为21000J/s，用于冷却的氮气流量为100m³/s，稳定后需要的氮气流量为2m³/s。风洞总长度约为70米，假设用1秒时间完成启动时的冷却过程（即冷气围绕风洞跑一圈），则启动时需要消耗150升液氮，稳定运行过程中每秒消耗液氮3升液氮，试验持续10分钟的话总共消耗液氮1800升液氮。以目前液氮市价3元/升计算，则启动和完成一个10分钟的结冰试验总共需要消耗1950升液氮，约合人民币5850元。对于这样一个大型结冰风洞来说，这是相当节省的。需要提醒的是，上述计算中给了足够的余量，实际的热消耗应小于2%，并且结冰试验如果连续进行的话，则只要启动一次就可以进行多次试验，费用还会大大降低。

本发明将传统结冰风洞设计中的冷却方式做了修改，改为气-气直接混合方式进行冷却，从而可以大大提高了换热效率，并简化了结冰风洞设计，对于提高试验的能源利用效率、降低试验成本有实际意义。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种结冰风洞实现方法，其特征在于：

采用低温制冷气体直接冷却风洞中的试验气流，将潮湿的试验气体中的水分冷凝成液滴，得到结冰试验所需的低温水雾环境；

所述低温制冷气体同时用于降低试验模型表面温度，所述试验模型采用带中空腔体的结构形式，在试验过程中，通过往该中空腔体中注入低温制冷气体以降低并控制模型表面温度，以获得试验气流温度、液滴粒径分布和模型表面温度之间不同的参数组合，以在模型上得到不同的冰型。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：还包括改变试验气流的湿度和水雾的液滴粒径分布的步骤。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述步骤是通过在风洞中增设辅助喷雾系统来实现的。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：采用与空气分子量相近的气体作为制冷气体以降低低温制冷气体对试验气流的扰动。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述低温制冷气体是由液氮气化得到的低温氮气。

6.实现权利要求1所述的方法的结冰风洞系统，包括风机，其特征在于：还包括：低温气体喷淋系统、模型冷却系统，所述低温气体喷淋系统安装在风洞试验段的上游以便将低温气体喷入试验气流；模型冷却系统与试验模型相连接以使其获得较低的表面温度。

7.根据权利要求6所述的结冰风洞系统，其特征在于：所述低温气体喷淋系统由低温制冷气体气源、输气管道和喷淋装置构成，该输气管道上设置有阀门以对低温制冷气体的流量进行控制，设置有流量计、温度计以监控冷量输入；或，

模型冷却系统由低温制冷气体气源、输气管道和带中空气室的试验模型构成。

8.根据权利要求6所述的结冰风洞系统，其特征在于：所述低温制冷气体气源与低温气体喷淋系统共用一个气源或分别使用独立的气源；或，所述中空模型的气室设置有低温气体的入口和出口以便在冷量消耗以后补充新的低温气体；或，将冷气系统与风机作为一体化结构以减小流动阻力；如将低温气体管道埋设在风机的静止叶片或中心整流锥内部。

9.根据权利要求6所述的结冰风洞系统，其特征在于：还包括

调节试验水雾中液滴的粒径分布和水汽含量的辅助喷雾系统，其雾化喷嘴设置在试验段的上游。

10.根据权利要求9所述的结冰风洞系统，其特征在于：

所述辅助喷雾系统为独立系统，由将水推入雾化喷嘴并提供背景压强的水泵和将液态水雾化后喷入试验气流的雾化喷嘴构成。