CN112432279B - 大型结冰风洞洞体回路等温等压加湿控制系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大型结冰风洞洞体回路等温等压加湿控制系统及控制方法，属于结冰与防除冰试验技术领域，根据试验需求，依次启动风洞动力系统、制冷系统、高度模拟系统，使试验段气流场、温度场、壁面静压均达到设定值；同时将加湿控制系统准备好，干蒸气送抵湿度闭环控制系统；在启动喷雾系统模拟云雾场前，启动湿度闭环控制系统和多路压力闭环变结构PID控制策略，使多路蒸气从翼型喷雾排架的喷嘴等压喷出，实现水蒸气与风洞内高速流动的气流快速均匀混合，使结冰风洞洞体回路湿度快速达到设定值；再启动喷雾系统模拟云雾场，不再因为空气湿度影响云雾场的液态水含量和粒径，真实模拟结冰环境参数，提高试验结果准确性。

Description

大型结冰风洞洞体回路等温等压加湿控制系统及控制方法

技术领域

本发明涉及风洞试验领域，具体涉及到一种大型结冰风洞洞体回路等温等压加湿控制系统及方法。

背景技术

结冰风洞是研究和评估航空飞行器结冰与防除冰问题的重要特种试验设施，主要用于飞机部件和全机缩比模型的结冰试验，兼顾飞机防/除冰系统验证试验和飞行器的高空低雷诺数试验，在国民经济与国防建设方面具有重要的作用。结冰风洞试验过程中，液态水含量是云雾场重要技术指标，洞体内气流湿度直接影响液态水含量。当相对湿度过低时，喷雾系统喷出的水就会有部分蒸发，液态水含量就会降低，当过度饱和时，又会有多余的水蒸气从中凝结出来，也会直接影响液态水含量和液态水粒径，使得实际参数与试验参数不一致，不能真实模拟结冰环境参数，直接影响试验结果准确性。

而对于大型结冰风洞，特别是风洞洞体回路容积超过1万立方米的风洞，洞体回路湿度控制范围大，通常湿度要求为70～100％（-15～-20℃）或100％（-20～-40℃），风洞湿度达到设定值控制在5min以内，相对湿度控制精度为±5%；加湿系统具备完整的手动／自动控制功能，能够实现远程控制和现场手动操作。目前大型结冰风洞因为空间非常大，风洞底部与风洞顶部具有较高的高度差，导致最高点和最低点之间具有明显的压差，导致目前已有的方法进行喷雾时无法保证风洞内所有喷口喷出的压力、温度相等。

专利CN103776122B公开了一种冰风洞湿度控制方法及其专用加湿系统，提出了一种风洞加湿系统，但是该文献仅仅公开了一种理论上的方法，并没有对实际的控制方法以及如何进行实施进行记载；并且该文献中记载的内容仅仅针对小型结冰风洞，对于在结冰试验过程中的压力、温度参数并没有做出实际的要求，在本领域技术员眼中可认为仅仅属于理论的研究，并不具备工程实施参考价值，同时也无法接近上述大型风洞面临的问题。

发明内容

本发明的目的是解决目前大型结冰风洞对于风洞试验过程中需要快速的等压等温加湿的问题，针对加湿截面大，对高差不同的水平蒸气管路采用压力闭环控制，实现多路蒸气从翼型喷雾排架的喷嘴等压喷出，保证洞体回路大截面迅速、均匀、稳定加湿，使洞体回路空气湿度快速达到设定值，真实模拟结冰环境参数，保证试验结果的真实性和有效性。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种大型结冰风洞洞体回路等温等压加湿控制系统，包括设置在风洞外的水软化单元、电加热单元、水气分离单元、湿度闭环控制单元和稳压系统，各个单元之间通过管路相互连接，在水气分离单元与湿度闭环控制单元之间的管路上连接有疏水阀，

设置在风洞内的多列翼型喷雾排架和湿度传感器，所述多列翼型喷雾排架与稳压系统通过管路连接，湿度传感器的信号连接到湿度闭环控制单元；

稳压系统包括一级稳压单元和二级稳压单元：

所述一级稳压单元具有一个输入端和若干个输出端，通过调节一级稳压单元实现每个输出端的压力一致；

所述一级稳压单元的每一个输出端连接若干个二级稳压单元，每一个二级稳压单元包括一个喷雾的喷嘴和对喷嘴的压力反馈单元，压力闭环控制单元通过压力反馈单元调整每个喷嘴的压力一致。

在上述技术方案中，在每一个喷嘴的输入前端设置有开关阀，压力闭环控制单元通过每一个喷嘴上的压力反馈单元调整开关阀的开度。

在上述技术方案中，翼型喷雾排架上同一平面上、不同高度的每一个喷嘴的喷射压力一致。

在上述技术方案中，在稳压系统的输入端前依次设置湿度闭环控制单元和截止阀，所述湿度闭环控制单元与风洞内的湿度采集单元连接。

一种大型结冰风洞洞体回路等温等压加湿控制方法，包括以下步骤：

S1:在结冰风洞需要进行加湿时，将供应的水进行软化，并将软化后的水进行加热，产生带有压力的水蒸气，将水蒸气进行多次分离，通过改变水蒸气的流向分离水蒸气中所含的水滴，产生带有压力的干蒸气；

S2：根据风洞内的湿度反馈，将干蒸气输入至稳压系统内的一级稳压单元进行压力储存，在控制系统的控制下，通过一级稳压单元的输出端将干蒸气分成若干路；

S3：每一路干蒸气在压力的作用下，通过控制稳压系统输出端上阀门的开度，实现干蒸气经过多列翼型喷雾排架上的喷嘴，以相同角度均匀的等压力的喷入风洞洞体内，实现干蒸气与风洞内高速流动的气流快速均匀混合；

S4:通过湿度反馈在线监测结冰风洞内的湿度值，根据湿度值控制稳压系统和输出管路上的各个阀门开度，控制干蒸气输入的流量，确保结冰风洞内的湿度在控制精度范围内；

S5：当风洞试验停止加湿，依次关闭湿度控制信号、各个压力阀门，干蒸气在管路中冷凝后从排水管排走。

在上述技术方案中，结冰风洞的加湿包括两个过程：

准备阶段，在结冰风洞需要进行加湿前半小时开始进行供水软化，产生的干蒸气不进入风洞内，超出压力要求的干蒸气通过打开疏水阀从排水管排出；

供气阶段，关闭疏水阀，干蒸气在5分钟之内通过稳压系统和输气管路喷嘴向风洞内实现等压喷入。

在上述技术方案中，压力闭环调节采用变结构PID控制策略对喷嘴上的压力阀进行控制，所述变结构PID控制算法为：

,

其中：

为控制变量当前采样周期值，

为控制变量前一采样周期值，

为控制变量当前采样周期的偏差值，

为控制变量前一采样周期偏差值，

为PID调节比例系数，

为PID调节微分时间常数，

为比例系数的可变化率，

为微分系数的可变化率。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

针对大型结冰风洞洞体回路加湿特点，提出的二级稳压以及自动控制方法，解决了在大型风洞中喷嘴在低点与高点之间保持压力一致的难题；

针对现有风洞无法保证快速给风洞内加湿的难点，本发明可以通过循环排气、稳压的方式，实现在短时间快速的将压力一致的蒸气送到风洞内的不同位置的喷嘴上；

本发明能实现多路蒸气从翼型喷雾排架的喷嘴等压喷出，保证洞体回路大截面迅速、均匀、稳定加湿，使洞体回路空气湿度快速达到设定值，真实模拟结冰环境参数，保证试验结果的真实性和有效性。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1是结冰风洞洞体回路喷蒸气的等温加湿系统组成示意图；

图2是结冰风洞洞体回路等温加湿控制方法；

图中：1是水软化单元，2是电加热单元，3是水气分离单元，4稳压罐，5是疏水阀，6是湿度控制阀，7是湿度闭环控制单元，8是压力闭环控制单元，9是开关阀。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书（包括任何附加权利要求、摘要和附图）中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

本实施例中所述的等温等压加湿是指通过外部辅助手段给风洞内的空气实现加湿，保持风洞空气的一个相对湿度，在本实施例中，加湿的手段是采用通过对水进行加温蒸发为蒸气，通过蒸气的形式进行加湿。

请注意，本实施例中提到的含水滴的水蒸气和不含水滴的干蒸气，均是蒸气，其本质上都可以起到加湿的作用。但是因为本实施例的具体实施过程中，因为控制精度和试验的要求，水滴在结冰试验过程中会直接结冰，因此不允许在喷雾过程中含有水滴，因此本实施例对水蒸气进行脱水处理，实现不带水滴的干蒸气进行加湿。

如图1 所述，整个加湿系统由水蒸气设备、湿度闭环控制单元7、蒸气稳压罐、多排水平管路压力闭环控制装置、多排翼型喷雾排架和喷嘴等六部分组成。

水蒸气设备包括水软化单元1、电加热单元2、管路和水气分离单元3等，水软化单元1为水去离子处理装置，将输入的自来水经过软化去离子处理后，由电加热单元2进行加热，水软化和去离子处理装置、电加热蒸气锅炉相邻安装，安装在洞体外。电加热单元采用蒸气锅炉，采用自动分段循环投切加热控制策略，将软化水加热为带一定压力的水蒸气；蒸气管道将电加热蒸气锅炉的压力水蒸气输送到水气分离单元3；水气分离单元3内含带电动执行器的调节阀，将水蒸气流向经过多次改变，分离蒸气中所含的水滴，向湿度闭环控制单元7输入干蒸气。

湿度闭环控制装置根据湿度设定和洞体湿度传感器反馈，通过PID控制算法，向电动执行器发出控制信号，实时自动线性调节输出到稳压系统的蒸气流量。

稳压系统中的一级稳压单元为稳压罐4，稳压罐4具有一个输入端，输入端用于输入干蒸气，稳压罐4将干蒸气进行存储，并通过存储确保整个稳压罐4对应的若干个输出端满足输出前的压力一致性。稳压系统中的二级稳压单元为输出端上连接的压力闭环控制单元8和开关阀9，控制系统通过控制压力闭环控制单元8和开关阀9可以实现二级稳压单元上所有的输出端上每一个开关阀9最终输出的压力保持一致。使得每个水平管路进入风洞后的压力基本一致，使得多路蒸气从翼型喷雾排架的喷嘴等压喷出，实现水蒸气与风洞内高速流动的气流快速均匀混合。

以上水蒸气设备、湿度闭环控制单元7、稳压罐4、多排水平管路压力闭环控制单元8、多排翼型喷雾排架和喷嘴等均集成在湿度控制系统中，系统具有水蒸气设备监控、洞体回路湿度给定、湿度反馈、湿度闭环控制参数设置、各水平管路压力监控和压力闭环控制参数设置等功能，本地控制柜有触摸控制屏，实现本地加湿监控；湿度控制系统通过环网子交换机接入结冰风洞测控环网主干网络，远程设置监控主机，实现结冰风洞湿度本地/远程监控。

如图2所示，具体的控制流程为：

第一步, 根据试验需求，启动风洞动力系统，在试验段建立气流场；再启动制冷系统，在试验段建立温度场；在制冷系统降温过程中，同步启动高度模拟系统，使试验段壁面静压达到设定高度；待试验段气流场、温度场、壁面静压均达到设定值，再启动喷雾系统，在试验段建立云雾场，模拟飞行器在不同环境参数下的结冰特性，以及研究不同技术手段的防冰性能。以上试验流程中，在启动喷雾系统模拟云雾场前，必须保证洞体回路湿度达到设定要求，使喷雾系统喷出的水不蒸发，不降低液态水含量和粒径，使实际参数与试验参数一致。

第二步，当结冰风洞试验要求加湿时，在第一步实施过程中，同步启动加湿控制系统，将设备控制电源和电加热蒸气锅炉供电，依次启动水软化和去离子处理装置、电加热蒸气锅炉，将软化去离子水加热为带一定压力的水蒸气，水蒸气经蒸气管道、气水分离装置送抵湿度闭环控制装置前，随时为风洞加湿做好准备，此时带压力的水蒸气经过疏水阀5、排水管排出。

第三步，当试验段气流场、温度场、壁面静压均达到设定值，准备启动喷雾系统前，立即启动加湿闭环控制装置，当湿度传感器反馈低于湿度设定时，湿度闭环控制装置输出电信号，由电动执行器调节湿度控制阀6阀门开度，向蒸气稳压罐输送一定流量的干蒸气，多余的水蒸气变成冷凝水从疏水阀经过排水管排出。

第四步, 蒸气稳压罐输出连接多路水平布置的恒压蒸气管路，通过每路压力闭环调节，使同一截面不同高度水平布置的蒸气管路压力一致，再经过翼型喷雾排架进入每个喷嘴，以一定角度均匀地喷入风洞洞体内，实现水蒸气与风洞内高速流动的气流快速均匀混合，保证风洞回路湿度快速达到设定值。

多路蒸气压力闭环控制系统由一个蒸气稳压罐供气，从蒸气压力稳压罐垂直向上输出多个水平压力管路，从蒸气压力稳压罐输出时各管路压力基本一致，由于各水平压力管路依次等距相差一定高度，各管路高差导致各水平布置的蒸气管路压力不同。为保证同一截面不同高度水平布置的翼型喷雾排架每个喷嘴等压喷气，除最上层水平管路外，以下其它每个水平布置的蒸气管路设置了电动调节阀，同时在每个电动调节阀后安装压力传感器；其它各水平管路以最上层水平管路的压力传感器反馈为蒸气压力闭环控制给定，通过控制各水平管路的阀门开度实现不同高差的翼型喷雾排架的蒸气压力一致。

同时多路蒸气压力闭环控制系统为一个单输入多输出并联系统，各压力管路高差不同，但高差相对固定；各水平管路压力闭环调节时刻不同，一路压力闭环调节影响另一路压力调节，因此各水平管路压力调节存在着一定的耦合关系。各水平管路压力闭环采用变结构PID控制策略，保证输入到每排翼型喷雾排架的蒸气压力一致。

变结构PID控制策略是根据比例、微分、积分各环节各自在调节过程中的作用以及对压力闭环控制性能的影响，在调节过程的不同阶段，依据压力给定与压力反馈的偏差值变化，调节比例系数和积分系数的大小，从而提高多路压力控制系统的性能。

变结构PID控制算法如下：在比例系数和积分系数之前引入可变系数α和β。

其中：

为控制变量当前采样周期值，

为控制变量前一采样周期值，

为控制变量当前采样周期的偏差值，

为控制变量前一采样周期偏差值，

为PID调节比例系数，

为PID调节微分时间常数，

为比例系数的可变化率，

为微分系数的可变化率。

第五，当风洞试验停止加湿时，首先湿度闭环控制装置输出电信号，由电动执行器关闭湿度控制阀6阀门，蒸气稳压罐、多路蒸气管路及喷嘴的蒸气压力迅速降低至零，电加热蒸气锅炉及蒸气管路所有压力蒸气变成冷凝水从疏水阀经过排水管流走；同时加湿控制系统向水软化和去离子处理装置和电加热蒸气锅炉发出停机信号，依次停止水软化和去离子处理，自动分段断开电加热蒸气锅炉加热回路，锅炉给水泵自动停止，待水温慢慢降低，电加热蒸气锅炉及蒸气管路气压逐渐降低，直到蒸气压力为零，快速加湿控制装置停止工作。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (8)

1.一种大型结冰风洞洞体回路等温等压加湿控制系统，其特征在于从输入到喷雾之间依次包括：

设置在风洞外的水软化单元、电加热单元、水气分离单元、湿度闭环控制单元和稳压系统，各个单元之间通过管路相互连接，在水气分离单元与湿度闭环控制单元之间的管路上连接有疏水阀，

设置在风洞内的多列翼型喷雾排架和湿度传感器，所述多列翼型喷雾排架与稳压系统通过管路连接，湿度传感器的信号连接到湿度闭环控制单元，

所述稳压系统包括一级稳压单元和二级稳压单元：

所述一级稳压单元具有一个输入端和若干个输出端，通过调节一级稳压单元实现每个输出端的压力一致；

所述一级稳压单元的每一个输出端连接若干个二级稳压单元，每一个二级稳压单元包括一个实现喷雾的喷嘴和对喷嘴的压力反馈单元，压力闭环控制单元通过压力反馈单元调整每个喷嘴的压力一致。

2.根据权利要求1所述的一种大型结冰风洞洞体回路等温等压加湿控制系统，其特征在于在每一个喷嘴的输入前端设置有开关阀，压力闭环控制单元通过每一个喷嘴上的压力反馈单元调整开关阀的开度。

3.根据权利要求2所述的一种大型结冰风洞洞体回路等温等压加湿控制系统，其特征在于翼型喷雾排架上同一平面上、不同高度的每一个喷嘴的喷射压力一致。

4.根据权利要求1所述的一种大型结冰风洞洞体回路等温等压加湿控制系统，其特征在于在稳压系统的输入端前依次设置湿度闭环控制单元和截止阀，所述湿度闭环控制单元与风洞内的湿度采集单元连接。

5.一种大型结冰风洞洞体回路等温等压加湿控制方法，其特征在于包括以下步骤：

S1:在结冰风洞需要进行加湿时，将供应的水进行软化，并将软化后的水进行加热，产生带有压力的水蒸气，将水蒸气进行多次分离，通过改变水蒸气的流向分离水蒸气中所含的水滴，产生带有压力的干蒸气；

S2：根据风洞内的湿度反馈，将干蒸气输入至稳压系统内的一级稳压单元进行压力储存，在控制系统的控制下，通过一级稳压单元的输出端将干蒸气分成若干路；

S3：每一路干蒸气在压力的作用下，通过控制稳压系统输出端上阀门的开度，实现干蒸气经过多列翼型喷雾排架上的喷嘴，以相同角度均匀的等压力的喷入风洞洞体内，实现干蒸气与风洞内高速流动的气流快速均匀混合；

S4:通过湿度反馈在线监测结冰风洞内的湿度值，根据湿度值控制稳压系统和输出管路上的各个阀门开度，控制干蒸气输入的流量，确保结冰风洞内的湿度在控制精度范围内；

S5：当风洞试验停止加湿，依次关闭湿度控制信号、各个压力阀门，干蒸气在管路中冷凝后从排水管排走。

6.根据权利要求5所述的一种大型结冰风洞洞体回路等温等压加湿控制方法，其特征在于结冰风洞的加湿包括两个过程：

准备阶段，在结冰风洞需要进行加湿前半小时开始进行供水软化，产生的干蒸气不进入风洞内，超出压力要求的干蒸气通过打开疏水阀从排水管排出；

供气阶段，关闭疏水阀，干蒸气在5分钟之内通过稳压系统和输气管路喷嘴向风洞内实现等压喷入。

7.根据权利要求5-6任一所述的一种大型结冰风洞洞体回路等温等压加湿控制方法，其特征在于通过控制系统自动控制加湿管路中的各种阀门。

8.根据权利要求5-6任一所述的一种大型结冰风洞洞体回路等温等压加湿控制方法，其特征在于：压力闭环调节采用变结构PID控制策略对喷嘴上的开关阀进行控制，所述变结构PID控制算法为：

,

其中：

为控制变量当前采样周期值，

为控制变量前一采样周期值，

为控制变量当前采样周期的偏差值，

为控制变量前一采样周期偏差值，

为PID调节比例系数，

为PID调节微分时间常数，

为比例系数的可变化率，

为微分系数的可变化率。

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