CN115900117B - 一种结冰风洞热流场用换热器、均匀性控制装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明适用于结冰风洞技术领域，提供了一种结冰风洞热流场用换热器、均匀性控制装置及方法，该换热器包括至少一组换热组集；换热组集包括多个沿垂直方向排列的换热单元，每个换热单元的进液口和回气口分别设置有进液调节阀和回气调节阀，进液调节阀距结冰风洞地面的高度为安装高度，沿多个安装高度由高到低的排列方向，对应的多个进液调节阀的开度呈下降趋势；当具有两组及两组以上换热组集，位于同一安装高度的进液调节阀的开度相同。通过垂直排列换热单元，控制进液调节阀的开度，减小了进液流量分布不均、进液高度不同对蒸发压力的影响，减小了换热器自身结构对其出口热流场均匀性的影响，提高热流场的均匀性。

Description

一种结冰风洞热流场用换热器、均匀性控制装置及方法

技术领域

本发明属于结冰风洞技术领域，具体涉及一种结冰风洞热流场用换热器、均匀性控制装置及方法。

背景技术

结冰风洞是开展飞行器结冰特性研究和防除冰系统性能验证的重要基础设施，是飞机型号研制中开展适航认证的必要手段。热流场品质是评价结冰风洞试验能力的重要技术指标，美国联邦航空管理局FAA及欧洲航空安全局EASA均发布了关于结冰风洞热流场场品质以及开展适航认证的热流场模拟技术指标要求，包括热流场均匀区域的面积大小、热流场温度均匀性、热流场动态稳定性。

制冷系统作为结冰风洞重要子系统之一，用于风洞热流场控制，调节结冰风洞气流温度，制冷系统主要由螺杆压缩机组、换热器、蒸发式冷凝器、氨储液器和低压循环桶组成，采用氨（R717）作为制冷工质。系统换热器安装于风洞的换热器段，运行经验表明，风洞试验段热流场品质与换热器出口气流温度均匀性、均匀区域面积及换热器热力学性能直接相关。

当前，公布号为CN114353363A，专利名称为一种结冰风洞换热器出口气流温度控制系统及方法的中国发明专利给出了一种热流场温度控制方法，该方法能够快速实现换热器出口气流温度快速、精确、稳定的控制，有助于提高风洞温度控制品质。

但在实际运行中，对于高风速、高真空试验工况下，发现即使是采用上述控制方法调节热流场温度，但是气流温度依旧存在不均匀的情况，纵然换热器出口气流在到达试验段入口之前会进行热交换，气流温度均匀性有所改善，然而最后试验段流场的均匀性依旧存在问题。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种结冰风洞热流场用换热器、均匀性控制装置及方法，通过垂直排列换热单元，控制进液调节阀的开度，减小了进液流量分布不均、进液高度不同对蒸发压力的影响，减小了换热器自身结构对其出口热流场均匀性的影响，提高热流场的均匀性。

本发明是这样实现的：

一种结冰风洞热流场用换热器，该换热器包括至少一组换热组集；换热组集包括多个沿垂直方向排列的换热单元，每个换热单元的进液口和回气口分别设置有进液调节阀和回气调节阀，进液调节阀距结冰风洞地面的高度为安装高度，沿多个安装高度由高到低的排列方向，对应的多个进液调节阀的开度呈下降趋势；当具有两组及两组以上换热组集，位于同一安装高度的进液调节阀的开度相同；通过垂直排列换热单元以及调节开度的大小，来协调由于换热器结构以及进液流量不均、进液高度不同对换热单元内部蒸发压力的影响，从而提高换热器出口热流场的均匀性，实现换热器出口气流温度的均匀控制，有助于提高结冰风洞提高整体热流场的品质。

进一步的，每个换热单元的下游出风口均设置有至少两个温度传感器；至少两个温度传感器沿第一方向间隔设置，第一方向为结冰风洞的宽度方向；通过温度传感器来获取换热单元的出口温度，设置多个温度传感器，并将温度传感器间隔设置，便于测量换热单元不同位置的温度，便于对热流场均匀性的控制。

进一步的，每组换热组集内的换热单元的迎风面均位于同一平面。

进一步的，当具有两组及两组以上换热组集时，所有换热组集的迎风面均平行设置，避免换热组集之间的相互影响。

本发明还提供了一种结冰风洞热流场均匀性控制装置，其包括本发明提供的一种结冰风洞热流场用换热器，还包括压缩机、冷凝器、储液罐、制冷剂屏蔽泵、低压循环桶、控制器和上位机，压缩机依次连接冷凝器、储液罐和低压循环桶，低压循环桶设置于压缩机和换热器之间，制冷剂屏蔽泵设置于低压循环桶和换热器之间；压缩机的吸气端设置有吸气压力传感器；控制器连接压缩机；上位机连接回气调节阀和控制器；换热器设置于结冰风洞中。

本发明还提供了一种结冰风洞热流场均匀性控制方法，利用上述结冰风洞热流场均匀性控制装置实现，具体控制步骤如下：

S1：获取试验工况下的换热器目标出口温度T0，根据T0获取试验工况下的换热器出口温度T1以及T1对应的压缩机目标吸气压力P1，使得T1与T0满足以下关系式：T0-T1>ΔT1，设置换热单元的目标出口温度为Tin，令Tin=T0，其中，ΔT1表示预设的T0和T1之间的差值，Tin表示第n个换热单元的目标出口温度，n=1，2，3，......，N，N表示换热单元的总数；

S2：获取压缩机的实际吸气压力PA，并将PA调整到满足以下关系：|PA-P1|≤ΔP，其中，ΔP为预设压力变化值；

S3：压缩机运行预定时间后，调节进液调节阀和回气调节阀的开度，使得在同一换热组集内，所有换热单元的进液调节阀的开度沿第二方向减小，所有换热单元的回气调节阀的开度相同，第二方向是指在同一换热组集内多个进液调节阀的安装高度由高到低的排列方向；

S4：开启制冷剂屏蔽泵对换热器供液；

S5：获取所有换热单元实际出口温度TAn，其中，TAn表示第n个换热单元的实际出口温度；

S6：比较所有TAn与T0的大小，若所有TAn均满足预设条件，执行S7，若不满足，则增大ΔT1，并返回S1；

S7：若|TAn-T0|>ΔT2，则调节对应回气调节阀的开度，使得所有TAn均满足以下关系：|TAn-T0|≤ΔT2，其中，ΔT2为预设的TAn和T0之间的差值，且ΔT2<ΔT1。

进一步的，每个换热单元的下游出风口均设置有至少两个温度传感器；至少两个温度传感器沿第一方向间隔设置，第一方向为结冰风洞的宽度方向；温度传感器与上位机连接；在步骤S5中，根据需要的热流场均匀面积范围，将位于热流场均匀面积范围内，以及距该范围边沿距离小于规定距离且位于该范围外的温度传感器形成待选温度传感器组，选择位于待选温度传感器组中的温度传感器获取所有换热单元实际出口温度TAn；通过选择的不同位置的温度传感器，控制热流场均匀面积。

进一步的，在步骤S5中，当待选温度传感器组内包含同一换热单元的至少两个温度传感器，则选择待选温度传感器组中属于同一换热单元的任一温度传感器的检测值作为TAn，或者选择待选温度传感器组中属于同一换热单元的至少两个温度传感器的检测平均值作为TAn。

进一步的，在步骤S6中，预设条件是指：T0-TAn≥ΔT1。

进一步的，在步骤S7中，当TAn-T0>ΔT2，调高对应换热单元的回气调节阀开度；当T0-TAn>ΔT2，调低对应换热单元的回气调节阀开度；当-ΔT2≤T0-TAn≤ΔT2，保持对应换热单元的回气调节阀开度。

本发明的有益效果是：

本发明通过上述设计得到的一种结冰风洞热流场用换热器、均匀性控制装置及方法具有如下有益效果：

1、本发明中，通过将换热器设置为多个换热单元，通过垂直排列换热单元，并控制每个换热单元的进液量，减小了由于换热单元的进液流量分布不均、进液高度不同对蒸发压力造成的影响，从而避免了换热器自身结构对其出口热流场均匀性的影响，提高换热器出口热流场的品质。

2、本发明中，各换热单元回气阀开度独立可控，实现了单元内换热压力、换热量独立调节，避免不同换热单元外部工况不同导致换热单元出风温度存在差异的情况，提高了风洞热流场均匀性；利用换热单元内容积小、压力受回气调节阀开度影响大的特性，通过实时控制回气调节阀的开度，实现对换热器内部蒸发压力和单元冷量的快速调节，能够快速控制热流场温度，提高风洞试验效率。

3、本发明中，在热流场均匀性控制的初始阶段调节压缩机的吸气压力，使得该压力能够达到的换热器出口温度整体是小于目标温度的，便于后续利用调节阀来对换热单元的出口温度进行调节，便于热流场整体均匀性的调节和控制。

4、本发明中，在同一换热单元的出风口设置至少两个温度传感器，并且其中有至少两个温度传感器间隔设置，使得操作者能够根据需要选择合适位置的温度传感器，从而控制热流场均匀面积大小，提高对热流场均匀性控制的灵活性，同时，多个温度传感器能够提高检测的准确性，利用多个温度传感器的检测均值能够避免单个温度传感器检测出错的情况，提高热流场均匀性控制的准确性。

5、本发明中，设置进液调节阀、回气调节阀为独立控制的结构，为结冰风洞实现可控的不均匀热流场提供了硬件基础，通过对进液调节阀、回气调节阀的开度控制，根据试验需求，认为使得结冰风洞单个或者多个区域温度与其他区域不同，拓宽了结冰风洞试验能力范围。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施方式提供的换热器整体结构图；

图2是本发明实施方式提供的温度传感器分布图；

图3是本发明实施方式提供的控制装置运行流程图；

图4是本发明实施方式提供的换热器内多个换热单元的连接示意图；

图5是本发明实施方式提供的压缩机控制流程图；

图6是本发明实施方式提供的回气调节阀控制流程图；

图7是本发明实施方式提供的PID控制流程图。

附图标记说明：

1-换热器，2-换热单元，3-压缩机，4-冷凝器，5-储液罐，6-制冷剂屏蔽泵，7-低压循环桶，8-温度传感器，9-吸气压力传感器，10-进液调节阀，11-回气调节阀。

具体实施方式

以下的说明提供了许多不同的实施例、或是例子，用来实施本发明的不同特征。以下特定例子所描述的元件和排列方式，仅用来精简的表达本发明，其仅作为例子，而并非用以限制本发明。

结冰风洞试验中，为准确开展大量相关飞行器的部件以及整机的试验，对结冰风洞内部的热流场均匀性要求较高；对于不同结构、不同形状的部件而言，对于热流场均匀性的要求也不同；申请人在实践中发现，通常情况下，采用背景技术中的控制方法控制温度，能够顺利开展结冰试验，然而，对于高风速、高真空试验工况下，采用上述控制方法得到的热流场，其均匀性并不能满足《结冰风洞校准与验收》（ARP5905）中关于结冰风洞热流场均匀性要求，限制了风洞试验能力范围；影响热流场均匀性的核心部件为换热器，结冰风洞中，换热器一般是采用垂直布置，在高风速、高真空度情况下，其出口温度的不均匀性较大；对此，申请人仔细研究该现象，多次重复试验，大量分析研究，最终发现换热器出口气流热流场不均匀是由于换热器本身的结构、以及换热器内部氨液分配不均导致的；此外，由于换热器与试验模型之间流道存在其他热源，部分情况下，即使换热器出口热流场均匀，因气流运动中与其他热源进行换热，导致最终到达试验段的模型区域气流热流场不均匀现象；因此，申请人仔细研究后提供了一种结冰风洞热流场用换热器、一种结冰风洞热流场均匀性控制装置以及控制方法，以解决上述问题。

实施例1

本实施例提供了一种结冰风洞热流场用换热器，结合图1和图2所示，该换热器1包括至少一组换热组集；每组换热组集均包括多个沿垂直方向排列的换热单元2，每个换热单元2的进液口和回气口分别设置有进液调节阀10和回气调节阀11，进液调节阀10距结冰风洞地面的高度为安装高度，沿多个安装高度由高到低的排列方向，对应的多个进液调节阀10的开度呈下降趋势；当具有两组及两组以上换热组集，位于同一安装高度的进液调节阀10的开度相同。

设置多个换热单元2，利用换热单元2内容积小，内部压力受到回气调节阀11开度影响大的特性，可以通过实时调节回气调节阀11的开度，对换热单元2内部压力进行控制，快速对换热单元2的换热量进行控制，调整换热单元2的出口温度，能够快速控制热流场温度，提高风洞试验效率。

将多个换热单元2垂直排列，并对每个换热单元2的进液调节阀10的开度做出控制，可以均匀不同换热单元2的进液流量，并且可以减少由于不同高度导致的换热单元2进液重力造成的入口压力区别，减小不同单元内部液体蒸发压力差值，提高各换热单元2内部液体蒸发压力的一致性，从而多个换热单元2出口气流温度的均匀性。

每个换热单元2的下游出风口均设置有至少两个温度传感器8；至少两个温度传感器8沿第一方向间隔设置，第一方向为结冰风洞的宽度方向，换热器1直接放置在结冰风洞中进行使用，通过在第一方向上的不同温度传感器8测得结冰风洞宽度方向上的温度数值，而通过测得不同换热单元2的温度传感器8数值则可得到结冰风洞高度方向上的温度数值。

一个换热单元2的温度传感器8数量一般都是大于等于两个的，并且其中至少要有两个温度传感器8间隔设置，便于测得换热单元2不同位置的温度，为后续的热流场均匀性控制提供基础。

对同一组换热组集而言，同组换热组集内的换热单元2的迎风面均位于同一平面，当具有两组及两组以上换热组集时，所有换热组集的迎风面均平行设置，避免不同换热组集内的出风方向交叉，扰动气流。

作为优选实施例，本实施例提供的换热器1由八个椭圆管翅片式换热单元2组成，换热单元2根据其供液方式分为左右两组换热组集，两组换热组集错排安装于风洞内，换热器1布置图如图1所示，同组换热组集的四个换热单元2从下往上依次安装同组换热组集的四个换热单元2的迎风面在同一平面，同组换热组集的四个换热单元2共用一根进液管道和一根回气管道，组内换热单元2进液/回气接口并联连接在组进液/回气管道上，换热器1的总进液/回气管道并联于换热组集进液/回气管道上，每个换热单元2进液管道设有进液调节阀10、回气管道设有回气调节阀11用于进液和回气控制；在其他实施例中，还可设置三组以及三组以上的换热组集。

实施例2

本实施例提供了一种结冰风洞热流场均匀性控制装置，结合图3和图4所示，包括实施例1中提供的结冰风洞热流场用换热器1，还包括压缩机3、冷凝器4（蒸发式冷凝器）、储液罐5（高压储液罐）、制冷剂屏蔽泵6、低压循环桶7、控制器和上位机，压缩机3依次连接冷凝器4、储液罐5和低压循环桶7，低压循环桶7设置于压缩机3和换热器1之间，制冷剂屏蔽泵6设置于低压循环桶7和换热器1之间；压缩机3的吸气端设置有吸气压力传感器9；控制器连接压缩机3；上位机连接回气调节阀11和控制器；换热器1设置于结冰风洞中。

作为优选实施例，在本发明中，采用氨作为制冷剂，在其它实施例中也可以采用其它制冷剂，氟利昂制冷剂（比如：R12、R11、R114、R113、R22、R13、R14等）、饱和碳氢化合物制冷剂（比如：甲烷（R50）、乙烷为（R170）、丙烷（R290）、丁烷（R600）、异二氟乙烷（R152a）和异丁烷（R601）等）、共沸制冷剂和非共沸制冷剂等。

对此，制冷剂屏蔽泵6选型时采用氨屏蔽泵，在输送氨液的过程中保障氨液无泄漏稳定的运输工况。具体的，本实施例中，压缩机3出口依次连接蒸发式冷凝器、高压储液罐、低压循环桶7、氨屏蔽泵、进液调节阀10、换热器1、回气调节阀11、低压循环桶7再回至压缩机3的吸气端。另外，为实现本系统的控制，上位机连接回气调节阀11、吸气压力传感器9和压缩机3控制器，操作者可以在上位机上进行工况输入，从而控制回气调节阀11开度以及控制压缩机3的运行工况。

作为优选实施例，在换热单元2的下游出风口处设置温度传感器8，获取换热单元2的出口温度，每个换热单元2的下游出风口均设置有至少两个温度传感器8；至少两个温度传感器8沿第一方向间隔设置，第一方向为结冰风洞的宽度方向，温度传感器8和换热器1均设置在结冰风洞内，其他设备安装在制冷厂房内部，温度传感器8也与上位机连接；并且换热器1出口温度传感器8布置于换热器1出口1米以上处并位于换热单元2截面中心对应点；该位置最能反应出风洞环境与真实的飞行环境。

工作时，氨屏蔽泵将低压循环桶7中过冷氨液增压输送至换热器1入口主管路，主管路氨液通过换热器1进液调节阀10进行减压及流量调节后由分液器分配至换热器1的多个换热单元2中。换热器1内氨液吸热蒸发成饱和氨蒸汽，换热单元2出口回气调节阀11根据换热单元2出口气流温度反馈，通过回气调节阀11的开度调节实现换热单元2内氨液蒸发压力控制，从而实现换热单元2出口气流温度满足风洞实验需要。氨气通过回气调节阀11后汇入回气管道，回气管道连接至低压循环桶7。压缩机3从低压循环桶7中吸入低温低压氨气，经压缩形成高温高压氨气送入厂房顶部的蒸发式冷凝器4中。高温高压的氨气在蒸发式冷凝器4中被冷凝液化成高压氨液，氨液在重力作用下流入高压储液罐5中。高压储液罐5中的氨液通过节流阀补充至低压循环桶7中，保持低压循环桶7液位稳定。上位机软件用于解算试验工况目标温度对应的压缩机3吸气压力、压缩机3增减载控制、进液回气阀门开度控制、氨泵等设备的启停控制。

低压循环桶7设置在压缩机3和换热器1之间，其功能是保证充分向氨屏蔽泵供应低压氨液，同时也起到了氨液分离器的作用，使向压缩机3吸气端流去的是气态氨工质；防止液体流入压缩机3的吸气端而导致液击现象，损坏压缩机3。低压循环桶7主体为圆柱形筒体及上、下两端与两只椭圆形封头焊接成一体所组成，筒体上部两个侧面分别有进气、出气接管一个，在筒体中部有供液接管，靠近下封头的筒体侧面有出液管，此出液管在系统中与氨屏蔽泵相连，上封头装压力表与安全阀、下封头底部有放油阀。筒侧设有浮球阀（或者液位控制器）上下二接管。

在本发明中，所述压缩机3的吸气端设置吸气压力传感器9，其目的在于实时监测压缩机3的吸气压力并反馈至上位机，上位机通过该实时反馈的吸气压力和输入的工况值进行比较，最终控制压缩机3进行增减载；具体的控制方法请参见下一实施例。

实施例3

本实施例提供了一种结冰风洞热流场均匀性控制方法，使用实施例2中提供的控制装置，结合图5、图6和图7所示，具体控制步骤如下：

S1：获取试验工况下的换热器1目标出口温度T0，根据T0获取试验工况下的换热器1出口温度T1以及T1对应的压缩机3目标吸气压力P1，使得T1与T0满足以下关系式：T0-T1>ΔT1，设置换热单元2的目标出口温度为Tin，令Tin=T0，其中，ΔT1表示预设的T0和T1之间的差值，Tin表示第n个换热单元2的目标出口温度，n=1，2，3，......，N，N表示换热单元2的总数。

换热器1出口温度T1是指所有换热单元2出口温度的一个均值，T1是根据T0确定的，获取T1的数值后，即可根据基于氨物性拟合函数（蒸发温度-饱和蒸发压力）计算试验工况目标温度T1对应的氨饱和蒸发压力P1＇，从而获取P1，其中，P1=P1＇+ΔP＇，ΔP＇为压力变化经验值，在实际操作中，ΔP＇基于换热器1出口管道压力损失及历史温度控制经验，ΔP＇在实际实验操作中，通过实验反复模拟，ΔP＇经验设置为0.3bar；该差值在上位机软件中可以根据工况进行修改。

初始设置的T1就要小于T0，这是为了后续对热流场进行均匀性控制时，能够顺利将各个换热单元2的出口温度调节到其对应的目标温度，本实施例中，每个换热单元2的目标出口温度均与T0相等，ΔT1一般设置为1℃，该数值为经验数值，可根据实际情况进行修改。

S2：获取压缩机3的实际吸气压力PA，并将PA调整到满足以下关系：|PA-P1|≤ΔP，其中，ΔP为预设压力变化值；具体而言，上位机根据压缩机3吸气端吸气压力传感器9的吸气压力反馈值获取PA。

当PA-P1>ΔP、压缩机3当前能级<η，压缩机3控制器将控制压缩机3执行压缩机3增载操作，进而增大压缩机3吸气流量、降低压缩机3吸气压力；当P1-PA>ΔP、压缩机3当前能级>2%，压缩机3减载，减少吸气流量、提高吸气压力；当-ΔP≤PA-P1≤ΔP，压缩机3能级保持。

实际操作中，ΔP一般设置为0.05bar，ΔP可以通过上位机预设其并非为特定的参数，可以通过上位机进行修改，ΔP过大压缩机3吸气压力控制精度低，ΔP过小压缩机3增减载动作频繁，系统稳定性变差；能级上限η一般设置为90%，η可以通过上位机预设也可在线修改，考虑到制冷系统压缩机3使用年限长，性能下降，部分工况压缩机3能级过大时容易出现过流或过压停机现象，影响试验开展，根据机组实际性能，差异化设定每台机组能级上限η，可以有效解决机组增载时异常停机影响试验情况。

S3：压缩机3运行预定时间后，调节进液调节阀10和回气调节阀11的开度，使得在同一换热组集内，所有换热单元2的进液调节阀10的开度沿第二方向减小，所有换热单元2的回气调节阀11的开度相同，所述第二方向是指在同一换热组集内多个进液调节阀10的安装高度由高到低的排列方向。

能级限定设置能有效避免试验中压缩机3故障停机对试验开展的影响，保证试验连续性，换热器1蒸发压力和低压循环桶7的2级压力控制结构，实现了压力控制解耦，低压循环桶7压力波动不会传导至换热器1内，系统内压力控制稳定性更好，风洞热流场控制的稳定性得到提高。

具体操作中，一般是在压缩机3开机3分钟后，调节进液调节阀10和回气调节阀11的开度，同一换热组集内，回气调节阀11的开度均设置在50%左右，若回气阀开度设置过大，则在降温阶段不利于氨泵建立压差，会导致氨泵停机；若回气阀开度设置过小，会导致热流场均匀性控制阶段回气调节阀11可调节裕量小，不利于换热器1出口热流场均匀性控制，若是设置有多组换热组集，则不同换热组集内的回气调节阀11的开度可相同，也可根据具体结构做出差异化设置。

实际实施中，同一换热组集内，第二方向是指由上到下的方向，进液调节阀10的开度从上往下依次减小，差异化的开度设置一是可以是不同换热单元2进液流量更加均匀，二是可以减少不同高度换热单元2氨液重力导致的入口压力差别，减小不同换热单元2内部氨液蒸发压力差值，提高各换热单元2内部氨液蒸发压力一致性，从而提高整体换热器1出口气流温度均匀性，结合图1所示，进液调节阀10的开度从上往下依次减小，分别为10%、8%、6%、5%，该数值均为经验值，可根据工况具体调节。

S4：开启制冷剂屏蔽泵6对换热器1供液，启动风洞风扇电机及高度模拟系统，控制风洞内风速及模拟高度，气流流过换热器1表面进行换热，实现风洞降温；

S5：获取所有换热单元2实际出口温度TAn，其中，TAn表示第n个换热单元2的实际出口温度；

本实施例中，选择温度传感器8获取换热单元2的实际出口温度，温度传感器8按照实施例2中布置方式进行布置，在步骤S5中，根据需要的热流场均匀面积范围，将位于该热流场均匀面积范围内，以及距该范围边沿距离小于规定距离且位于该范围外的温度传感器8形成待选温度传感器组，获取换热单元2实际出口温度时，选择位于该待选温度传感器组中的温度传感器8获取所有换热单元2实际出口温度TAn。

需要注意的是，在待选温度传感器组中选择温度传感器8获取对应的换热单元2目标出口温度时，选择的温度传感器8需要覆盖所有的换热单元2，避免遗漏某个换热单元2，缺失实际出口温度，从而导致进行均匀性调节时一直不能够调节完成；另外，上述的规定距离是一个实际的距离数值，可根据精度需求调大或者调小该数值，从而确定待选温度传感器组的范围。

在步骤S5中，当所述待选温度传感器组内包含同一换热单元2的至少两个温度传感器8，则选择待选温度传感器组中属于同一换热单元2的任一温度传感器8的检测值作为TAn，或者选择待选温度传感器组中属于同一换热单元2的至少两个温度传感器8的检测平均值作为TAn，利用平均值，能够提高检测的准确性，利用多个温度传感器8的检测均值能够避免单个温度传感器8检测出错的情况，提高热流场均匀性控制的准确性。

作为优选实施例，温度传感器8的布置方式可如图2所示，每组换热单元2均设置有三个温度传感器8，三个温度传感器8均匀设置在换热单元2的出口气流沿第一方向的中心线上，且均匀间隔设置，距换热单元2的距离为1.5米，此处距离是指沿结冰风洞长度方向的距离，在图2中，温度传感器8以N#TTM指代，N#TTM表示第N个换热单元2的第M个传感器，N：1-8；M：1-3。

作为优选实施例，结合图2所示，若试验要求热流场均匀面积大，可选择位于四周的温度传感器8(NTT1、N为1-8)作为反馈；若试验要求的热流场均匀面积小，可以选择位于内部的温度传感器8(NTT3、N为1-8)作为反馈；一般无特殊要求，选择中间的温度传感器8(NTT2、N为1-8)作为反馈。

S6：比较所有TAn与T0的大小，若所有TAn均满足预设条件，执行S7，若不满足，则增大ΔT1，并返回S1；

在步骤S6中，所述预设条件是指：T0-TAn≥ΔT1，当所有TAn均满足上述条件后，方才可以开始调节回气调节阀11的开度，进入均匀性控制过程。

S7：若|TAn-T0|>ΔT2，则调节对应回气调节阀11的开度，使得所有TAn均满足以下关系：|TAn-T0|≤ΔT2，其中，ΔT2为预设的TAn和T0之间的差值，且ΔT2<ΔT1，ΔT2一般设置为0.2℃。

在步骤S7中，当TAn-T0>ΔT2，调高对应换热单元2的回气调节阀11开度；当T0-TAn>ΔT2，调低对应换热单元2的回气调节阀11开度；当-ΔT2≤T0-TAn≤ΔT2，保持对应换热单元2的回气调节阀11开度；为避免回气调节阀11关死导致换热单元2内压力陡升带来的安全问题，回气调节阀11最小开度限定为5%。

在S7进行调节时，每个换热单元2的实际出口温度是相互关联的，容易出现相互影响的情况，因此，本实施例会将初始温度设置的比目标温度T0小，在均匀性调节过程中，能够快速调节完成。

具体实施中，采用n个PID控制器控制每个模块出口阀门开度，PID调节周期为1s，PID控制器的调节过程如图7所示，其中，e(t)=T0-TAn。

此外，本发明提供的这种进液、回气独立可控的结构，还为风洞实现可控的不均匀热流场提供了硬件基础，通过单元的进液、回气阀门开度控制，可以根据试验需要，人为使风洞单个或多个区域温度与其它区域不同，拓宽了风洞试验能力范围；同时，通过其差异化控制每个换热单元2的出风温度，还能够解决因换热器1与试验模型之间流道存在其他热源而导致试验段热流场不均匀的问题，进一步提高结冰风洞热流场均匀性品质。

由于采用压缩机3吸气压力和换热器1蒸发压力两级压力闭环控制方式，将氨蒸发压力与吸气压力控制相解耦，简化了控制过程。压缩机3用于风洞降温过程中，气流温度接近初始设置温度之前的系统压力粗调。气流温度接近初始设置温度时，利用换热单元2出口调节阀（回气调节阀11）动作快特性快速调节出气阀开度，调整换热单元2出口氨气流量改变换热器1内氨液蒸发压力，进行温度稳态控制精调。同时，回气调节阀11阀门可以有效阻止压缩机3吸气压力控制波动向换热器1内蒸发压力传导，减小吸气压力对换热器1内蒸发压力控制影响，提高了系统温度控制稳定性。

与传统氨制冷系统通过控制换热器1进液流量控制出风温度的方式不同，采用快速动作的回气阀开度控制换热器1单元内的氨蒸发压力，匹配换热器1进液调节阀10，能快速调节换热器1内蒸发压力、改变换热器1换热性能，实现出口气流温度的快速调节。消除传统制冷系统控制进液流量来控制换热器1出口气流温度中，在控制温度接近目标温度时换热器1换热效率低，风洞大容积蒸发器内氨液需要较长才能达到压力平衡导致的温度控制滞后问题。

在系统完成气流温度稳态控制后，打开喷雾、热气防除冰系统，由于此时低压循环桶7压力较换热器1内蒸发压力低，且有较大的差值。通过回气阀门开度快速调节，增大换热单元2回气流量，能够快速降低蒸发器内氨液蒸发压力，提高换热器1换热效率，平衡喷雾、热气防除冰系统引入的热负荷，实现换热器1出口气流温度快速稳定控制目的。由于换热器1出口管道及低压循环桶7容积较大，瞬时增加的回气量不会导致回气调节阀11阀后压力波动大，使得换热器1内压力控制稳定性好，从而提高制冷系统温度控制动态稳定性。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种结冰风洞热流场用换热器，其特征在于，

所述换热器包括至少一组换热组集；

所述换热组集包括多个沿垂直方向排列的换热单元，每个所述换热单元的进液口和回气口分别设置有进液调节阀和回气调节阀，所述进液调节阀距结冰风洞地面的高度为安装高度，沿多个安装高度由高到低的排列方向，对应的多个进液调节阀的开度呈下降趋势；

当具有两组及两组以上换热组集，位于同一安装高度的进液调节阀的开度相同。

2.根据权利要求1所述的一种结冰风洞热流场用换热器，其特征在于，

每个所述换热单元的下游出风口均设置有至少两个温度传感器；

至少两个所述温度传感器沿第一方向间隔设置，所述第一方向为结冰风洞的宽度方向。

3.根据权利要求1所述的一种结冰风洞热流场用换热器，其特征在于，

每组所述换热组集内的换热单元的迎风面均位于同一平面。

4.根据权利要求3所述的一种结冰风洞热流场用换热器，其特征在于，

当具有两组及两组以上换热组集时，所有换热组集的迎风面均平行设置。

5.一种结冰风洞热流场均匀性控制装置，其特征在于，包括权利要求1-4中任一项所述的一种结冰风洞热流场用换热器，还包括压缩机、冷凝器、储液罐、制冷剂屏蔽泵、低压循环桶、控制器和上位机，所述压缩机依次连接冷凝器、储液罐和低压循环桶，所述低压循环桶设置于所述压缩机和所述换热器之间，所述制冷剂屏蔽泵设置于所述低压循环桶和所述换热器之间；所述压缩机的吸气端设置有吸气压力传感器；所述控制器连接所述压缩机；所述上位机连接所述回气调节阀和所述控制器；所述换热器设置于所述结冰风洞中。

6.一种结冰风洞热流场均匀性控制方法，其特征在于，利用权利要求5所述一种结冰风洞热流场均匀性控制装置实现，具体控制步骤如下：

S1：获取试验工况下的换热器目标出口温度T0，根据T0获取试验工况下的换热器出口温度T1以及T1对应的压缩机目标吸气压力P1，使得T1与T0满足以下关系式：T0-T1>ΔT1，设置换热单元的目标出口温度为Tin，令Tin=T0，其中，ΔT1表示预设的T0和T1之间的差值，Tin表示第n个换热单元的目标出口温度，n=1，2，3，......，N，N表示换热单元的总数；

S2：获取压缩机的实际吸气压力PA，并将PA调整到满足以下关系：|PA-P1|≤ΔP，其中，ΔP为预设压力变化值；

S3：压缩机运行预定时间后，调节进液调节阀和回气调节阀的开度，使得在同一换热组集内，所有换热单元的进液调节阀的开度沿第二方向减小，所有换热单元的回气调节阀的开度相同，所述第二方向是指在同一换热组集内多个进液调节阀的安装高度由高到低的排列方向；

S4：开启所述制冷剂屏蔽泵对所述换热器供液；

S5：获取所有换热单元实际出口温度TAn，其中，TAn表示第n个换热单元的实际出口温度；

S6：比较所有TAn与T0的大小，若所有TAn均满足预设条件，执行S7，若不满足，则增大ΔT1，并返回S1；

S7：若|TAn-T0|>ΔT2，则调节对应回气调节阀的开度，使得所有TAn均满足以下关系：|TAn-T0|≤ΔT2，其中，ΔT2为预设的TAn和T0之间的差值，且ΔT2<ΔT1。

7.根据权利要求6所述的一种结冰风洞热流场均匀性控制方法，其特征在于，

每个所述换热单元的下游出风口均设置有至少两个温度传感器；

至少两个所述温度传感器沿第一方向间隔设置，所述第一方向为结冰风洞的宽度方向；

所述温度传感器与所述上位机连接；

在步骤S5中，根据需要的热流场均匀面积范围，将位于所述热流场均匀面积范围内，以及距该范围边沿距离小于规定距离且位于该范围外的温度传感器形成待选温度传感器组，选择位于所述待选温度传感器组中的温度传感器获取所有换热单元实际出口温度TAn。

8.根据权利要求7所述的一种结冰风洞热流场均匀性控制方法，其特征在于，

在步骤S5中，当所述待选温度传感器组内包含同一换热单元的至少两个温度传感器，则选择待选温度传感器组中属于同一换热单元的任一温度传感器的检测值作为TAn，或者选择待选温度传感器组中属于同一换热单元的至少两个温度传感器的检测平均值作为TAn。

9.根据权利要求6所述的一种结冰风洞热流场均匀性控制方法，其特征在于，

在步骤S6中，所述预设条件是指：T0-TAn≥ΔT1。

10.根据权利要求6所述的一种结冰风洞热流场均匀性控制方法，其特征在于，在步骤S7中，

当TAn-T0>ΔT2，调高对应换热单元的回气调节阀开度；

当T0-TAn>ΔT2，调低对应换热单元的回气调节阀开度；

当-ΔT2≤T0-TAn≤ΔT2，保持对应换热单元的回气调节阀开度。

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