大型风洞循环冷却水系统设计

黄文 刘睿 白鹏博

摘 要：本文介绍了一种循环冷却水系统设计方案。为满足某大型连续式跨声速风洞的试验需求，本系统采用双循环回路的结构形式，通过定流量、变进口温度的调节方式。通过Simulink仿真软件，对系统的调节特性进行了模拟，模拟结果显示，采用“预置+反馈”的控制策略，可以实现系统的快速调节。经过初步分析，该系统能够很好地适应风洞复杂的运行工况。

关键词：冷却系统;风洞;系统设计

中图分类号：TQ022.121 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2019）12-0081-02

0 引言

风洞（Wind Tunnel）是一种以人工方式产生并可以控制气流，以模拟飞行器或者物体周围气流的流动情况，并可量度气流对物体的作用以及观察物理现象的一种管道状试验设备。风洞是研究空气动力学的重要试验设施，广泛引用于航空航天飞行器、汽车、高铁的研制过程。

连续式风洞是重要的风洞类型之一，利用风扇或压缩机驱动气流在洞体回路内流动，可以长时间连续运行。由于风扇或压缩机连续对气体做功，若不采取有效的冷却措施，气流温度将会逐渐升高，影响试验测试结果。以某在施的大型连续式跨声速风洞为例，其最大驱动功率为80MW，最大空气质量流量约为4542kg/s，在不采取冷却措施的情况下，洞体内气流将急剧升温，对设备结构及试验测试结果产生极为不利的影响。

为避免在运行过程中洞体内气流温度持续上升，需设置循环冷却水系统，带走压缩机输入的能量，平衡洞体内气流的热量，以维持气流温度保障试验测试结果的准确性。

本文主要介绍大型连续式风洞循环冷却水系统的设计，并简单模拟了该系统的调节特性，为该系统的最终调试提供一定的指导。

1 冷却系统设计要求

对于风洞循环冷却水系统而言，首先，要保证系统具备足够的冷却能力，能够有效抑制风洞洞体内气流温度的升高。

另外，要求系统具备快速稳定、高效调节性能。风洞在长时间的连续运行过程中，会连续调整试验段的试验马赫数（Ma）或模型姿态，以测试模型在不同来流速度下或不同姿态下的气动特性。试验工况的变化导致风洞输入功率的改变，为了保持气流温度的稳定性，需要冷却系统具备快速调节的能力。典型工况下，系统换热功率随试验Ma数的变化情况如图1所示。

2 系统设计方案

目前，国内大型风洞循环冷却系统多采用单循环回路，冷却水经过洞体换热器与洞内气体进行热量交换后，通过冷却水塔进行降温，再进入洞体换热器，完成换热循环。该系统简单、高效，能保证整体的换热效率，但无法满足复杂工况下快速调节的使用要求。

根据国内现有大型风洞循环冷却系统的运行、使用和维护经验，本次设计在原有方案的基础上进行了优化和改进。本方案整体采用“双循环回路”的设计方案，设置内循环回路（闭式循环回路）和外循环回路（开式循环回路），如图2所示。

2.1 内循环回路

内循环回路实现系统与洞体内气流的热量交换，并根据试验工况的变化，快速调节系统的换热功率，保证洞内气流温度的稳定性。现有风洞冷却系统大多是通过水泵变频控制，改变循环冷却水量进而调节换热量。该系统调节滞后性较大，难以满足本项目工况快速调节、快速稳定的要求。

根据本项目特点，本次对系统的调节方式进行了优化，采用“定流量、变进口温度”的方式，系统原理如图3所示。

系统设置了调节回路，通过精确设置调节阀开度，改变热流的回流量，调节冷、热流的掺混比例，控制风洞换热器液侧的进口温度，进而控制系统的整体换热功率。调节回路采用“大、小阀”并联的方式，大阀满足系统快速调节功能，小阀则满足系统的精细调节要求。为了提高系统的调节特性，阀门选用多孔阀。系统供、回水侧各设置一组恒流量泵组，每个泵组由3台流量为1600t/h的泵组成，最大流量为4800t/h。3个泵可以独立控制、运行，可以根据每次试验运行工况选择泵的开启数量，以起到节能的作用。

内循环回路整体采用闭式回路，内部采用去离子软化水，避免管内壁面结垢产生污垢热阻影响换热效率。系统设置了补水、排气、定压等装置，以确保系统安全可靠的运行。

2.2 外循环回路

外循环回路与内循环回路之间通过板式换热器实现热量的转移。外循环回路则采用开始循环，通过冷却塔将热量传至外界环境，最终实现热量从风洞气流向外界环境的传送。外循环回路的系统组成如图4所示。

外循环回路采用4台循环水泵（3用1备）并联，单台水泵流量为1600t/h。每台泵均可独立控制、运行，根据整体工况设定泵启动的数量，匹配内循环回路的运行工况。另外，板式换热器、冷却塔均采用并联的形式，均可根据整体运行工况调节各自的运行状态，以匹配系统整体运行工况。

3 系统调节特性分析

基于Simulink仿真软件，对该系统的整体调节特性进行了模拟分析。在仿真过程中，对系统工况进行了一定的假设和简化：（1）假设外循环系统的运行工况是相对稳定的，即QT、T5、T6在系统运行过程中保持恒定;（2）假设两个调节阀能够实现同步调节，即Q1、Q2的关系保持稳定;（3）系统中涉及的阀门调节、换热器的换热系数、管路流阻特性等关键参数，主要根据设备厂家提供的数据或根据工程实践估算。

在一定的工况范围内，我们通过“定流量、调进口温度”的策略，实现换热功率的控制，用图5进行阐述就是：根据换热需求（Ti）的变化，控制调节阀开度调整Q1、Q2，控制进口温度T1，最终保证T0的稳定性。

经过多轮次的模拟和讨论，本系统你采用“预置+反馈”的控制策略。首先根据试验需求，对冷却系统的运行状态进行预判，快速设定大口径调节阀的开度，实现系统快速调节;然后，根据风洞气流出口温度的监控结果，对小口径阀门开度进行细调，以满足温度的精确调节需求。其模拟结果如图6所示。

从模拟结果来看，该控制方案具备良好的控制效果，具备快速响应和快速稳定的控制效果。

4 结论与展望

本文讨论了一种双循环回路形式的循环冷却水系统，以满足某大型連续回流式风洞的要求，并简单模拟了系统的调节特性。与过去的系统方案相比，具有以下优势：（1）该系统具有快速调节、快速稳定的特点;（2）该系统具备更高的温度调节精度;（3）内循环采用闭式结构，可以有效防止管路污染，保证系统换热特性的稳定性和可靠性。

参考文献

[1] 伍荣林，王振宇编著.风洞设计原理[M].北京：北京航空学院出版社，1985.

[2] 范洁川主编.风洞试验手册[M].北京：航空工业出版社，2002.

[3] 杨世铭，陶文铨.传热学（第三版）[M].北京：高等教育出版社，2006.