[发明专利]一种直冷式结冰风洞实现方法及系统

说明书

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。