大型風洞循環冷卻水系統設計

黃文 劉睿 白鵬博

摘 要：本文介紹了一種循環冷卻水系統設計方案。為滿足某大型連續式跨聲速風洞的試驗需求，本系統采用雙循環回路的結構形式，通過定流量、變進口溫度的調節方式。通過Simulink仿真軟件，對系統的調節特性進行了模擬，模擬結果顯示，采用“預置+反饋”的控制策略，可以實現系統的快速調節。經過初步分析，該系統能夠很好地適應風洞復雜的運行工況。

關鍵詞：冷卻系統;風洞;系統設計

中圖分類號：TQ022.121 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）12-0081-02

0 引言

風洞（Wind Tunnel）是一種以人工方式產生并可以控制氣流，以模擬飛行器或者物體周圍氣流的流動情況，并可量度氣流對物體的作用以及觀察物理現象的一種管道狀試驗設備。風洞是研究空氣動力學的重要試驗設施，廣泛引用于航空航天飛行器、汽車、高鐵的研制過程。

連續式風洞是重要的風洞類型之一，利用風扇或壓縮機驅動氣流在洞體回路內流動，可以長時間連續運行。由于風扇或壓縮機連續對氣體做功，若不采取有效的冷卻措施，氣流溫度將會逐漸升高，影響試驗測試結果。以某在施的大型連續式跨聲速風洞為例，其最大驅動功率為80MW，最大空氣質量流量約為4542kg/s，在不采取冷卻措施的情況下，洞體內氣流將急劇升溫，對設備結構及試驗測試結果產生極為不利的影響。

為避免在運行過程中洞體內氣流溫度持續上升，需設置循環冷卻水系統，帶走壓縮機輸入的能量，平衡洞體內氣流的熱量，以維持氣流溫度保障試驗測試結果的準確性。

本文主要介紹大型連續式風洞循環冷卻水系統的設計，并簡單模擬了該系統的調節特性，為該系統的最終調試提供一定的指導。

1 冷卻系統設計要求

對于風洞循環冷卻水系統而言，首先，要保證系統具備足夠的冷卻能力，能夠有效抑制風洞洞體內氣流溫度的升高。

另外，要求系統具備快速穩定、高效調節性能。風洞在長時間的連續運行過程中，會連續調整試驗段的試驗馬赫數（Ma）或模型姿態，以測試模型在不同來流速度下或不同姿態下的氣動特性。試驗工況的變化導致風洞輸入功率的改變，為了保持氣流溫度的穩定性，需要冷卻系統具備快速調節的能力。典型工況下，系統換熱功率隨試驗Ma數的變化情況如圖1所示。

2 系統設計方案

目前，國內大型風洞循環冷卻系統多采用單循環回路，冷卻水經過洞體換熱器與洞內氣體進行熱量交換后，通過冷卻水塔進行降溫，再進入洞體換熱器，完成換熱循環。該系統簡單、高效，能保證整體的換熱效率，但無法滿足復雜工況下快速調節的使用要求。

根據國內現有大型風洞循環冷卻系統的運行、使用和維護經驗，本次設計在原有方案的基礎上進行了優化和改進。本方案整體采用“雙循環回路”的設計方案，設置內循環回路（閉式循環回路）和外循環回路（開式循環回路），如圖2所示。

2.1 內循環回路

內循環回路實現系統與洞體內氣流的熱量交換，并根據試驗工況的變化，快速調節系統的換熱功率，保證洞內氣流溫度的穩定性。現有風洞冷卻系統大多是通過水泵變頻控制，改變循環冷卻水量進而調節換熱量。該系統調節滯后性較大，難以滿足本項目工況快速調節、快速穩定的要求。

根據本項目特點，本次對系統的調節方式進行了優化，采用“定流量、變進口溫度”的方式，系統原理如圖3所示。

系統設置了調節回路，通過精確設置調節閥開度，改變熱流的回流量，調節冷、熱流的摻混比例，控制風洞換熱器液側的進口溫度，進而控制系統的整體換熱功率。調節回路采用“大、小閥”并聯的方式，大閥滿足系統快速調節功能，小閥則滿足系統的精細調節要求。為了提高系統的調節特性，閥門選用多孔閥。系統供、回水側各設置一組恒流量泵組，每個泵組由3臺流量為1600t/h的泵組成，最大流量為4800t/h。3個泵可以獨立控制、運行，可以根據每次試驗運行工況選擇泵的開啟數量，以起到節能的作用。

內循環回路整體采用閉式回路，內部采用去離子軟化水，避免管內壁面結垢產生污垢熱阻影響換熱效率。系統設置了補水、排氣、定壓等裝置，以確保系統安全可靠的運行。

2.2 外循環回路

外循環回路與內循環回路之間通過板式換熱器實現熱量的轉移。外循環回路則采用開始循環，通過冷卻塔將熱量傳至外界環境，最終實現熱量從風洞氣流向外界環境的傳送。外循環回路的系統組成如圖4所示。

外循環回路采用4臺循環水泵（3用1備）并聯，單臺水泵流量為1600t/h。每臺泵均可獨立控制、運行，根據整體工況設定泵啟動的數量，匹配內循環回路的運行工況。另外，板式換熱器、冷卻塔均采用并聯的形式，均可根據整體運行工況調節各自的運行狀態，以匹配系統整體運行工況。

3 系統調節特性分析

基于Simulink仿真軟件，對該系統的整體調節特性進行了模擬分析。在仿真過程中，對系統工況進行了一定的假設和簡化：（1）假設外循環系統的運行工況是相對穩定的，即QT、T5、T6在系統運行過程中保持恒定;（2）假設兩個調節閥能夠實現同步調節，即Q1、Q2的關系保持穩定;（3）系統中涉及的閥門調節、換熱器的換熱系數、管路流阻特性等關鍵參數，主要根據設備廠家提供的數據或根據工程實踐估算。

在一定的工況范圍內，我們通過“定流量、調進口溫度”的策略，實現換熱功率的控制，用圖5進行闡述就是：根據換熱需求（Ti）的變化，控制調節閥開度調整Q1、Q2，控制進口溫度T1，最終保證T0的穩定性。

經過多輪次的模擬和討論，本系統你采用“預置+反饋”的控制策略。首先根據試驗需求，對冷卻系統的運行狀態進行預判，快速設定大口徑調節閥的開度，實現系統快速調節;然后，根據風洞氣流出口溫度的監控結果，對小口徑閥門開度進行細調，以滿足溫度的精確調節需求。其模擬結果如圖6所示。

從模擬結果來看，該控制方案具備良好的控制效果，具備快速響應和快速穩定的控制效果。

4 結論與展望

本文討論了一種雙循環回路形式的循環冷卻水系統，以滿足某大型連續回流式風洞的要求，并簡單模擬了系統的調節特性。與過去的系統方案相比，具有以下優勢：（1）該系統具有快速調節、快速穩定的特點;（2）該系統具備更高的溫度調節精度;（3）內循環采用閉式結構，可以有效防止管路污染，保證系統換熱特性的穩定性和可靠性。

參考文獻

[1] 伍榮林，王振宇編著.風洞設計原理[M].北京：北京航空學院出版社，1985.

[2] 范潔川主編.風洞試驗手冊[M].北京：航空工業出版社，2002.

[3] 楊世銘，陶文銓.傳熱學（第三版）[M].北京：高等教育出版社，2006.