大型風(fēng)洞循環(huán)冷卻水系統(tǒng)設(shè)計(jì)

黃文 劉睿 白鵬博

摘 要：本文介紹了一種循環(huán)冷卻水系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。為滿足某大型連續(xù)式跨聲速風(fēng)洞的試驗(yàn)需求，本系統(tǒng)采用雙循環(huán)回路的結(jié)構(gòu)形式，通過(guò)定流量、變進(jìn)口溫度的調(diào)節(jié)方式。通過(guò)Simulink仿真軟件，對(duì)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)特性進(jìn)行了模擬，模擬結(jié)果顯示，采用“預(yù)置+反饋”的控制策略，可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的快速調(diào)節(jié)。經(jīng)過(guò)初步分析，該系統(tǒng)能夠很好地適應(yīng)風(fēng)洞復(fù)雜的運(yùn)行工況。

關(guān)鍵詞：冷卻系統(tǒng);風(fēng)洞;系統(tǒng)設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TQ022.121 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2019）12-0081-02

0 引言

風(fēng)洞（Wind Tunnel）是一種以人工方式產(chǎn)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(dòng)情況，并可量度氣流對(duì)物體的作用以及觀察物理現(xiàn)象的一種管道狀試驗(yàn)設(shè)備。風(fēng)洞是研究空氣動(dòng)力學(xué)的重要試驗(yàn)設(shè)施，廣泛引用于航空航天飛行器、汽車、高鐵的研制過(guò)程。

連續(xù)式風(fēng)洞是重要的風(fēng)洞類型之一，利用風(fēng)扇或壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)氣流在洞體回路內(nèi)流動(dòng)，可以長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)運(yùn)行。由于風(fēng)扇或壓縮機(jī)連續(xù)對(duì)氣體做功，若不采取有效的冷卻措施，氣流溫度將會(huì)逐漸升高，影響試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果。以某在施的大型連續(xù)式跨聲速風(fēng)洞為例，其最大驅(qū)動(dòng)功率為80MW，最大空氣質(zhì)量流量約為4542kg/s，在不采取冷卻措施的情況下，洞體內(nèi)氣流將急劇升溫，對(duì)設(shè)備結(jié)構(gòu)及試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果產(chǎn)生極為不利的影響。

為避免在運(yùn)行過(guò)程中洞體內(nèi)氣流溫度持續(xù)上升，需設(shè)置循環(huán)冷卻水系統(tǒng)，帶走壓縮機(jī)輸入的能量，平衡洞體內(nèi)氣流的熱量，以維持氣流溫度保障試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性。

本文主要介紹大型連續(xù)式風(fēng)洞循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，并簡(jiǎn)單模擬了該系統(tǒng)的調(diào)節(jié)特性，為該系統(tǒng)的最終調(diào)試提供一定的指導(dǎo)。

1 冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求

對(duì)于風(fēng)洞循環(huán)冷卻水系統(tǒng)而言，首先，要保證系統(tǒng)具備足夠的冷卻能力，能夠有效抑制風(fēng)洞洞體內(nèi)氣流溫度的升高。

另外，要求系統(tǒng)具備快速穩(wěn)定、高效調(diào)節(jié)性能。風(fēng)洞在長(zhǎng)時(shí)間的連續(xù)運(yùn)行過(guò)程中，會(huì)連續(xù)調(diào)整試驗(yàn)段的試驗(yàn)馬赫數(shù)（Ma）或模型姿態(tài)，以測(cè)試模型在不同來(lái)流速度下或不同姿態(tài)下的氣動(dòng)特性。試驗(yàn)工況的變化導(dǎo)致風(fēng)洞輸入功率的改變，為了保持氣流溫度的穩(wěn)定性，需要冷卻系統(tǒng)具備快速調(diào)節(jié)的能力。典型工況下，系統(tǒng)換熱功率隨試驗(yàn)Ma數(shù)的變化情況如圖1所示。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

目前，國(guó)內(nèi)大型風(fēng)洞循環(huán)冷卻系統(tǒng)多采用單循環(huán)回路，冷卻水經(jīng)過(guò)洞體換熱器與洞內(nèi)氣體進(jìn)行熱量交換后，通過(guò)冷卻水塔進(jìn)行降溫，再進(jìn)入洞體換熱器，完成換熱循環(huán)。該系統(tǒng)簡(jiǎn)單、高效，能保證整體的換熱效率，但無(wú)法滿足復(fù)雜工況下快速調(diào)節(jié)的使用要求。

根據(jù)國(guó)內(nèi)現(xiàn)有大型風(fēng)洞循環(huán)冷卻系統(tǒng)的運(yùn)行、使用和維護(hù)經(jīng)驗(yàn)，本次設(shè)計(jì)在原有方案的基礎(chǔ)上進(jìn)行了優(yōu)化和改進(jìn)。本方案整體采用“雙循環(huán)回路”的設(shè)計(jì)方案，設(shè)置內(nèi)循環(huán)回路（閉式循環(huán)回路）和外循環(huán)回路（開(kāi)式循環(huán)回路），如圖2所示。

2.1 內(nèi)循環(huán)回路

內(nèi)循環(huán)回路實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)與洞體內(nèi)氣流的熱量交換，并根據(jù)試驗(yàn)工況的變化，快速調(diào)節(jié)系統(tǒng)的換熱功率，保證洞內(nèi)氣流溫度的穩(wěn)定性?，F(xiàn)有風(fēng)洞冷卻系統(tǒng)大多是通過(guò)水泵變頻控制，改變循環(huán)冷卻水量進(jìn)而調(diào)節(jié)換熱量。該系統(tǒng)調(diào)節(jié)滯后性較大，難以滿足本項(xiàng)目工況快速調(diào)節(jié)、快速穩(wěn)定的要求。

根據(jù)本項(xiàng)目特點(diǎn)，本次對(duì)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)方式進(jìn)行了優(yōu)化，采用“定流量、變進(jìn)口溫度”的方式，系統(tǒng)原理如圖3所示。

系統(tǒng)設(shè)置了調(diào)節(jié)回路，通過(guò)精確設(shè)置調(diào)節(jié)閥開(kāi)度，改變熱流的回流量，調(diào)節(jié)冷、熱流的摻混比例，控制風(fēng)洞換熱器液側(cè)的進(jìn)口溫度，進(jìn)而控制系統(tǒng)的整體換熱功率。調(diào)節(jié)回路采用“大、小閥”并聯(lián)的方式，大閥滿足系統(tǒng)快速調(diào)節(jié)功能，小閥則滿足系統(tǒng)的精細(xì)調(diào)節(jié)要求。為了提高系統(tǒng)的調(diào)節(jié)特性，閥門選用多孔閥。系統(tǒng)供、回水側(cè)各設(shè)置一組恒流量泵組，每個(gè)泵組由3臺(tái)流量為1600t/h的泵組成，最大流量為4800t/h。3個(gè)泵可以獨(dú)立控制、運(yùn)行，可以根據(jù)每次試驗(yàn)運(yùn)行工況選擇泵的開(kāi)啟數(shù)量，以起到節(jié)能的作用。

內(nèi)循環(huán)回路整體采用閉式回路，內(nèi)部采用去離子軟化水，避免管內(nèi)壁面結(jié)垢產(chǎn)生污垢熱阻影響換熱效率。系統(tǒng)設(shè)置了補(bǔ)水、排氣、定壓等裝置，以確保系統(tǒng)安全可靠的運(yùn)行。

2.2 外循環(huán)回路

外循環(huán)回路與內(nèi)循環(huán)回路之間通過(guò)板式換熱器實(shí)現(xiàn)熱量的轉(zhuǎn)移。外循環(huán)回路則采用開(kāi)始循環(huán)，通過(guò)冷卻塔將熱量傳至外界環(huán)境，最終實(shí)現(xiàn)熱量從風(fēng)洞氣流向外界環(huán)境的傳送。外循環(huán)回路的系統(tǒng)組成如圖4所示。

外循環(huán)回路采用4臺(tái)循環(huán)水泵（3用1備）并聯(lián)，單臺(tái)水泵流量為1600t/h。每臺(tái)泵均可獨(dú)立控制、運(yùn)行，根據(jù)整體工況設(shè)定泵啟動(dòng)的數(shù)量，匹配內(nèi)循環(huán)回路的運(yùn)行工況。另外，板式換熱器、冷卻塔均采用并聯(lián)的形式，均可根據(jù)整體運(yùn)行工況調(diào)節(jié)各自的運(yùn)行狀態(tài)，以匹配系統(tǒng)整體運(yùn)行工況。

3 系統(tǒng)調(diào)節(jié)特性分析

基于Simulink仿真軟件，對(duì)該系統(tǒng)的整體調(diào)節(jié)特性進(jìn)行了模擬分析。在仿真過(guò)程中，對(duì)系統(tǒng)工況進(jìn)行了一定的假設(shè)和簡(jiǎn)化：（1）假設(shè)外循環(huán)系統(tǒng)的運(yùn)行工況是相對(duì)穩(wěn)定的，即QT、T5、T6在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中保持恒定;（2）假設(shè)兩個(gè)調(diào)節(jié)閥能夠?qū)崿F(xiàn)同步調(diào)節(jié)，即Q1、Q2的關(guān)系保持穩(wěn)定;（3）系統(tǒng)中涉及的閥門調(diào)節(jié)、換熱器的換熱系數(shù)、管路流阻特性等關(guān)鍵參數(shù)，主要根據(jù)設(shè)備廠家提供的數(shù)據(jù)或根據(jù)工程實(shí)踐估算。

在一定的工況范圍內(nèi)，我們通過(guò)“定流量、調(diào)進(jìn)口溫度”的策略，實(shí)現(xiàn)換熱功率的控制，用圖5進(jìn)行闡述就是：根據(jù)換熱需求（Ti）的變化，控制調(diào)節(jié)閥開(kāi)度調(diào)整Q1、Q2，控制進(jìn)口溫度T1，最終保證T0的穩(wěn)定性。

經(jīng)過(guò)多輪次的模擬和討論，本系統(tǒng)你采用“預(yù)置+反饋”的控制策略。首先根據(jù)試驗(yàn)需求，對(duì)冷卻系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行預(yù)判，快速設(shè)定大口徑調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)快速調(diào)節(jié);然后，根據(jù)風(fēng)洞氣流出口溫度的監(jiān)控結(jié)果，對(duì)小口徑閥門開(kāi)度進(jìn)行細(xì)調(diào)，以滿足溫度的精確調(diào)節(jié)需求。其模擬結(jié)果如圖6所示。

從模擬結(jié)果來(lái)看，該控制方案具備良好的控制效果，具備快速響應(yīng)和快速穩(wěn)定的控制效果。

4 結(jié)論與展望

本文討論了一種雙循環(huán)回路形式的循環(huán)冷卻水系統(tǒng)，以滿足某大型連續(xù)回流式風(fēng)洞的要求，并簡(jiǎn)單模擬了系統(tǒng)的調(diào)節(jié)特性。與過(guò)去的系統(tǒng)方案相比，具有以下優(yōu)勢(shì)：（1）該系統(tǒng)具有快速調(diào)節(jié)、快速穩(wěn)定的特點(diǎn);（2）該系統(tǒng)具備更高的溫度調(diào)節(jié)精度;（3）內(nèi)循環(huán)采用閉式結(jié)構(gòu)，可以有效防止管路污染，保證系統(tǒng)換熱特性的穩(wěn)定性和可靠性。

參考文獻(xiàn)

[1] 伍榮林，王振宇編著.風(fēng)洞設(shè)計(jì)原理[M].北京：北京航空學(xué)院出版社，1985.

[2] 范潔川主編.風(fēng)洞試驗(yàn)手冊(cè)[M].北京：航空工業(yè)出版社，2002.

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