一种适用于低温风洞变温运行的高效换热结构

技术领域

本发明涉及低温跨声速风洞设计领域，具体地，涉及一种适用于低温风洞变温运行的高效换热结构。

背景技术

通过降低运行介质的气流温度可大幅提升风洞雷诺数模拟试验能力，低温风洞运行中经常涉及试验气流温度的大幅度变化，根据试验需要气流的变温范围可超过200℃，且在气流温度改变过程中要求严格控制洞体结构温度与气流温度温差，确保风洞结构的应力应变在允许范围内，保障风洞运行安全。低温风洞目前通常采用严格控制温变速率延长变温时长来确保洞体结构温度平衡以降低热应力，导致试验效率低下。

低温风洞运行时，通常气流和洞体结构的初始温度为常温，约20℃，需要喷入液氮将气流温度降至最低约-160℃后才开展试验，驻室内的收缩段、喷管段、试验段等金属结构的温度须随着气流一同降低，壁面内外表面温差不大于（2~5）℃。现有的驻室为一个无气流流动的相对封闭的腔体，金属结构温度的改变主要通过气流的热辐射和热传导，由于金属热容大，导致金属结构的温度变化非常缓慢，且可能出现结构热变形的不协调、热应力超标等问题。现有技术是利用洞体结构自然散热，散热效率低，试验时需严格控制温变速率，降温时间需要十几个小时，试验效率低下，同时也难以避免结构温度分布不均导致的热应力超标。

因此，急需开发一种低温风洞变温运行时提高洞体结构与气流换热效率的方法。

发明内容

本发明目的是提高低温风洞变温运行的换热效率。

为实现上述目的，本发明提供了一种适用于低温风洞变温运行的高效换热结构，所述低温风洞包括依次连接的稳定段、收缩段、喷管段、试验段和扩散段，所述结构包括：外驻室，所述稳定段的部分段身、所述收缩段的全段身、所述喷管段的全段身、所述试验段的全段身和所述扩散段的部分段身均位于所述外驻室内，所述外驻室两端密封，所述外驻室与所述稳定段连通，所述外驻室与所述试验段连通，稳定段、收缩段、喷管段、试验段和扩散段形成第一气流流道，稳定段、外驻室和试验段形成第二气流流道。

其中，本发明的原理为：本发明的目的是实现低温风洞变温运行过程中的气流与结构的高效换热，以提高低温风洞运行效率。传统的夹层内洞体结构换热效率低下会导致风洞降温/升温试验时间太长，影响试验效率和成本。为解决上述技术问题，本发明提供了一种低温风洞变温运行时提高洞体结构与气流换热效率的结构，利用风洞稳定段和试验段的静压差形成强制对流换热。本发明将低温风洞外添加外驻室，利用外驻室形成对流换热气流通道，稳定段、收缩段、喷管段、试验段和扩散段形成第一气流流道为主流道进行试验使用，稳定段、外驻室和试验段形成第二气流流道进行换热使用，即将风洞的气流一部分引流至第二气流流道中，对第二气流流道中对应的低温风洞各段外壁上的热量进行换热，然后将换热后的气流汇入主气流然后循环运行，与传统的依靠低温风洞自然换热相比，通过风流产生的换热气流可以快速对低温风洞进行换热，提高了低温风洞变温运行的换热效率。

优选的，所述结构还包括隔断屏，所述隔断屏位于外驻室内与收缩段的位置对应，所述隔断屏用于将外驻室分隔为第一驻室区和第二驻室区。

优选的，所述隔断屏上设有若干隔断阀。

其中，第一驻室区与稳定段连通，两者压力相同，为压力较高区域。第二驻室区与试验段连通，与试验段壁面压力相同，为低压力区。隔断屏中嵌入的隔断阀实现两个区域的连通和切断。隔断阀开启时，稳定段内的高压力气体会穿过第一柱状通气壁，到达第一驻室区，再穿过隔断阀组，到达压力较低的第二驻室区。

优选的，所述隔断阀包括：柱状进气孔板、柱状出气孔板、阀座、阀芯、驱动电机、隔断阀安装底座和底部出气孔板；

柱状进气孔板和柱状出气孔板上均设有若干气孔，柱状进气孔板和柱状出气孔板分别位于隔断屏两侧，柱状进气孔板与柱状出气孔板对接连通，柱状进气孔板与柱状出气孔板之间设有阀座，阀芯安装在柱状进气孔板内，阀芯与柱状进气孔板内壁滑动连接，驱动电机用于驱动阀芯在柱状进气孔板内滑动与阀座实现闭合或分离，柱状进气孔板的对接端外壁安装有隔断阀安装底座，柱状出气孔板的对接端外壁安装有隔断屏安装底座，隔断阀安装底座与隔断屏安装底座通过螺钉连接，柱状出气孔板的另一端与底部出气孔板连接，底部出气孔板上设有若干底部出气孔。所述隔断阀结构实现第一驻室区气体均匀进入隔断阀和均匀排入第二驻室区，且结构紧凑，密封可靠，驱动电机保温方便。

优选的，每个隔断阀出口均设有笼式通气孔板便于气流在空间均流，减少第二驻室区气流死区，笼式通气孔板上设有若干通气孔。

优选的，稳定段设置有第一柱状通气壁，第一柱状通气壁上设有若干通气孔，稳定段通过第一柱状通气壁与外驻室连通。利用第一柱状通气壁一方面便于保持稳定段的形状和强度，另一方面利用第一柱状通气壁上的通气孔便于与外驻室连通，将气流引入与外驻室形成换热气流。

优选的，试验段设置有第二通气壁，第二通气壁上设有若干通气孔或通气槽，试验段通过第二通气壁与外驻室连通。利用第二通气壁一方面便于保持试验段的形状和强度，另一方面利用第二通气壁上的通气孔或通气槽便于与外驻室连通，将换热后的气流引出外驻室与试验段内的主气流汇合后在风洞内循环。

优选的，外驻室壁厚大于位于外驻室内的低温风洞各段的壁厚，外驻室为承压结构，壁厚根据外驻室内气体最大压力确定。

优选的，隔断屏竖截面为环形截面，隔断屏与外驻室内壁和收缩段外壁密封连接。密封能够防止漏气影响试验。

优选的，低温风洞不运行和变温运行时，隔断阀处于开启状态进行换热，低温风洞开展试验数据测试时，隔断阀处于关闭状态避免影响试验。

本发明提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

本发明能够提高低温风洞变温运行的换热效率。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本发明的一部分，并不构成对本发明实施例的限定；

图1为一种适用于低温风洞变温运行的高效换热结构的结构示意图；

图2为隔断阀的结构示意图；

其中，1-外驻室；2-隔断屏；3-隔断阀；4-第一驻室区；5-第二驻室区；6-笼式通气孔板；7-第一柱状通气壁；8-稳定段；9-收缩段；10-喷管段；11-试验段；12-扩散段；13-阀芯；14-阀座；15-柱状进气孔板；16-柱状出气孔板；17-底部出气孔板；18-底部出气孔；19-安装底座；20-隔断屏安装底座；21-驱动电机。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在相互不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述范围内的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

实施例一；

请参考图1-图2，图1和图2中箭头为气流方向，图1图中左侧部分为高效换热结构的结构，右侧部分为高效换热结构A-A方向截面；图2图中左侧部分为隔断阀的结构，右侧部分为隔断阀截面；图1为一种适用于低温风洞变温运行的高效换热结构的结构示意图，本发明提供了一种适用于低温风洞变温运行的高效换热结构，所述低温风洞包括依次连接的稳定段、收缩段、喷管段、试验段和扩散段，下面对本发明的技术方案进行具体介绍：

在风洞的稳定段8至扩散段12增加环状的外驻室1，用于形成对流换热气流通道。

在收缩段9的入口位置设置隔断屏2，设计在收缩段的入口能够减小隔断屏的面积和载荷，将外驻室1分割为两个独立的第一驻室区4和第二驻室区5。隔断屏2上布置若干个可独立启闭的隔断阀3。每个隔断阀3出口一体化设置笼式通气孔板6。稳定段8出口设置第一柱状通气壁7。

第一驻室区4与稳定段连通，两者压力相同，为压力较高区域。第二驻室区5与试验段连通，与试验段壁面压力相同，为低压力区。隔断屏2中嵌入的隔断阀3实现两个区域的连通和切断。隔断阀3开启时，稳定段内的高压力气体会穿过第一柱状通气壁7，到达第一驻室区4，再穿过隔断阀3，到达压力较低的第二驻室区5。笼式通气孔板6用于气流在空间均流。稳定段8出口设置第一柱状通气壁7是气流流出稳定段的通道，在此设置第一柱状通气壁便于气流稳定的引入外驻室。

收缩段9、喷管段10及试验段11的壁身为厚度为2~10mm的耐低温不锈钢。外驻室1承压，收缩段9、喷管段10及试验段11等内部段成型。利用2~10mm的耐低温不锈钢可以实现快速换热。外驻室1承压指：风洞运行气流压力主要通过外驻室结构承受。内部段成型：内部段受到的压力差相对较小，主要功能是形成气流运行所需的气动型面。

若干隔断阀3中每个阀可独立启闭，阀门型式为套筒阀。采用套筒阀型式结构紧凑，易于空间布置和保温设计。

稳定段的第一柱状通气壁7可以为均匀分布的小孔或顺气流通气细槽，便于减小风洞正常试验时小孔或通气槽对稳定段气流的干扰。

风洞变温运行时，开启隔断阀3，稳定段8的部分气流穿过第一柱状通气壁7进入第一驻室区4，再经过隔断阀3进入笼式通气孔板6，扩散到第二驻室区5，最后通过试验段11的第二通气壁回到主气流中。

风洞变温运行完成后，关闭隔断阀3，可确保风洞试验马赫数的运行控制不受影响。

进入外驻室1的气体流量可通过改变隔断阀3启闭数量进行调节，也可通过改变试验段的气流速度进而改变压差进行调节，也可两种调节方案组合。

根据上述技术方案，低温风洞进行变温运行时，利用稳定段和试验段的压力差形成强制对流，可极大增强驻室内洞体结构的换热能力，提升换热效率。其中，气流在风洞内通过压缩机驱动，稳定段气流经过收缩段和喷管加速后，到达试验段的气流具有较高的速度和较低的静压，这样稳定段和试验段就产生了压力差。

本发明所涉及到的风洞温变过程中的高效换热结构，通过设计夹层驻室、隔断屏和隔断阀组，利用风洞运行中稳定段和试验段的静压差，将风洞主气流引入夹层，可大幅提升温变过程中洞壁的换热效率，降低由于结构温度不均匀带来的热应力，同时温变时间缩短，可提升风洞运行效率。以323K降温至110K为例，该发明可将降温时长由10小时缩短至3小时左右。

下面对本发明的具体结构参数进行举例说明：

设计外驻室起于稳定段止于扩散段，外驻室喷管段、试验段和扩散段对应的直径D3取值为试验段当量直径D1的3～5倍，外驻室稳定段对应直径D4取值为稳定段当量直径D2直径的1.1～1.3倍。D1影响风洞流场响应时长，D4主要考虑结构安装尺寸，通过上述设计参数能够满足风洞流场响应时长和安装尺寸要求。

稳定段对应的第一柱状通气壁7的长度L取值为稳定段当量直径D2的10%，通气率约8%～12%，小孔孔径为稳定段当量直径D2的0.2%，孔径范围为3mm～30mm。上述孔径范围能够满足小孔孔间尺寸不能影响主流流动的要求。

隔断屏的竖截面为环形截面，与外驻室的内壁和收缩段的外表连接，密封结构。若干个隔断阀的均匀布置于隔断屏环形截面内，每个隔断阀相同。密封可以防止漏气影响试验，隔断阀均匀布置能够保证气流空间流动均匀，隔断阀相同主要是为了结构简单，也有利于气流均匀。

隔断阀采用套筒阀型式如图2所示，采用套筒阀型式结构紧凑，易于空间布置和保温设计，图2为隔断阀的结构示意图，阀芯轴向运动。隔断阀关闭状态下阀芯与阀座为密封结构，第一驻室区与第二驻室区为隔离状态。隔断阀开启时，第一驻室区气体从周向穿过柱状进气孔板进入阀体，再从下游的柱状出气孔板流出进入第二驻室区。

隔断阀中每个阀门可独立运行，通过低温电机直接驱动，阀芯直线运动，到达阀座位置时，阀门关闭。

风洞不运行和变温运行时，隔断阀处于开启状态。风洞开展试验数据测试时，隔断阀处于关闭状态。

风洞典型降温运行流程如下：

开启所有隔断阀；

动力系统增速，试验段马赫数达到约0.2～0.30；

稳定段和试验段形成压力差，稳定段内低温气流约10%穿过第一柱状通气壁进入第一驻室区掺混后，从周向穿过隔断阀柱状进气孔板进入阀体，再从阀门下游的笼式通气孔板流出进入第二驻室区，与驻室内气体掺混后，从试验段再回到主气流中。

驻室中的2~10mm的耐低温不锈钢对应壁身（收缩段、喷管段、试验段）在内外气流中强制对流换热，2~10mm的耐低温不锈钢对应壁身的温度在主气流不断的降温过程中同步快速下降。

主气流温度降至设定温度后，继续维持运行，监测到试验段2~10mm的耐低温不锈钢对应壁身外侧温度与气流温度温差小于2K时，关闭隔断阀，开展试验数据测试运行。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。