一种大型引射换热式低温环境风洞的制作方法

本发明涉及低温环境模拟技术领域，特别是涉及一种大型引射换热式低温环境风洞。

背景技术：

中国是世界上高速列车普及度最高的国家，但由于试验设备欠缺，我国针对大型高速列车整体的气动试验只停留在计算仿真和缩比试验上，为了使高速列车气动试验良好支撑我国高速列车的发展，亟需建立大型高雷诺数风洞提供高速列车的试验支撑。

由于试验室内难以提供真实的高风速环境，故根据相似准则，降低风洞内空气温度，提高雷诺数使之与真实的高速环境的雷诺数相同，达到与实际情况相同的试验效果。而现有的低温高速风洞一般都是采用风扇驱动、换热器降温的方式来提供试验环境，这种方式虽然可以降低风洞内空气温度，但对于用于大型设备(如高速列车)试验的大型风洞而言，需要的换热面积非常大，从而导致换热器整体体积庞大，庞大的换热器带来过大的阻力和庞大的热容等负面因素。而为了弥补换热器带来的阻力，风洞就需要更大的风扇来提供驱动力，而大型风扇本身体积巨大，且其热容和发热量也需要增大换热器的换热面积来弥补，从而使得换热器和风扇成为相互制约的因素，对于风洞内试验环境的提供存在很大的局限性。同时，为了抵消大型风扇、换热器的大热容，就需要给风洞提供更多的制冷量，这就使得制冷设备的规格要求更高，大型风扇和换热器自损消耗很多的冷量，系统的能量利用率很低。另外，大型换热器、风扇的使用会使得风洞内空气流道随之大型化，从而引起风洞结构整体占地面积增大，不仅增加了制造难度，也使得保温材料消耗巨大。因此现有低温风洞技术想要适应大型设备，就需要有更加庞大的体积，带来的却是更昂贵的费用支出及更低的能量利用率，目前这种方式能量利用率低、阻力大、建造维护成本高，难以满足大型高速列车的风洞试验。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种大型引射换热式低温环境风洞，以解决上述现有技术存在的问题，能够实现低温高速风洞环境的模拟，同时能够显著减小风洞内阻力，提高能量利用率，减少风洞体积和占用空间，达到节能减排和降低建造维护成本的目的。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明提供了大型引射换热式低温环境风洞，包括风洞和所述风洞内设置的截面矩阵式喷头及风机，所述风洞为封闭环状通道，所述截面矩阵式喷头和所述风机均设置在所述风洞的封闭环状通道内，所述风洞内设有试验段，所述试验段用于进行试验件的风洞试验，所述截面矩阵式喷头连通有进气管道，所述进气管道用于通入制冷气体，所述风机位于所述截面矩阵式喷头的上游，所述风机能够驱动所述风洞内的空气循环流动，所述制冷气体能够与所述风洞内的空气混合，所述风洞上开设有排气口，所述排气口处设置有排气阀。

优选的，所述截面矩阵式喷头包括若干喷头，所述进气管道为若干个，若干个所述进气管道成排且相互平行设置，各所述进气管道上分别连通有若干所述喷头，所有的所述喷头呈矩阵式分布。

优选的，所述进气管道伸至所述风洞的外部并连通有制冷装置，所述制冷装置能够对通入的气体降温并将降温后的气体输送至所述进气管道内。

优选的，所述进气管道上设有流量调节阀。

优选的，所述风机包括变频电机、转轴和扇叶，所述变频电机固定在所述风洞外部，所述变频电机的输出轴与所述转轴固定连接，所述转轴伸至所述风洞的内部并与所述扇叶连接，若干所述扇叶沿所述转轴的圆周方向均匀分布并固定。

优选的，所述风洞内设有收缩段和膨胀段，所述收缩段位于所述试验段的进风侧，所述收缩段为锥形结构，所述收缩段的小径端与所述试验段的入风口相匹配并连通，所述膨胀段位于所述试验段的出风侧，所述膨胀段为锥形结构，所述膨胀段的小径端与所述试验段的出风口相匹配并连通。

优选的，所述排气阀为压力自动控制阀。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

本发明在风洞内设置截面矩阵式喷头和风机，通过进气管道经截面矩阵式喷头向风洞内喷入制冷气体，且截面矩阵式喷头喷出制冷气体时，其背部气压较低，从而将风洞内流动的空气快速引射过来，引射后的空气与制冷气体快速混合形成低温气体，低温气体通过试验段供试验件进行低温高速风洞试验。整个过程中利用截面矩阵式喷头喷出制冷气体，不仅能够对风洞内的空气进行降温，同时还能够增加风洞内的空气压力，加速风洞内空气的循环流动，达到空气流动速度的提升，进而可以减小风机的负载，再者，风洞内利用截面矩阵式喷头代替传统方法中的换热器，利用制冷气体与空气的混合完成低温气体的提供，无需在风洞内设置换热面积庞大的换热部件，显著减小了风洞内空气流动的阻力，可以进一步减小风机的负载，从而降低风机的热容和发热量，如此便可减少风机自损消耗的冷量，节省制冷空气的注入量，从而显著提高能量利用率，且因为能量利用率的提升，无需风洞大型化的设计，并结合风洞内无需设置换热面积庞大的换热部件的优点，能够显著减少风洞体积和占用空间，减少保温材料的使用量，达到节能减排和降低建造成本、维护成本的目的。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明大型引射换热式低温环境风洞的结构示意图；

其中：1-风洞，2-风机，21-变频电机，22-转轴，23-扇叶，3-排气阀，4-膨胀段，5-试验段，6-收缩段，7-制冷装置，8-截面矩阵式喷头。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1所示：本实施例提供了一种大型引射换热式低温环境风洞，包括风洞1和风洞1内设置的截面矩阵式喷头8及风机2，风洞1为封闭环状通道，截面矩阵式喷头8和风机2均设置在风洞1的封闭环状通道内，风洞1内设有试验段5，试验段5用于进行试验件的风洞试验，截面矩阵式喷头8连通有进气管道，进气管道用于通入制冷气体，风机2位于截面矩阵式喷头8的上游，风机2能够驱动风洞1内的空气循环流动，制冷气体能够与风洞1内的空气混合。具体如图1所示，风洞1内设有收缩段6和膨胀段4，收缩段6位于试验段5的进风侧，收缩段6为锥形结构，收缩段6的小径端与试验段5的入风口相匹配并连通，膨胀段4位于试验段5的出风侧，膨胀段4为锥形结构，膨胀段4的小径端与试验段5的出风口相匹配并连通。风洞1上开设有排气口，排气口处设有排气阀3，排气阀3为压力自动控制阀。风机2出口的空气经过截面矩阵喷头后与制冷气体掺混形成低温气体，随后低温气体经过锥形结构的收缩段6流速被提升，高速的低温气体流入试验段5供试验件进行试验，然后排出的空气进入膨胀段4减速升压，并再次流向风机2入口被重复使用，同时风洞1上还设有排气口和压力自动控制阀，试验前，先设定好压力自动控制阀的自动开启压力和自动开启开度，以排出风洞1内多余气体，维护风洞1内气压稳定。

本实施例中上游是相对于风洞1内空气的循环方向(如图1中箭头所示的方向)而言，风机2位于截面矩阵式喷头8的前方。

优选的，截面矩阵式喷头8包括若干喷头，进气管道为若干个，若干个进气管道成排且相互平行设置，各进气管道上分别连通有若干喷头，所有的喷头呈矩阵式分布。进气管道伸至风洞1的外部并连通有制冷装置7，制冷装置7能够对通入的气体降温并将降温后的气体输送至进气管道内，制冷装置7可以为现有技术中的任意一种能够将空气制冷压缩的设备，优选为制冷压缩膨胀机。具体的可以控制制冷装置7向进气管道内输送的气体量，或者，在进气管道上设置流量调节阀，通过流量调节阀调节进气管道向截面矩阵式喷头8供应的制冷气体量，来控制试验段5空气的温度，即本实施例通过控制通入风洞1内的冷气量便可控制风洞1内流动气体的温度，和传统方法中增加换热器的换热面积以降低流动气体温度的方案相比，不仅能够利用高速喷入的制冷气体加速风洞1内空气的流动，还能通过制冷气体通入量的多少控制风洞1内温度，从而能够显著减小占用面积和风洞1内空气流动的阻力。

优选的，风机2包括变频电机21、转轴22和扇叶23，变频电机21固定在风洞1外部，使变频电机21在风洞1外运行，避免其消耗风洞1内的冷量，变频电机21的输出轴与转轴22固定连接，转轴22伸至风洞1的内部并与扇叶23连接，若干扇叶23沿转轴22的圆周方向均匀分布并固定，调节风机2的频率，可以调节和控制风洞1内气流的流速。进一步的可以同时通过调节风机2的频率和截面矩阵式喷头8喷入的制冷气体量，来控制试验段5入口空气的流速、流量和温度使之达到试验要求。

本实施例在风洞1内设置截面矩阵式喷头8和风机2，制冷装置7经进气管道、截面矩阵式喷头8向风洞1内喷入制冷气体，且截面矩阵式喷头8喷出制冷气体时，其背部气压较低，从而将风洞1内流动的空气快速引射过来，引射后的空气与制冷气体快速混合形成低温气体，低温气体通过试验段5供试验件进行低温高速风洞试验。整个过程中利用制冷装置7或流量调节阀控制截面矩阵式喷头8喷出的制冷气体量，同时通过调节风机2的频率，达到试验段5入口空气的流速、流量和温度要求，不仅能够对风洞1内的空气进行降温，同时还能够增加风洞1内的空气压力，加速风洞1内空气的循环流动，达到空气流动速度的提升，进而可以减小风机2的负载，再者，风洞1内利用截面矩阵式喷头8代替传统方法中的换热器，利用制冷气体与空气的混合便可直接完成低温气体的提供，无需在风洞1内设置换热面积庞大的换热器部件，显著减小了风洞1内空气流动的阻力，可以进一步减小风机2的负载，从而降低风机2的热容和发热量，如此便可减少风机2自损消耗的冷量，节省制冷空气的注入量，从而显著提高能量利用率，且因为能量利用率的提升，无需风洞1大型化的设计，能够显著减少风洞1的体积和占用空间，减小了建造难度也削减了保温材料使用量，达到节能减排和降低建造成本、维护成本的目的，经济性好。同时，由于风洞1结构需要承担很大的温度跨度，热变形是风洞1建设过程中不可忽略的因素，而本实施例通过有效控制风洞1结构的整体体积，削弱了风洞1结构热变形带来的影响。

本说明书中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。