液氮制冷低溫試驗系統(tǒng)設(shè)計及優(yōu)化

崔英偉，雷霆，路梓照，閆旭東

（1.北京強度環(huán)境研究所，北京 100076； 2.天津航天瑞萊科技有限公司，天津 300462）

引言

太陽能無人機翼展通常超過40 m。由于無人機翼展尺寸巨大，且為了滿足嚴格的載荷要求和重量限制，太陽能無人機翼的主梁通常采取空心薄壁碳纖維結(jié)構(gòu)。這種空心薄壁結(jié)構(gòu)在常溫下具有質(zhì)量輕、剛度大、耐久性好的特點，但是在實際飛行中，無人機長時間飛行在海拔10000 m以上的高空，長時間處于低溫環(huán)境（極限低溫-90 ℃），為了驗證碳纖維主梁的高空疲勞性能需要在低溫工況下對無人機主梁的關(guān)鍵部位進行疲勞試驗。

常規(guī)的低溫試驗，主流制冷方式為：壓縮制冷、吸附制冷、液體氣化制冷等，其中應(yīng)用壓縮機制冷的低溫試驗箱由于具有高能效比、高可控性、制冷溫區(qū)較廣等特點應(yīng)用最為廣泛[1,2]。但是由于全尺寸太陽能無人機主梁尺寸過長，且溫度范圍偏低，使用壓縮機制冷需要進行大尺寸溫箱的設(shè)計和制冷功率改造，實現(xiàn)成本過高。試驗要求低溫-90℃，該溫度已經(jīng)超過壓縮機制冷的常規(guī)制冷范圍，通過增加多級壓縮機，加大制冷功率雖然可以滿足制冷要求，但是成本高昂且設(shè)備占地巨大，為兼顧低成本和較大的制冷功率，采用目前較為主流的一低溫液體直接氣化的制冷方式[3]達到低溫制冷的目的。

無人機主梁為薄壁結(jié)構(gòu)，且碳纖維材料導(dǎo)熱性能良好，溫度穩(wěn)定速率較快，溫度穩(wěn)定后沿徑向方向溫度梯度較低，圓筒結(jié)構(gòu)內(nèi)部或外部降溫差異不大，試驗方案選擇在主梁根部內(nèi)部距離法蘭1 m內(nèi)進行制冷，以試驗件內(nèi)壁溫度作為反饋進行閉環(huán)控制。低溫試驗系統(tǒng)應(yīng)該能夠準(zhǔn)確控制溫度（溫度控制精度±2 ℃），且冷風(fēng)噴口應(yīng)該在制冷區(qū)域內(nèi)形成均勻穩(wěn)定的溫度場（溫度均勻度±3 ℃），保證整個試驗區(qū)域的溫度均勻度。

為滿足以上需求，本文闡述了液氮制冷試驗系統(tǒng)的設(shè)計改進過程，為滿足控制精度要求，提出了采取電加熱器輔熱的兩級控制的試驗系統(tǒng)方案，有效的改善了溫度控制精度。為提升降溫區(qū)域的溫度均勻度，本文采用基于CFD流體仿真的多目標(biāo)優(yōu)化，對制冷區(qū)域冷氣噴口進行尺寸優(yōu)化設(shè)計，獲得了合理的噴管尺寸。經(jīng)過實際測試，表明試驗系統(tǒng)設(shè)計合理，溫度控制準(zhǔn)確，溫場分布較為均勻。

1 試驗系統(tǒng)設(shè)計

單節(jié)主梁全長超過4 m，全尺寸進行低溫制冷較為困難。由于疲勞試驗時僅考核主梁根部區(qū)域的結(jié)構(gòu)強度，根據(jù)試驗要求，簡化為僅對主梁根部1 m范圍內(nèi)進行制冷。由于主梁為碳纖維薄壁結(jié)構(gòu)，導(dǎo)熱率高，壁面厚度方向不存在溫度梯度問題，可以采用內(nèi)部制冷的方式進行試驗，使用泡沫保溫材料在主梁內(nèi)部分割出密閉區(qū)域，在密閉區(qū)域內(nèi)進行制冷，該設(shè)計可以將制冷區(qū)域進一步壓縮，降低成本，提升控制質(zhì)量。

降溫的主要方式為液氮氣化制冷，氣化后的低溫氮氣通過低溫氮氣管路噴入制冷區(qū)域，溫度傳感器布置在碳纖維橫梁內(nèi)壁，由控制器控制閉環(huán)控制管路入口的加熱功率和液氮閥門開度，實現(xiàn)精準(zhǔn)溫度控制，內(nèi)部制冷方案示意如圖1所示。

圖1 內(nèi)部制冷方案示意

1.1 溫度控制方案（原始）

溫度控制采取PID閉環(huán)控制的方式進行，由閉環(huán)控制器進行溫度采集和輸出控制。液氮從自增壓液氮罐連接至電動調(diào)節(jié)閥，電動調(diào)節(jié)閥連接液氮氣化罐，液氮經(jīng)過氣化罐后會迅速氣化升溫，氣化后的低溫氮氣充入試驗件內(nèi)部。由熱電偶溫度傳感器采集壁面溫度，通過閉環(huán)控制器的模擬量通道采集至計算機，由PID控制程序?qū)﹄妱诱{(diào)節(jié)閥的開度改變液氮流量進行閉環(huán)調(diào)節(jié)，達到控溫的目的，具體控制流程示意圖如圖2所示。

圖2 溫度控制系統(tǒng)示意

采用模擬件進行試驗測試，溫度控制曲線如圖3所示。從實測試曲線可以看出，降溫段溫度控制精度能夠符合要求，溫度波動較小。到溫后，溫度控制呈現(xiàn)很大波動，最大波動范圍超過±10 ℃。調(diào)節(jié)PID參數(shù)并不能有效解決波動問題。分析控制原因歸結(jié)于液氮蒸發(fā)制冷系統(tǒng)具有長時滯特性，且對于較小的降溫空間，由于制冷系統(tǒng)本身熱容小，系統(tǒng)空間溫度受環(huán)境、閥門調(diào)節(jié)速度等因素影響，控制精度更加難以保證。由于系統(tǒng)熱容較低且需要目標(biāo)低溫僅為-90 ℃時，液氮少量氣化后就能迅速降溫，溫度超過-90 ℃后，閥門關(guān)閉后，由于管路中殘余部分液氮，殘余液氮持續(xù)蒸發(fā)降溫，溫度持續(xù)降低產(chǎn)生過沖，整個延時時間過長，PID控制器的微分作用不能有效調(diào)節(jié)延時效果，閥門不斷開閉，產(chǎn)生了不可控的溫度波動。從-150 ℃的測試曲線可以看出，溫度波動明顯降低，由于滿足-150 ℃降溫時需要液氮持續(xù)氣化產(chǎn)生低溫氮氣，閥門開度較為穩(wěn)定，閥門控制精度可以滿足系統(tǒng)穩(wěn)定要求。

圖3 溫度測試曲線

1.2 溫度控制方案（改進）

根據(jù)上文的分析可知，對狹小空間液氮蒸發(fā)降溫，單獨控制液氮閥門調(diào)節(jié)流量，不能達到良好的溫度控制精度。從測試得到的系統(tǒng)規(guī)律可知，低溫（-120 ～ -150）℃時，系統(tǒng)低溫控制精度較好，溫度控制偏差不超過±3 ℃。

根據(jù)試驗系統(tǒng)特性，為了有效提升液氮制冷控制精度，選擇通過添加管道加熱器的方式進行系統(tǒng)改進。管路加熱器可以使（-120 ～ -150）℃的低溫氮氣穩(wěn)步加熱至-90 ℃，從而實現(xiàn)精準(zhǔn)溫度控制。改進后的控制方案采取二級閉環(huán)控制的策略，第一級閉環(huán)控制器通過調(diào)節(jié)閥門開度控制液氮流量，從而控制管道加熱器入口處的氣流溫度，第二級閉環(huán)控制器通過調(diào)節(jié)管道加熱器的加熱功率，精確控制試驗溫度，具體系統(tǒng)示意如圖4 所示。

圖4 兩級閉環(huán)控制系統(tǒng)示意

采用兩級閉環(huán)控制系統(tǒng)后，溫度控制精度得到顯著提升，實測溫度控制曲線如圖5。

圖5 兩級閉環(huán)溫度控制曲線

2 氮氣噴管優(yōu)化設(shè)計

根據(jù)圖2的內(nèi)部制冷方案可知，低溫試驗時，由噴管噴出低溫氮氣對主梁內(nèi)部空間進行制冷，主要的熱交換方式為熱傳導(dǎo)和熱對流。為驗證降溫區(qū)域熱溫度場是否均勻，采取CFD流體仿真對試驗區(qū)域溫度均勻度進行驗證。

圓筒內(nèi)部空間為標(biāo)準(zhǔn)長度1 m直徑300 mm的圓柱體，噴管直徑30 mm，低溫氣體噴孔和排氣孔均為中心對稱布置，噴孔為沿著噴管長度方向均布9組噴嘴，每個噴嘴直徑均為4 mm，每組環(huán)向均布6個，為了減少計算成本，將三維實體簡化成2D對稱模型進行計算，簡化后的模型如圖6。

圖6 制冷區(qū)域2D模型（軸對稱模型）

在Fluent按照上圖的2D幾何模型進行建模[4,5]。根據(jù)工程經(jīng)驗[6,7]，選擇k-ε湍流模型，計算方法采用耦合方法。根據(jù)流體計算的工程經(jīng)驗，壁面函數(shù)的選擇對于傳熱計算影響差異較小[8,9]，為節(jié)省流體計算量，采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)進行壁面效應(yīng)模擬。

計算迭代80步后完成收斂，計算結(jié)果如圖7。

從圖7可以看出，制冷區(qū)域內(nèi)部沒有形成均勻穩(wěn)定的溫度場，壁面溫度最大偏差為11.2℃。從計算域顯示的溫度和氣體流速云圖可以看出，計算區(qū)域區(qū)域的溫度分布受到噴嘴流速影響，噴嘴相同直徑的狀態(tài)下，在噴管末端低溫氣體流速快，相應(yīng)的區(qū)域溫度偏低，靠近入口處，低溫氣體流速低，相應(yīng)區(qū)域溫度偏高。

圖7 Fluent計算結(jié)果

從以上分析可以看出，制冷區(qū)域的氣體流速主要受到制冷噴嘴的尺寸影響，本文選擇對氮氣噴管上的均布噴嘴的孔徑以及噴管的直徑進行尺寸優(yōu)化設(shè)計，以獲得較為均勻的制冷氣流，確保制冷空間的溫度均勻性。

2.1 優(yōu)化策略

應(yīng)用Ansys-Workbench的通用建模模塊SpaceClaim進行參數(shù)化建模,該模塊具有基于Python的腳本功能，可以滿足多種復(fù)雜的建模操作。通過python指令參數(shù)化建模，以每個噴嘴直徑（PZD1-PZD9）以及噴管半徑（GR）作為設(shè)計變量，各設(shè)計變量的設(shè)計域見表1。

表1 優(yōu)化設(shè)計域

采用Fluent進行流體計算，將管壁的溫度峰值差（Td）和最高溫度（Tmax）作為輸出結(jié)果傳遞至Ansys-Workbench的優(yōu)化設(shè)計模塊。

優(yōu)化設(shè)計方法選擇多目標(biāo)遺傳算法[10]，它支持多種目標(biāo)和約束。優(yōu)化目標(biāo)為盡量減小Td值，約束變量為最高溫度不超過190 k。

2.2 優(yōu)化結(jié)果

優(yōu)化計算經(jīng)過602次迭代完成，優(yōu)化后Td值最低為1.8 K，對應(yīng)的最優(yōu)設(shè)計變量組合如表2。

表2 最優(yōu)設(shè)計變量

最優(yōu)設(shè)計壁面溫度分布如圖8。

圖8 壁面溫度分布曲線（最優(yōu)設(shè)計）

2.3 試驗驗證

根據(jù)最優(yōu)設(shè)計參數(shù)進行實物加工。經(jīng)驗證，溫度穩(wěn)定后得到管壁溫度偏差最大值為4.7℃，最高溫度出現(xiàn)在靠近排氣口的位置，測試結(jié)果與仿真結(jié)果存在一定偏差，但是整體溫度均勻度可以滿足試驗要求。偏差的主要原因在于流體計算采用的是2D模型，2D模型與3D模型存在一定差異，且仿真過程中對于排氣口出現(xiàn)的氣體回流問題無過多考慮，這些因素均對仿真結(jié)果造成影響。

3 結(jié)束語

本文依托于太陽能無人機主梁的低溫試驗需求，設(shè)計了一套低溫試驗系統(tǒng)，該系統(tǒng)應(yīng)能夠在圓柱形密閉空間內(nèi)完成均勻穩(wěn)定制冷降溫。針對穩(wěn)定的溫度控制要求，對試驗控制方案進行了改進設(shè)計，以電輔熱雙閉環(huán)的控制方案解決了由于液氮蒸發(fā)制冷系統(tǒng)延時造成的溫度波動問題。為滿足制冷空間的溫度均勻度要求，結(jié)合CFD仿真和自適應(yīng)多目標(biāo)優(yōu)化方法對低溫氮氣噴管進行了尺寸優(yōu)化設(shè)計。經(jīng)過試驗結(jié)果驗證，試驗系統(tǒng)溫度控制精準(zhǔn)且溫度均勻度較好，試驗系統(tǒng)可以有效滿足需求。