低温风洞是一种在极低温度条件下运行的特殊风洞，主要用于模拟飞行器等物体在高空高速飞行时所遇到的极端气动环境，特别是与低温、稀薄气体和真实气体效应相关的复杂流动现象。它在航空航天领域，尤其是高超音速飞行器、再入飞行器（如航天器返回舱）以及先进推进系统的研发中，具有不可替代的重要作用。

低温风洞通过降低工作介质（通常是空气）的温度来提高实验雷诺数。雷诺数是流体力学中的一个重要参数，用于描述流体流动的特性。提高雷诺数可以更准确地模拟实际飞行条件，特别是在高海拔和高速度的情况下。简单来说，低温风洞是一种通过降低试验气体（通常是空气）的温度来模拟高雷诺数飞行条件的高速风洞。

它的核心原理是：通过降低温度，来增加试验气体的密度和粘度，从而在模型尺寸和风速不变的情况下，大幅提高雷诺数。其核心技术在于制冷技术与流场控制的协同优化‌。

核心原理：为什么需要低温？

要理解低温风洞，必须先理解雷诺数。

雷诺数是流体力学中一个非常重要的无量纲参数，它代表了惯性力与粘性力的比值。

公式为： Re = ρVL / μ

ρ： 气体密度

V： 气流速度

L： 特征长度（如机翼弦长）

μ： 气体动力粘度

在航空和航天领域，雷诺数是衡量飞行器（飞机、火箭等）所处流动状态相似性的关键指标。 要使风洞实验结果能真实反映实际飞行情况，就必须保证风洞实验的雷诺数与真实飞行的雷诺数尽可能一致。

在高空高速飞行环境中，空气密度低（低气压）、温度低，飞行器表面的气流雷诺数远低于地面常规风洞能够模拟的水平。这会导致：

雷诺数不足：影响边界层特性，无法准确预测表面摩擦阻力、流动分离等关键气动性能；

真实气体效应：在高温或低温下，空气分子行为偏离理想气体假设，需要考虑分子振动、解离、电离等复杂过程；

稀薄气体效应：在极高马赫数或极低气压下，连续介质假设失效，需采用分子动力学方法。

传统风洞的局限性：

对于常规的常温风洞，要提高雷诺数，通常只有三种方法：

1. 增大模型尺寸： 建造更大的风洞和模型，成本极其高昂。

2. 提高风速： 接近或超过音速后，会带来激波等复杂问题，且动力需求巨大。

3. 提高气体密度： 加压，同样对风洞结构要求极高，成本高昂。

低温风洞通过以下方式解决上述问题：

1. 降低温度 → 提高空气密度 → 在相同流速下提高雷诺数

▪雷诺数与空气密度成正比，低温下空气密度更高，可以在较低气流速度下获得与高空相似的雷诺数；

▪这样可以使用相对小尺寸模型和较低运行成本，获得高精度气动数据。

2. 保持高压 → 模拟高空低气压但高密度的等效状态

▪通过提高总压，使单位体积内气体分子数量接近于高空实际飞行情况，从而更真实地模拟飞行器表面的气体流动。

3. 更接近真实气体行为

▪低温下空气更接近真实气体性质，有利于研究真实气体效应和热力学非平衡过程。

结果就是：在相同的风速和模型尺寸下，低温能使得雷诺数 Re 大幅提升。 通常，将空气冷却到 -150°C 甚至更低（如 -196°C），其雷诺数可以达到常温常压下的 10 倍以上。

主要特点和关键技术

1. 制冷系统：

▪这是低温风洞的心脏。通常使用液氮（沸点-196°C）、液氢（20K）或机械制冷系统将试验气体冷却。

▪液氮被注入风洞回路中，直接与空气混合换热，或者通过热交换器间接冷却试验气体。

▪需要精密的控制系统来维持稳定的低温环境。

2. 绝热保温：

▪整个风洞回路，特别是试验段，必须进行严格的真空绝热处理，就像一个大号的保温瓶，以防止外部热量传入，减少液氮消耗和温度波动。

3. 材料挑战：

▪在极低温环境下，普通金属会变脆。风洞结构、模型、天平（测量力的传感器）等必须使用特殊的低温材料，如不锈钢、钛合金、因瓦合金等。

4. 防冰与除湿：

▪空气中的水蒸气在低温下会凝结成冰晶，堵塞风洞，损坏设备，并干扰实验数据。因此，在制冷前必须对空气进行深度干燥，去除水分。

5. 驱动系统：

▪可以是压差驱动，也可以是使用大型风扇或压缩机。在低温下，对驱动电机的密封和润滑也有特殊要求

6. 高压气体储存与供应系统

▪需要大型高压储气罐与精确调节系统，以提供高密度、高压的试验气流。

7. 测量与诊断技术

▪包括测力/测压、热线风速仪、PIV（粒子图像测速）、流动显示（如荧光示踪、阴影法）等；

▪在低温下保证传感器正常工作也是一大挑战。

低温风洞的主要类型

根据工作原理与运行方式，低温风洞大致可分为以下几类：

1. 低温连续式风洞

▪可长时间连续运行，适合进行细致的测力、测压、流动显示等试验；

▪通常使用液氮或制冷系统将空气预冷至低温，并通过压缩机维持高压。

2. 低温间歇式/吹气式风洞

▪利用储存的高压低温气体（如液氮蒸发后的高压冷空气）进行短时间吹气试验；

▪适用于瞬态现象研究，如激波结构、流动分离等；

▪建设与运行成本相对较低，但试验时间短。

3. 低温高马赫数风洞（如低温激波风洞、低温膨胀风洞）

▪专门用于模拟极高马赫数（如 Ma > 10~20）的飞行环境；

▪结合低温与激波压缩、膨胀等技术，可研究再入飞行器、高超音速飞行器的气动加热与流动特性。

低温风洞的设备组成

1.低温环境生成系统

这是低温风洞区别于普通风洞的关键。该系统通常采用液氮喷淋、制冷机组或闭式氦制冷循环等方式，将风洞试验段的空气温度降低至-30°C甚至-196°C。液氮通过喷嘴直接注入气流中，快速降温并控制湿度，以模拟高空或极地的寒冷环境。同时配备温度调节阀和热交换器，实现温度的精确控制与稳定。

2.风洞主体结构

包括闭式或开式回流风洞本体。它由收缩段、试验段、扩散段、拐角导流片和风扇驱动系统组成。风扇通常由大功率电机驱动，产生稳定可控的高速气流。风洞内壁采用光滑材料，减少湍流，确保流场均匀性。试验段设有观察窗，便于高速摄像与激光测量。

3.气流调节与稳定装置

包括湍流网格、蜂窝器和整流格栅，用于优化气流质量，降低湍流度，保证进入试验段的气流平稳、均匀。同时配备变频控制系统，调节风扇转速，实现风速的精确设定与动态变化。

4.结冰模拟系统（若用于结冰试验）

该系统通过水雾发生器和喷雾喷嘴阵列，将微米级过冷水滴引入低温气流中，模拟云中结冰环境。水雾粒径、浓度和分布可调，以复现不同气象条件下的结冰过程。

5.试验模型及其支撑系统

被测模型（如机翼、叶片、整车缩比模型）安装在六分量天平上，用于测量气动力与力矩。模型支架采用低热导材料，减少冷量损失，并可实现角度调节（如攻角、偏航角）。

6.数据采集与测量系统

包括压力扫描阀、热电偶、铂电阻温度计、高速摄像机、粒子图像测速（PIV）系统、红外热像仪等，用于实时监测模型表面压力分布、温度场、结冰形态、流场结构等关键参数。

7.控制系统与监控平台

采用工业计算机与PLC系统，集成温度、风速、湿度、水雾、模型姿态等多参数闭环控制，实现试验过程的自动化运行与安全联锁。

8.安全与辅助系统

包括氧气浓度监测仪（防止液氮泄漏导致缺氧）、紧急停机装置、通风系统、除霜/除冰机构以及废气排放处理装置，确保试验人员与设备安全。

低温风洞的建设方案与建设步骤

一、建设方案（总体设计框架）

1. 明确建设目标与用途

•确定风洞主要用途：

•飞机/无人机结冰试验？

•高速飞行器气动热研究？

•风力机叶片防冰测试？

•新能源汽车冬季风阻与热管理？

•定义关键性能指标：

•温度范围：如 -60°C ~ +50°C（常规结冰风洞）或 -196°C ~ -270°C（超低温航天风洞）；

•风速范围：低速（0~100 m/s）、高速（100~300 m/s）或超音速；

•试验段尺寸：如 1.5m × 1.5m × 3m（长）；

•气流均匀性与湍流度：要求湍流度 < 0.5%；

•湿度控制能力：用于结冰试验，需精确控制过冷水滴浓度。

2. 选址与基础设施要求

•场地要求：

•空间充足：风洞本体、冷却系统、配电房、控制室、辅助设备区；

•承重能力高：大型风扇、液氮储罐等设备重量大；

•地基稳定，减少振动干扰。

•公用设施：

•高压电力供应（如10 kV）；

•液氮供应管道或大型储罐区（LN₂）；

•冷却水循环系统；

•压缩空气系统；

•废气排放与通风系统。

3. 技术路线选择

•风洞类型：闭式回流风洞（流场稳定）或开式风洞（成本低）；

•降温方式：

•液氮直接喷淋（降温快，可达-196°C）；

•机械制冷机组（-70°C以内，运行成本低）；

•混合冷却系统（组合使用）；

•控制系统：基于PLC+工控机的集成自动化系统，支持远程监控。

4. 预算与周期规划

•初步估算总投资（数千万至数亿元人民币）；

•建设周期：通常 2~4年，含设计、采购、施工、调试。

二、建设步骤（实施流程）

第一步：可行性研究与立项

•编制《项目建议书》和《可行性研究报告》；

•明确技术需求、投资估算、经济效益；

•获得主管部门或投资方批准立项。

第二步：概念设计与方案论证

•由专业设计院或风洞工程公司进行总体布局设计；

•确定风洞形式、尺寸、气流参数、冷却方式；

•进行CFD（计算流体力学）模拟，优化流场设计；

•组织专家评审，确定最终技术方案。

第三步：详细工程设计

•分系统设计：

•风洞结构设计（收缩段、试验段、扩散段、拐角）；

•风扇与驱动系统设计（电机功率、叶片气动外形）；

•低温系统设计（液氮喷嘴布置、热交换器、保温层）；

•结冰系统设计（水雾发生器、喷嘴阵列）；

•测控系统设计（传感器布局、数据采集链路）；

•安全系统设计（氧浓度监测、紧急停机、通风）。

•出具全套施工图纸与技术规范。

第四步：设备采购与制造

•关键设备招标采购：

•大功率电机与变频器；

•液氮储罐与低温阀门；

•高速风扇与整流装置；

•六分量天平、PIV系统、红外热像仪等测量设备；

•PLC控制系统与工控软件。

•非标设备定制制造：如试验段壳体、模型支架、水雾发生器。

第五步：土建施工与基础建设

•施工内容：

•风洞隧道开挖或厂房建设；

•设备基础浇筑（尤其风扇与电机需防振基础）；

•液氮管道沟槽、电缆沟、通风管道预埋；

•控制室与配电房建设。

•要求：高精度水平度、密封性、隔音与减振。

第六步：设备安装与集成

•按顺序安装：

1. 风洞主体结构拼装（金属壳体焊接或螺接）；

2. 风扇与驱动系统安装；

3. 低温系统（液氮管道、喷嘴、保温层）安装；

4. 水雾系统（水泵、喷嘴、管路）安装；

5. 测量传感器布线与安装；

6. 控制柜、PLC、工控机部署；

7. 模型支撑系统与天平安装。

•所有接口密封处理，防止冷量泄漏。

第七步：系统调试与联调

•分系统调试：

•风洞空载运行，测试风扇振动与气流稳定性；

•低温系统试运行，验证降温速度与温度均匀性；

•水雾系统喷雾试验，检查雾滴分布；

•测控系统信号校准。

•联合调试：

•模拟全流程运行：降温 → 启动风扇 → 引入水雾 → 数据采集；

•使用标准模型（如NACA0012机翼）进行气动标定；

•验证温度、风速、湿度、压力等参数的控制精度。

第八步：性能验收与试运行

•编制《性能测试大纲》；

•进行正式性能测试：

•气流均匀性、湍流度测量；

•温度场分布测试；

•结冰重复性试验；

•数据重复性验证。

•邀请第三方机构或专家组进行验收。

第九步：交付使用与运行维护

•培训操作与维护人员；

•建立运行规程、安全制度、维护计划；

•开展首批科研或工程试验项目；

•定期维护：清理结冰、检查密封、校准传感器、更换易损件。

三、关键注意事项

•安全第一：液氮泄漏可能导致缺氧，必须安装氧气浓度报警器与强制通风系统；

•保温与防结霜：风洞外壁需多层保温（如聚氨酯、真空绝热板），防止外部结霜；

•电磁兼容：高功率电机可能干扰测量信号，需做好屏蔽与接地；

•环保要求：废气、废水（融冰水）需合规处理；

•可扩展性：预留升级空间（如更高风速、更低温度模块）。

低温风洞的主要优势

▪高雷诺数模拟能力： 能以相对较小的尺寸和较低的风速，实现与全尺寸真实飞行相近的雷诺数，这是其最核心的优势。

▪数据质量高： 能够更准确地预测飞行器的气动特性，特别是对于：

▪临界雷诺数效应： 如机翼表面层流到湍流的转捩点的预测。

▪最大升力系数： 预测飞机起降时的失速特性。

▪阻力精确测量： 尤其是摩擦阻力。

▪运行成本相对较低： 虽然建造费用极高，但与建造巨型常温风洞或进行频繁的实飞测试相比，其运行和维护成本在某些应用场景下更具经济性。

应用领域

低温风洞是航空航天领域的“战略重器”，主要用于：

▪民用客机： 优化机翼设计，减少飞行阻力，降低燃油消耗和排放。

▪军用战机： 验证高机动性下的气动性能。

▪航天飞机/空天飞机： 研究再入大气层时的气动热力学特性。

▪火箭： 研究助推器分离等过程中的复杂流动。

▪基础流体研究： 研究湍流、转捩等基础物理现象。