多功能结冰风洞是一种用于研究飞机在结冰气象条件下飞行时，不同部件迎风表面和探测仪器的机外传感部分的结冰形态、结冰容限及其防（除）冰技术的地面试验设备。它是中国国家重大科技基础设施项目，主要用于研究解决飞机飞行中的结冰和噪声等问题。
多功能结冰风洞是一种高度集成的环境模拟试验设施，能够模拟低温、高湿、结冰、强风等多种极端气候条件，主要用于汽车、航空、轨道交通、风电等领域的产品在冰雪环境下的性能验证与可靠性测试。它不仅是产品研发的关键工具，也是保障产品在寒区安全运行的重要技术支撑。
工作原理
通过风机产生高速气流，模拟飞行器等在空中飞行时的气流环境；利用制冷系统降低空气温度，结合喷雾系统将水雾化并喷入低温气流中，使水滴在试验模型表面遇冷结冰，以此模拟自然环境中的结冰过程。
该风洞填补中国在该研究领域试验设备的空白，形成中国研制先进的航空航天飞行器的试验平台，成为飞机结冰研究、防除冰技术验证和降噪技术研究的地面试验中心。它将进一步提升空气动力试验与研究水平，为新一代大型客机等重大项目的研制提供有力支撑。
核心功能与试验能力
1. 结冰模拟
▪可复现低温、低压、高湿度的云雾环境，通过喷雾系统生成过冷水滴（液态水含量0.2~3g/m³），模拟真实飞行中的结冰过程。
▪支持常规结冰、发动机进气道结冰及冰晶/过冷大水滴结冰等特殊试验。
2. 防除冰验证
▪测试热气防冰、电热除冰等系统有效性，评估防冰表面范围及最小需用功率。
▪验证结冰探测仪器的准确性，优化除冰时机。
3. 低温环境模拟
▪温度可低至 -40℃ ~ -70℃
4. 高湿与结冰模拟
▪相对湿度可达 80% 以上，配合喷雾系统实现过冷水滴结冰
5. 风速模拟
▪风速范围 0～120 km/h（部分可达 200 km/h），模拟行驶或自然风载
6. 复合环境叠加
▪可实现“低温 + 高湿 + 风速 + 喷雾”多因素耦合测试
多功能结冰风洞包括两个风洞试验回路，即结冰回路和声学回路。结冰风洞可以模拟结冰环境，以便进行试验模型的结冰及防（除）冰试验。为此，结冰风洞中需要配置大型热交换器和喷雾装置。运行时，热交换器首先把风洞内的气流冷却到冰点温度以下，然后位于试验段上游的喷雾装置喷射雾化水滴形成符合结冰要求的云雾条件。
声学风洞则是通过消声的方法降低试验段背景噪声，用于进行气动声学试验研究的风洞，是进行飞行器、地面车辆噪声等声学工程研究的基础设施。声学风洞声学设计的目标是在保证良好的流场品质条件下，具有无声反射的自由场、可进行远场声测量的足够距离及足够低的风洞背景噪声。
多功能结冰风洞的核心系统组成：
1. 制冷系统
制冷系统是结冰风洞的“心脏”，负责提供并维持试验所需的低温环境。
•制冷方式：
通常采用复叠式制冷技术，由中温级和低温级两级制冷循环组成：
•中温级：使用 R404A、R507 等中温制冷剂，将温度降至 -40℃ 左右；
•低温级：使用 R23、R14 或 CO₂（二氧化碳）等超低温制冷剂，进一步将温度降至 -70℃ 甚至更低。
•核心设备：
•螺杆式或活塞式压缩机（多台并联，提升可靠性）
•冷凝器（风冷或水冷）
•蒸发器（翅片管式或板式，安装于风道内）
•膨胀阀（电子膨胀阀精确控制流量）
•制冷剂储罐与油分离系统
•温控精度：
•温度范围：-70℃ ~ +70℃（可调）
•温度波动度：≤ ±0.5℃
•温场均匀性：试验段内温差 ≤ ±1℃
2. 风洞系统
风洞系统用于产生可控的气流，模拟车辆行驶或自然风载条件下的空气动力环境。
•风机系统：
•采用变频调速离心风机，风速连续可调（0～120 km/h，部分可达 200 km/h）
•风机功率根据试验段尺寸和风速要求配置（通常 100～500 kW）
•配备高效电机与减振装置，降低噪声与振动
•风道结构：
•类型：直流式（单向流动）或 回流式（闭式循环，节能）
•组成：
•收缩段：加速气流，提高均匀性
•稳流段（整流格栅 + 蜂窝器）：消除涡流，保证气流稳定
•试验段：测试区域，尺寸根据测试对象定制（如整车：≥8m×4m×4m）
•扩散段：回收动能，减少能耗
•风速测量与控制：
•使用热线风速仪或皮托管实时监测风速
•PLC 控制风机变频器，实现风速精确设定与稳定运行
3. 加湿与喷雾系统
该系统用于模拟高湿环境和过冷水滴，是实现“结冰”功能的核心。
•加湿系统：
•超声波加湿器：产生微米级水雾，快速提升湿度
•高压喷嘴加湿：通过高压水泵将去离子水雾化喷入气流
•湿度控制范围：20% ~ 98% RH（在低温下仍可维持 ≥80% RH）
•过冷水喷雾系统：
•功能：喷射温度低于0℃但仍为液态的“过冷水滴”，撞击试件表面后迅速冻结，模拟自然结冰过程
•喷嘴类型：气液两相喷嘴或压力雾化喷嘴
•水滴粒径：可调范围 10～100 μm，模拟不同云层条件
•水温控制：通过独立制冷系统将水温降至 -5℃ ~ -15℃
•喷雾流量：可编程控制，实现间歇或连续喷雾
•水质要求：使用去离子水或软化水，防止喷嘴堵塞和结冰杂质
4. 试验段与转毂系统
试验段是放置测试对象的核心区域，可集成动态测试功能。
•试验段设计：
•内壁材料：不锈钢或防结露复合板
•观察窗：双层或三层真空玻璃，防结霜
•照明系统：防爆LED灯，照度 ≥ 500 lux
•安全门：气密设计，配备锁紧装置
•转毂系统（可选）：
•支持车辆在模拟行驶状态下进行结冰测试（如60km/h）
•可测量驱动力、滑移率等参数
•配备冷却系统，防止转毂过热
5. 数据采集与监控系统
用于实时采集、记录和分析试验过程中的各项参数。
•传感器网络：
•温度传感器（PT100）：分布于试验段各位置
•湿度传感器（电容式）：高精度测量相对湿度
•风速传感器（热线/皮托管）
•压力传感器
•表面温度传感器（贴附于试件表面）
•红外热像仪：实时监测结冰过程与温度分布
•采集设备：
•多通道数据采集仪（如NI、Agilent、LMS）
•支持高速采样（≥10 Hz），数据同步存储
•视频监控：
•高清工业摄像头（防雾、防冻）
•可选配显微摄像头观察微结冰形态
6. 控制系统
实现整个风洞系统的自动化运行与集中管理。
•控制架构：
•PLC（可编程逻辑控制器）：底层逻辑控制
•工业计算机（IPC）：上位机操作界面
•HMI（人机界面）：触摸屏操作面板
•功能特点：
•预设多种标准工况（如“-20℃ + 90%RH + 60km/h + 喷雾”）
•程序化运行（可设定升温/降温斜率、喷雾周期等）
•实时数据显示、曲线绘制、报警提示
•数据导出（Excel、CSV）、报告自动生成
•支持远程监控与故障诊断
7. 安全与辅助系统
保障设备与人员安全，提升运行效率。
•安全防护：
•缺氧报警系统（防止氮气或CO₂泄漏导致窒息）
•紧急停机按钮（E-Stop）
•制冷剂泄漏检测
•防冻保护（防止管道冻裂）
•排水与除霜系统：
•试验结束后自动启动除霜程序
•排水管路加热，防止冻结
•废水收集与处理系统
•水处理系统：
•去离子水制备装置
•过滤器（防止喷嘴堵塞）
•水循环利用系统（节能环保）
•供电系统：
•独立配电柜，配备稳压与过载保护
•应急电源（可选）
多功能结冰风洞的方案设计与建设步骤
多功能结冰风洞的建设内容包括：结冰回路、回路主体（钢结构）及其测量控制系统、制冷站、辅助设施厂房、试验楼、风扇控制厂房、蒸汽锅炉房、真空泵房、供电厂房、综合楼等。
一、方案设计阶段
1. 需求调研与目标定义
在项目启动初期，必须明确风洞的核心用途和测试对象：
•测试车型/设备类型：是用于整车（乘用车、商用车）、动力电池、传感器、飞机部件还是风电叶片？
•最大测试尺寸：确定试验段的最小净空尺寸（长×宽×高），通常需预留安全余量（如车长+1m）。
•功能需求：
•是否需要动态测试（集成转毂系统）？
•是否要求过冷水滴喷雾实现真实结冰？
•是否需模拟除霜除雾过程？
•技术标准：依据哪些标准进行测试？如：
•汽车：SAE J902（除霜性能）、GB/T 24552-2009（车辆低温冷启动）
•航空：FAR 25.1419（飞机结冰适航）
•企业内部标准（如大众、通用、特斯拉的寒区测试规范）
此阶段需形成《用户需求说明书》（URS），作为后续设计的技术输入。
2. 总体方案设计
基于需求，进行风洞的总体架构设计，包括：
•风洞类型选择：
•直流式风洞：气流单向流动，结构简单，适用于中小型设备；
•回流式风洞（闭式循环）：节能高效，温湿度控制更稳定，适合大型整车级试验。
•试验段布局：
•确定试验段位置、尺寸、观察窗、照明、摄像头布置；
•预留转毂安装空间（若需动态测试）。
•系统组成规划：
•制冷系统（复叠式制冷）
•风洞系统（风机、风道、整流装置）
•加湿与喷雾系统（超声波加湿 + 过冷水喷雾）
•数据采集与监控系统
•控制系统（PLC + HMI）
•安全与辅助系统
输出《初步设计方案》，含系统框图、主要技术参数、设备选型建议。
3. 关键技术参数设计
确定风洞的核心性能指标：
•温度范围： -70℃ ~ +70℃（可调）
•温度波动度：≤ ±0.5℃
•湿度范围：20% ~ 98% RH（低温下 ≥80% RH）
•风速范围：0～120 km/h（可扩展至 200 km/h）
•喷雾系统：水滴粒径 10～100 μm，水温 -5℃ ~ -15℃（过冷水）
•试验段尺寸：≥ 8m（长）× 4m（宽）× 4m（高）（以中型车为例）
•制冷功率：≥ 300 kW（视规模而定）
•控制方式：PLC + 触摸屏 + 远程监控
同时进行CFD（计算流体动力学）模拟，优化风道结构，确保气流均匀性（速度不均匀度 ≤ ±5%）、温场均匀性（≤ ±1℃），避免涡流和死区。
4. 土建与基础设施设计
与建筑设计院协同，完成风洞对土建的要求：
•承重设计：地面需承受制冷机组、风机、水箱等重型设备（≥ 500 kg/m²）
•排水系统：设置大口径排水沟（DN150以上），配备防冻排水泵
•供电系统：提供独立三相电源（380V/50Hz），总功率 ≥ 500 kW，配备稳压与应急电源
•供水系统：去离子水接入（水质电导率 < 5 μS/cm）
•通风与排风：试验后除湿排风，防止室内结露
•隔音设计：风机噪声大，需设置隔音墙或独立机房
输出《土建配合图纸》和《基础设施技术要求》。
5. 方案评审与确认
组织客户、使用部门、安全管理人员、第三方专家进行方案评审会，重点审查：
•技术参数是否满足测试需求
•系统配置是否合理
•安全防护措施是否到位
•预算是否可控
根据评审意见修改方案，最终形成《最终技术协议》，作为建设依据。
二、建设实施步骤
1. 设备制造与工厂预装
在专业工厂内完成核心设备的制造与预调试：
•制冷机组、风机、风道模块化预制
•控制柜、数据采集系统编程与测试
•喷雾系统组装与泄漏检测
•整体系统在工厂进行空载联调，验证制冷、风速、加湿、控制逻辑是否正常
预装合格后，设备拆解、编号、包装，发往现场。
2. 现场安装
设备到场后，按顺序进行安装：
•钢结构与围护安装：搭建风洞主体框架，安装不锈钢或彩钢板围护结构
•风道系统安装：吊装收缩段、稳流段、试验段、扩散段，焊接密封
•制冷系统安装：压缩机、冷凝器、蒸发器、管道连接，抽真空、充注制冷剂
•喷雾系统安装：水泵、喷嘴、水路管道、去离子水装置
•电气系统安装：控制柜就位、电缆敷设、传感器接线、接地保护
•转毂系统安装（若配置）：基座浇筑、设备吊装、对中调试
所有安装过程需符合压力容器、电气安全、制冷工程等规范。
3. 系统调试
安装完成后进入调试阶段：
•单机调试：分别测试制冷机组启停、风机运行、喷雾喷水、加湿功能
•联动调试：
•启动制冷系统，测试降温速率与最低温度
•开启风机，测量风速分布与均匀性
•启动加湿与喷雾，验证湿度控制与过冷水生成
•运行控制系统，检查人机界面、报警功能、数据记录
•CFD验证：使用风速仪和温度传感器实测风场与温场，与模拟结果对比，必要时调整整流格栅或喷嘴布局
•带载测试：放入标准测试车辆或模拟体，运行完整结冰程序（如“-20℃ + 90%RH + 60km/h + 喷雾”），观察结冰形态与过程
调试过程需记录所有数据，形成《调试报告》。
4. 验收与培训
调试稳定后，组织正式验收：
•空载验收：检查设备运行状态、控制精度、安全功能
•带载验收：完成一次完整结冰试验，验证系统性能
•文件验收：提交操作手册、维护指南、电气图纸、设备清单、校准证书等
验收通过后，对客户操作与维护人员进行系统培训，内容包括：
•日常操作流程
•参数设定方法
•喷嘴清洗与更换
•制冷系统维护
•故障识别与应急处理
5. 交付与售后服务
完成验收和培训后，项目正式交付使用。供应商提供：
•质保服务（通常1～2年）
•定期巡检与预防性维护
•备件供应与远程技术支持
•升级改造服务（如增加新测试功能）
典型应用场景
1. 汽车行业
- 验证整车在冰雪环境下的启动性能、热管理系统（空调、电池）、除霜除雾能力
- 测试车灯、传感器（雷达、摄像头）在结冰条件下的功能可靠性
- 检查门把手、车门密封条低温耐久性
2. 新能源汽车
- 电池包低温充放电性能与热失控风险评估
- 电驱动系统低温润滑与密封测试
- 空调热泵系统在-20℃以下制热效率验证
3. 航空航天
- 飞机机翼、发动机进气道结冰试验
- 无人机在结冰条件下的飞行稳定性测试
4. 轨道交通
- 高铁受电弓、转向架结冰影响分析
- 车门、制动系统低温运行可靠性
5. 风电设备
- 风力发电机叶片结冰对气动性能的影响研究
- 除冰系统有效性验证
✅ 总结
多功能结冰风洞是一个集低温工程、流体力学、自动控制、材料科学于一体的复杂系统，其七大核心系统协同工作，实现对极端冰雪环境的高精度模拟。各系统的技术水平直接决定了风洞的测试能力、稳定性与可靠性。随着新能源汽车、智能驾驶、大飞机等高端制造业的发展，对产品在寒区环境下的适应性要求越来越高，多功能结冰风洞已成为企业研发创新和质量保障不可或缺的关键基础设施。选择具备整体集成能力的专业供应商，如北京易盛泰和，可确保项目高效落地，满足高标准测试需求。
代表企业与技术实力
北京易盛泰和科技有限公司在多功能结冰风洞领域具备以下优势：
与南京航空航天大学共建“环境控制研发中心”，技术源头强大
成功为军工、航天、汽车企业建设多座复合环境模拟实验室
掌握低温控制、喷雾结冰、气流组织等核心技术
提供从方案设计、设备制造、安装调试到售后维护的全生命周期服务
