大型低温高雷诺数风洞及其关键技术综述

随着航空运输业的发展,先进飞行器的精细化设计要求有飞行雷诺数下的气动数据为支撑。大型低温高雷诺数风洞(如ETW、NTF)是真实再现飞行器飞行状态流动特性的最佳地面试验设备。文中归纳总结了大型高雷诺数风洞的实现途径和风洞型式,分析了当前低温风洞的国内外现状,深入剖析了大型连续式低温风洞设计建设的关键技术及解决措施,对我国自行开展大型低温高雷诺数风洞的设计建设具有重要参考意义,并对成功建设我国大型低温高雷诺数风洞进行了展望。     

大型低温风洞结构设计关键技术分析

高雷诺数的模拟对飞行器的研制至关重要,是衡量风洞模拟能力的主要参数,低温风洞是工程上实现高雷诺数模拟的有效途径.作为低温风洞主体的洞体机械系统是其核心承载和功能设备,具有结构复杂、功能集成度高、可承受交变载荷等特点.通过分析国外低温风洞设计建设历程,结合国内低温风洞工程技术现状,对大型低温风洞洞体机械系统结构设计的关键...     

大型连续式跨声速风洞总体方案与关键技术研究

大型连续式跨声速风洞具备飞行器外形精确模拟、气动弹性评估和机体/推进一体化设计等试验能力,试验段尺寸大、指标要求高、系统规模大、运行功能多.围绕大型连续式跨声速风洞的特点,简要介绍了大型连续式跨声速风洞总体设计方案,重点介绍了世界一流流场品质实现、大型轴流压缩机及其驱动系统研制等关键技术的初步研究成果.     

低温风洞绝热结构设计与性能分析

绝热结构设计是建造大型低温风洞的关键环节之一。结合数值计算与试验,开展了绝热结构设计和性能分析研究。基于风洞运行条件,对绝热结构进行了设计和选材;建立了绝热结构有限元模型,基于风洞运行的最恶劣工况对绝热结构性能进行了数值计算分析,分析其绝热特性和应力分布规律。设计构建了可模拟低温风洞服役环境的试验舱平台,开展了低温交变压力冲击下的应力/应变和温度测量试验。研究结果表明:设计的绝热结构满足低温风洞运行要求,设计的试验舱平台适用于绝热结构性能考核,也为研究其他材料在低温环境下的热力学性能提供了一套可靠的试验平台。     

栅格舵气动与操纵特性高速风洞试验技术研究

为研究飞行器单独栅格舵全尺寸模型气动特性,考核、验证舵控系统操纵性能,在FL-24风洞(1.2m×1.2m)开展了专项试验技术研究.首次在国内高速风洞建立了全尺寸栅格舵高速风洞试验平台,主要内容包括:风洞大载荷侧壁支撑装置设计、高速风洞模型保护装置设计、高灵敏度气动测试天平研制、模型风载条件下变形测试系统设计以及动态气动力测量与数据处理方法等.该项试验技术实现了模型气动与舵控系统以及气动与结构一体化试验验证,为栅格舵尾翼布局飞行器相关专业设计及飞行试验提供了重要试验数据.     

φ5m立式风洞结构设计

φ5m立式风洞是我国第一座大型立式风洞.开口单回流形式且垂直布置的大尺寸风洞结构是该风洞的显著特点,也是该风洞与常规低速风洞结构的重要区别,笔者针对φ5m立式风洞垂直布置的结构特点主要介绍了该风洞的结构设计概况.该风洞采用钢结构、玻璃钢结构和砼结构相结合的混合结构形式,较好地解决了洞体整体稳定性、洞体悬臂结构的支撑、第一扩散段悬置、大型结构构件的安装、定位和联接、大型设备(特别动力电机)维护保养等问题.     

高超声速风洞真空系统临界压力比实验研究

临界压力是暂冲式高超声速风洞实验段流场破坏时真空罐中的压力值，临界压力比影响Ma10以上大型高超声速风洞真空系统的设计。在Φ0.3m高超声速低密度风洞中进行了Ma10以上喷管的实验，测量了风洞实验段静压、流场的皮托压力、扩压器内表面前后压力、真空罐压力等参数，了解了各部位流场随真空罐压力升高的变化过程，获得了现有风洞Ma10、Ma12和Ma16各自的流场维持所需临界压力比分别为0.34、0.35和0.5。采用FASTRAN软件模拟了风洞流场建立到破坏的非定常过程，计算结果与实验结果较为一致。临界压力比的获得为类似大型高超声速风洞真空系统设计提供了关键基础数据。     

低温风洞新形式——换热引射式低温风洞

提出了一种新的低温风洞形式-换热引射式低温风洞.这种风洞比连续式低温风洞可以减少投资经费,比引射式低温风洞可以降低运转费用.风洞主要采用了换热器回收大量的风洞排出的低温气体来加热引射气流.经计算分析表明,这种形式风洞的液氮消耗量不仅远低于引射式低温风洞,甚至在很多运行工况低于连续式低温风洞.若能解决参数控制等问题,预计具有良好的应用前景.     

连续式跨声速风洞大开角扩散段设计方法研究概述

随着我国自主研发大飞机项目的启动,对相应的高性能大型连续式跨声速风洞这一基础试验平台建设提出了日趋紧迫的需求.大开角扩散段在减小风洞尺寸的同时会引起气流分离,扩散段形状和内部整流装置的合理设计有着重要的意义.首先阐述大开角扩散段在连续式跨声速风洞中的作用,然后介绍了大开角扩散段在国外连续式风洞中的应用情况、布置位置和整流方式,主要分析比较目前几种大开角扩散段内阻尼网的设计方法,总结出一种最为优化的设计方案.最后对国内大型连续式跨声速风洞大开角扩散段的设计提出了几点建议.     

新型空气低温跨声速原理性风洞研制

为解决常规风洞雷诺数模拟不足的问题，采用低温风洞已被证明是一条可行的途径。目前世界上几乎所有运转的低温风洞都是采用液氮气化吸热方法来降低和保持试验气体的温度。对于大型低温风洞，这种制冷方案存在着运转费用高昂和环境污染的缺点。为克服上述缺点，俞鸿儒院士提出了一种用空气作试验气体，藉热分离器制冷并回收排气冷量的新型低温风洞的概念。此原理性风洞的研制就是要从其基本原理、设计特点及实验结果等方面来验证和探讨这种新概念的可行性和应用前景。     

国外低温内式应变天平技术研究进展

作为低温风洞测力试验的核心测试设备，低温天平受低温风洞气流温度低、温度变化大的影响，会产生零点温度漂移、灵敏度变化等一系列问题，对试验数据的精准度产生影响。因此，相较常温天平而言，低温天平的研制要求更多，难度也更大。在广泛调研国外低温天平研究进展与关键技术的基础上，系统介绍了低温天平的设计与优化、天平材料的选取及热处理、天平的加工与制造、天平应变片的匹配及粘贴、天平校准方法及校准设备等天平研制的多个关键环节，并对未来低温天平技术的发展进行了展望，为我国低温天平的研制及工程化应用提供参考。     

0.3 m低温连续式跨声速风洞结构设计

低温风洞运行过程中，洞体回路承受的温度低且温度变化范围大，使结构产生较大的热变形和热应力，将影响风洞的气动性能和安全性。在进行0.3 m低温风洞结构设计时，通过合理选取风洞结构材料、采取驻室夹层内腔的气流换热和结构热变形释放等措施对结构热变形进行有效控制，并针对洞体回路的热变形和热应力计算等内容开展了仿真研究。计算结果表明，降温7200 s后，拐角导流片的温度降至约110 K，稳定段的法兰温度约为250 K，洞体回路的最大热应力出现在换热器驻室壳体上，约为110 MPa，安全系数大于1.8；洞体回路温度降至90 K时，长轴方向收缩约为29 mm，短轴方向收缩约为12 mm。通过低温风洞试验发现，仿真计算结果接近于实际的测量结果，调试试验结果验证了该风洞结构设计的可靠性。     

连续式跨声速风洞降温系统液氮存储装置的设计与调试

低温运行是提高风洞实验雷诺数的有效途径。采用喷洒液氮的方式，NF-6风洞建成了国内第一套适用于连续式跨声速风洞的降温系统。介绍了NF-6风洞降温系统的总体方案和主要技术指标，重点介绍其液氮存储装置的结构和技术原理，给出了静态和通气运行调试结果。测试结果表明:提出的液氮需求量计算方法正确，为储罐容积估算提供了理论依据；液氮存储装置设计合理，液氮加注通畅平稳，自增压系统工作正常，绝热性满足低温液氮存储要求；储罐的液氮日蒸发率为0.044%，远低于设计指标；液氮存储装置与降温系统整体匹配良好、工作稳定，总温、总压、马赫数以及运行时间等关键指标达到设计要求。     

基于流固热耦合低温风洞扩散段热力学特性分析

低温风洞降温过程中，温度变化范围大，容易在结构内部引发较大热应力，影响设备运行安全。以中国空气动力研究与发展中心0.3m跨声速低温风洞扩散段为研究对象，基于流固热耦合方法，采用多物理场数据交换接口MpCCI，联合结构有限元软件Abaqus和计算流体动力学软件Fluent，建立扩散段的流固热耦合仿真模型，分析低温内流场的换热特性，计算低温风洞结构的温度及应力分布。通过低温风洞试验发现，流固热耦合仿真结果接近于实际的测量结果，能够准确反映低温风洞结构的热力学特性，可为低温风洞的结构安全性能优化提供可靠的仿真分析方法。     

产生风洞低温试验气流的新途径

降低风洞气流总温是提高亚、跨声速风洞雷诺数的有效方法。现有采用液氮致冷的生产型低温风洞能满足设计各种新型飞机进行气动试验所需的雷诺数要求，但由于需耗用大量液氮，导致运行费用高昂，此外，排出大量低温缺氧气体还严重影响生态和环境，为此本文提出一种新颖的致冷途径。首先在风洞排气口添置双向式热交换器。利用排气携带的冷量将流入风洞的压缩气体预冷。既回收利用了排气的能量，同时还将排气温度提高。预冷过的压缩气体再通过热分离器进一步将温度降至近冷凝点或使其凝结，分别用作直通型或回流型低温风洞的气源。原理性实验结果及其推算表明：常规风洞使用的中压气源就能满足常压、低温风洞运行要求。     

基于响应面法的低温风洞扩散段热力学模型修正

低温风洞运行过程消耗大量液氮和电力，洞体结构产生附加热应力和热变形，建立可靠的低温风洞热力学模型对研究风洞运行安全性和经济性是必不可少的。以低温风洞扩散段为方法研究对象，建立有限元热力学模型，为提高热力学模型和实际模型的相关性，使用响应面法对有限元热力学模型多个参数进行修正。通过对比分析温度、应力监测点试验数据和仿真数据的差别，确定驻室锥形体内表面对流换热系数为待修正参数；使用中心复合试验设计生成有限元热分析样本空间，以温度、应力监测点试验数据和仿真数据的残差均方和为考核指标，在样本空间内对残差均方和进行非线性回归分析，建立残差均方和的响应面模型；以所有监测点残差均方和总和为目标函数，在样本空间内进行多目标非线性优化分析，得到最优解；验证修正后的热力学模型，结果表明:（1）基于响应面法的热力学模型修正是可行的；（2）修正后的热力学模型分析数据与试验数据吻合性提高，并且适用于其它降温试验。     

小型低温风洞压缩机转子结构设计

低温风洞的轴流压缩机是整个风洞的动力装置，具有温度范围宽广、运转速度较高等特点。本文围绕低温压缩机的转子结构设计，论述了压缩机主轴-轮毂连接、轮毂-叶片连接、轴承的选取、轴承的润滑、密封结构形式以及轴系热防护方案等关键技术，针对弹性支承下的转子动力学校核以及转子热应力计算等内容开展了仿真研究。计算结果表明，转子第一阶临界转速远高于最大转速，降温结束时推力轴承座圆锥面内侧的最大应力值约170MPa，安全系数大于1.5。压缩机组和小型低温风洞进行了联合调试，当总温降至110K时，轴承温度大于5℃，轴承振动在全转速范围内小于3mm/s。各项性能指标均满足使用要求，调试结果验证了该压缩机转子系统设计的可靠性。