廖達(dá)雄, 黃知龍, 陳振華, 湯更生

(中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心 空氣動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 四川 綿陽(yáng) 621000)

0 引 言

風(fēng)洞試驗(yàn)要遵循一系列相似準(zhǔn)則，其中雷諾數(shù)是最主要的相似參數(shù)之一。雷諾數(shù)表征氣體慣性力與粘性力之比，是流動(dòng)分型與演化的關(guān)鍵參數(shù)，理論上風(fēng)洞試驗(yàn)應(yīng)該準(zhǔn)確模擬飛行器的飛行雷諾數(shù)。

雷諾數(shù)的變化主要影響邊界層發(fā)展和轉(zhuǎn)捩、邊界層分離、旋渦流動(dòng)、激波/邊界層干擾、激波/旋渦干擾、底部流動(dòng)與尾跡和粘性橫流等粘性起支配作用的流動(dòng)(見(jiàn)圖1)。風(fēng)洞試驗(yàn)的雷諾數(shù)模擬不足，將會(huì)使上述流動(dòng)現(xiàn)象發(fā)生變化，與真實(shí)飛行存在差異，導(dǎo)致飛機(jī)焦點(diǎn)、最大升力系數(shù)和阻力系數(shù)等氣動(dòng)參數(shù)預(yù)測(cè)不準(zhǔn)，尤其是影響飛機(jī)經(jīng)濟(jì)性的阻力特性和影響飛機(jī)安全性的最大升力系數(shù)會(huì)發(fā)生很大偏差(見(jiàn)圖2)。美國(guó)的C-141就是因?yàn)轱L(fēng)洞試驗(yàn)雷諾數(shù)太低，試驗(yàn)的焦點(diǎn)位置與飛行相差很大，險(xiǎn)些出現(xiàn)機(jī)毀人亡的重大事故，不得不投入巨資和花費(fèi)相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間對(duì)飛機(jī)進(jìn)行改進(jìn)?，F(xiàn)代大型客機(jī)為了追求更高的經(jīng)濟(jì)性，普遍采用超臨界機(jī)翼，其氣動(dòng)特性對(duì)雷諾數(shù)尤為敏感。同時(shí)，現(xiàn)代大型飛機(jī)尺寸也越來(lái)越大，雷諾數(shù)效應(yīng)問(wèn)題更為突出。雷諾數(shù)模擬能力的不足,使得基于常規(guī)風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果的飛行器氣動(dòng)設(shè)計(jì)和性能預(yù)測(cè)會(huì)出現(xiàn)偏差，可能導(dǎo)致飛行器設(shè)計(jì)方案更改，造成經(jīng)濟(jì)損失，延誤研制周期。C-5A飛機(jī)風(fēng)洞與飛行阻力發(fā)散馬赫數(shù)相差0.02，改裝77架飛機(jī)的機(jī)翼，耗費(fèi)大量時(shí)間和經(jīng)費(fèi)(約10億美元)[1]。

圖1 雷諾數(shù)對(duì)翼型激波誘導(dǎo)分離的影響

圖2 最大升力系數(shù)隨雷諾數(shù)的非單調(diào)變化

由于雷諾數(shù)效應(yīng)具有廣泛性、非線性和復(fù)雜性等特點(diǎn)，目前CFD方法模型還不夠完善，計(jì)算硬件能力不足，還難以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)飛行雷諾數(shù)下的氣動(dòng)特性；另外，飛行器試飛只能用于事后驗(yàn)證，風(fēng)險(xiǎn)大、成本高、周期長(zhǎng)，對(duì)于現(xiàn)代越來(lái)越復(fù)雜的飛行器，一旦試飛之后才發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)問(wèn)題將造成不可挽回的損失。因此，在高雷諾數(shù)風(fēng)洞中進(jìn)行飛行雷諾數(shù)試驗(yàn)，是實(shí)現(xiàn)飛行器氣動(dòng)力精細(xì)設(shè)計(jì)和飛行性能準(zhǔn)確預(yù)測(cè)的前提和保證。

目前，我國(guó)跨聲速風(fēng)洞雷諾數(shù)模擬能力嚴(yán)重不足，已經(jīng)成為制約我國(guó)飛行器研制與發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)瓶頸之一。在我國(guó)最大的跨聲速風(fēng)洞(中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心的2.4m暫沖式跨聲速風(fēng)洞)中，試驗(yàn)雷諾數(shù)比飛行雷諾數(shù)低得多。如大型客機(jī)C919在2.4m暫沖式跨聲速風(fēng)洞中的全模常速壓試驗(yàn)雷諾數(shù)約為3×106，而飛行雷諾數(shù)達(dá)20×106左右。今后，我國(guó)將陸續(xù)發(fā)展C919系列化、雙通道客機(jī)、大型運(yùn)輸機(jī)等大型飛機(jī)，亟待突破飛行雷諾數(shù)下的氣動(dòng)特性準(zhǔn)確預(yù)測(cè)問(wèn)題，依賴國(guó)外低溫高雷諾數(shù)風(fēng)洞將難以適應(yīng)這些飛行器自主研制的需要。發(fā)展我國(guó)自己的大型高雷諾數(shù)風(fēng)洞，一直是我國(guó)飛機(jī)設(shè)計(jì)師和空氣動(dòng)力學(xué)工作者的追求和夢(mèng)想，更是我國(guó)民機(jī)產(chǎn)業(yè)成功發(fā)展和航空航天工業(yè)創(chuàng)新發(fā)展的迫切要求。

1 高雷諾數(shù)實(shí)現(xiàn)途徑和風(fēng)洞型式

1.1提高風(fēng)洞試驗(yàn)雷諾數(shù)的方式

雷諾數(shù)定義為一個(gè)微小流體單元所受的慣性力與粘性力的比值:

(1)

式中：Re為雷諾數(shù)，ρ為密度，V為速度，μ為粘性系數(shù)，l為參考長(zhǎng)度。

由雷諾數(shù)的定義可知，在氣流速度一定的情況下，提高風(fēng)洞試驗(yàn)雷諾數(shù)的方法主要有以下4種：

(1) 采用重氣體作為風(fēng)洞的試驗(yàn)介質(zhì)[2-6]

采用重氣體為試驗(yàn)介質(zhì)的方法通過(guò)增加氣流密度ρ和降低粘性系數(shù)μ來(lái)提高風(fēng)洞試驗(yàn)雷諾數(shù)，同時(shí)模型載荷和風(fēng)洞運(yùn)行功率還可以降低。因此，采用重氣體為試驗(yàn)介質(zhì)來(lái)提高雷諾數(shù)是一種不錯(cuò)的方法。美國(guó)NASA對(duì)此也開(kāi)展了大量的研究工作，1959年改造的跨聲速動(dòng)力學(xué)風(fēng)洞(簡(jiǎn)稱為TDT)就是使用二氯二氟甲烷(即R12)和空氣作為試驗(yàn)介質(zhì)，試驗(yàn)雷諾數(shù)分別可以達(dá)到27.9×106和9.2×106，大大提高了試驗(yàn)雷諾數(shù)。根據(jù)TDT的運(yùn)行過(guò)程來(lái)看，所用重氣體也一直處于發(fā)展之中，從最初的R12，考慮過(guò)SF6，最終采用了R134a。根據(jù)世界制冷劑的發(fā)展看，R134a也逐漸處于淘汰過(guò)程中。

由于重氣體的比熱比(γ)值與空氣不同，當(dāng)試驗(yàn)馬赫數(shù)較高，氣體壓縮性效應(yīng)比較明顯，特別是當(dāng)模型上出現(xiàn)激波時(shí)，重氣體中得到的試驗(yàn)數(shù)據(jù)與空氣中的數(shù)據(jù)會(huì)有較大的差異，且目前對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的精確修正還很困難，試驗(yàn)數(shù)據(jù)的置信度將大大降低。另外還需要配置氣體回收裝置、氣體分析裝置、氣體報(bào)警系統(tǒng)等，將導(dǎo)致設(shè)備較為復(fù)雜。

(2) 增大風(fēng)洞尺寸和運(yùn)行壓力

利用增加風(fēng)洞尺寸從而增加模型尺寸是提高雷諾數(shù)最直接的方法之一，風(fēng)洞雷諾數(shù)隨著試驗(yàn)段尺寸增大而線性提高。工程建設(shè)經(jīng)驗(yàn)表明風(fēng)洞造價(jià)約以風(fēng)洞尺寸的2.5次方增加，而且驅(qū)動(dòng)功率也和試驗(yàn)段尺寸的2次方成正比。如果純粹依靠增大試驗(yàn)段尺寸來(lái)提高雷諾數(shù)，那么雷諾數(shù)要達(dá)到飛行雷諾數(shù)50×106，試驗(yàn)段尺寸需要達(dá)到40m以上，如此大尺寸的風(fēng)洞，其造價(jià)和驅(qū)動(dòng)功率都難以接受。

提高風(fēng)洞運(yùn)行總壓的方法也就是提高氣流密度，該方法存在的局限是：風(fēng)洞雷諾數(shù)模擬能力隨著壓力增大線性增加的同時(shí)，風(fēng)洞的殼體強(qiáng)度、造價(jià)和運(yùn)行功率也隨著壓力的增大線性增加，而且運(yùn)行壓力太大會(huì)導(dǎo)致飛行器模型因?yàn)檩d荷過(guò)大產(chǎn)生嚴(yán)重變形，且不能將雷諾數(shù)效應(yīng)與模型變形的影響分離，同時(shí)模型支撐系統(tǒng)和天平也因?yàn)檩d荷太大難以設(shè)計(jì)。目前常規(guī)風(fēng)洞設(shè)計(jì)準(zhǔn)則要求風(fēng)洞的運(yùn)行壓力不大于5.0×105Pa。

因此，單純依靠增加風(fēng)洞尺寸和壓力來(lái)獲得飛行雷諾數(shù)是不現(xiàn)實(shí)的。但適當(dāng)增大風(fēng)洞尺寸和運(yùn)行壓力的方式可與其它提高雷諾數(shù)的手段綜合運(yùn)用。

(3) 降低風(fēng)洞內(nèi)氣流溫度[7]

氣流的溫度降低時(shí)其密度增大，粘性系數(shù)降低，從而可提高試驗(yàn)雷諾數(shù)。雷諾數(shù)、速壓和風(fēng)洞運(yùn)行功率與氣流溫度的關(guān)系如下：

(2)

(3)

(4)

式中：P0為氣流總壓，T0為氣流總溫，γ為比熱比，m為氣體分子量。降低氣流溫度不僅能提高雷諾數(shù)，還使得風(fēng)洞的驅(qū)動(dòng)功率降低。在速壓保持不變的前提下，馬赫數(shù)為0.9時(shí)，當(dāng)氣流從323K降低到100K時(shí)，雷諾數(shù)可提高到常溫時(shí)的5倍；同時(shí)驅(qū)動(dòng)功率僅為常溫時(shí)的56%。圖3給出了氣體屬性、試驗(yàn)條件和驅(qū)動(dòng)功率隨溫度的變化趨勢(shì)。可見(jiàn)降低氣流溫度是提高雷諾數(shù)非常有利的方法。

圖3 氣體屬性，試驗(yàn)條件隨溫度的變化趨勢(shì)

表1給出了上述4種提高風(fēng)洞試驗(yàn)雷諾數(shù)方式下雷諾數(shù)、模型載荷和功率與基本類型的比值?？梢钥闯觯档驮囼?yàn)介質(zhì)的氣流溫度或采用重氣體為試驗(yàn)介質(zhì)實(shí)現(xiàn)相同的試驗(yàn)雷諾數(shù)時(shí)所需的驅(qū)動(dòng)功率較小，優(yōu)勢(shì)明顯。

表1 幾種增加風(fēng)洞雷諾數(shù)方式的對(duì)比

由上述分析可知，高雷諾數(shù)風(fēng)洞的設(shè)計(jì)建設(shè)，需要以降低氣流溫度為主要手段，并綜合運(yùn)用其它幾種方式進(jìn)行。

另外，低溫風(fēng)洞可以在試驗(yàn)過(guò)程中實(shí)現(xiàn)氣流速度、總溫和總壓的獨(dú)立調(diào)節(jié)，它具有常規(guī)風(fēng)洞無(wú)法比擬的幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：可得到純馬赫數(shù)影響而不引入雷諾數(shù)變化或模型彈性變形引起的干擾；可得到純雷諾數(shù)影響而不引入馬赫數(shù)變化和模型彈性變形效應(yīng)；可得到模型純彈性變形影響而不引入雷諾數(shù)和馬赫數(shù)效應(yīng)。

1.2低溫風(fēng)洞型式的選取[8]

低溫風(fēng)洞和常規(guī)風(fēng)洞一樣，可以采取各種不同的型式，如路德維希管風(fēng)洞、埃維斯?jié)崈麸L(fēng)洞、下吹式風(fēng)洞、引射式風(fēng)洞和連續(xù)式風(fēng)洞等。下面對(duì)上述幾種常用的低溫風(fēng)洞型式進(jìn)行簡(jiǎn)要的描述和分析。

1955年提出的路德維希管風(fēng)洞(LT)和1971年提出的埃維斯?jié)崈麸L(fēng)洞(ECT)均是通過(guò)氣流的快速膨脹實(shí)現(xiàn)降溫運(yùn)行。路德維希管風(fēng)洞將高壓氣體儲(chǔ)存在圓形截面的填充管內(nèi)，填充管下游直接與噴管段和試驗(yàn)段相連，試驗(yàn)段后接快速閥和恢復(fù)管。開(kāi)始試驗(yàn)時(shí)，快速閥迅速打開(kāi)，產(chǎn)生的膨脹波向上游傳播通過(guò)填充管，填充管內(nèi)氣流溫度降低后流過(guò)噴管和試驗(yàn)段，實(shí)現(xiàn)提高試驗(yàn)雷諾數(shù)的目的。膨脹波到達(dá)填充管前段后返回到噴管時(shí)，試驗(yàn)即結(jié)束。為了滿足10s運(yùn)行時(shí)間要求，填充管和恢復(fù)管長(zhǎng)度均需達(dá)到2km。埃維斯?jié)崈麸L(fēng)洞，試驗(yàn)前工作氣體存儲(chǔ)于與常規(guī)風(fēng)洞截面尺寸相當(dāng)且非常長(zhǎng)的穩(wěn)定段內(nèi)，試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)，通過(guò)穩(wěn)定段內(nèi)的活塞向前運(yùn)動(dòng)，推動(dòng)氣體流過(guò)噴管和試驗(yàn)段，然后經(jīng)過(guò)環(huán)形回流管道回到上游活塞段。在適當(dāng)?shù)臅r(shí)刻，將擴(kuò)散段尾部的快速閥迅速打開(kāi)，產(chǎn)生的膨脹波向上游傳播，消除由于活塞加速運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的壓縮波，獲得均勻的低溫氣流。對(duì)于2m量級(jí)的風(fēng)洞，為了達(dá)到10s的運(yùn)行時(shí)間，穩(wěn)定段直徑約15m，長(zhǎng)度約300m。上述兩種風(fēng)洞均可以提供非常安靜和潔凈的風(fēng)洞氣流，但都具有運(yùn)行時(shí)間短、設(shè)備龐大的缺點(diǎn)。

下吹式低溫風(fēng)洞以干燥空氣和氮?dú)獾幕旌衔餅樵囼?yàn)介質(zhì)，采用液氮直接噴入洞內(nèi)與洞中的氣體混合降溫。下吹式低溫風(fēng)洞與連續(xù)式低溫風(fēng)洞相比結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，建設(shè)成本低，且不必考慮低溫壓縮機(jī)的設(shè)計(jì)等關(guān)鍵技術(shù)。但是由于流過(guò)試驗(yàn)段的流量全部排入大氣，液氮的消耗量將是驚人的。如總溫T0=110K，Ma=1.0，2m量級(jí)的風(fēng)洞試驗(yàn)段流量達(dá)到約9500kg/s，液氮消耗量約為試驗(yàn)段總流量的一半，長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行液氮消耗量巨大。

引射回流式低溫風(fēng)洞(IDT)同樣以中高壓氣源為驅(qū)動(dòng)，液氮汽化吸熱降溫。如果建設(shè)一座2m量級(jí)、運(yùn)行壓力4～5×105Pa的低溫風(fēng)洞，其跨聲速低溫運(yùn)行1min即需要20×105Pa的中壓氣源30000m3以上。另外，低溫風(fēng)洞為了達(dá)到低溫運(yùn)行的結(jié)構(gòu)熱響應(yīng)、模型非絕熱壁效應(yīng)和低溫天平的熱平衡等特點(diǎn)，一般要求風(fēng)洞預(yù)冷持續(xù)幾小時(shí)，也需要大量的干燥空氣，因此該類型風(fēng)洞對(duì)氣源總?cè)莘e的要求巨大。同時(shí)，雖然相對(duì)下吹式低溫風(fēng)洞，其運(yùn)行的液氮消耗量可降至約1300kg/s，但長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行仍是消耗巨大。

采用壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)的連續(xù)式低溫風(fēng)洞(CDT)由于氣流在洞體內(nèi)循環(huán)，運(yùn)行成本低、效率高，目前世界上僅有的兩座大型生產(chǎn)型跨聲速低溫風(fēng)洞均采用了該型式。其液氮的消耗量遠(yuǎn)低于上述下吹式或引射回流式風(fēng)洞。如對(duì)于2m量級(jí)的連續(xù)式低溫風(fēng)洞，總溫T0=110K，Ma=1.0，最高雷諾數(shù)下液氮消耗量為試驗(yàn)段總流量的3.65%，約為300kg/s。另外，因?yàn)槠湟詨嚎s機(jī)驅(qū)動(dòng)，不需要配置中高壓氣源，可長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，符合低溫風(fēng)洞運(yùn)行的特點(diǎn)。ETW風(fēng)洞設(shè)計(jì)建設(shè)時(shí)，曾專門委托加拿大DSMA公司開(kāi)展上述幾種低溫風(fēng)洞型式選取的評(píng)估工作。DSMA公司評(píng)估后認(rèn)為，在相當(dāng)設(shè)備尺寸和相同的技術(shù)指標(biāo)下，采用壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)的連續(xù)式風(fēng)洞方案的投資最低，運(yùn)行效率最高(見(jiàn)圖4)。

圖4 不同低溫風(fēng)洞型式建設(shè)投資對(duì)比

綜上所述，采用壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)的連續(xù)式低溫風(fēng)洞方案，雖然技術(shù)難度相對(duì)較大，但由于其運(yùn)行成本相對(duì)較低、流場(chǎng)品質(zhì)好、運(yùn)行生產(chǎn)率高、技術(shù)難度可以克服等因素，目前還是一種相對(duì)最優(yōu)的大型低溫風(fēng)洞型式。

2 低溫高雷諾數(shù)風(fēng)洞的現(xiàn)狀

鑒于雷諾數(shù)模擬對(duì)飛行器研制的重要性，空氣動(dòng)力學(xué)家一直試圖在地面實(shí)現(xiàn)飛行雷諾數(shù)模擬。1920年，法國(guó)著名空氣動(dòng)力學(xué)家Margoulis提出了通過(guò)冷卻試驗(yàn)氣體來(lái)增加雷諾數(shù)的建議，但并未嘗試將風(fēng)洞試驗(yàn)氣體冷卻到低于環(huán)境溫度。1945年，英國(guó)人Smelt在研究提高風(fēng)洞雷諾數(shù)所帶來(lái)的風(fēng)洞尺寸和驅(qū)動(dòng)功率增大問(wèn)題的解決方法時(shí)，再一次提到了降低試驗(yàn)氣體總溫的好處，當(dāng)時(shí)的技術(shù)瓶頸是缺少冷卻試驗(yàn)氣體的方法以及合適的洞體結(jié)構(gòu)材料。1971年，英國(guó)南安普頓大學(xué)教授Goodyer提出了使用低溫空氣或氮?dú)獾慕ㄗh，他和蘭利中心的研究者們合作，建成了世界上第一座研究型低溫風(fēng)洞[1]。

由于低溫風(fēng)洞的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，許多國(guó)家開(kāi)展了相關(guān)低溫技術(shù)研究和低溫風(fēng)洞建設(shè)。目前，國(guó)外低溫風(fēng)洞共有20多座，2m以上的大口徑生產(chǎn)型低溫風(fēng)洞有3座，分別是德國(guó)宇航院的KKK低速低溫風(fēng)洞、美國(guó)國(guó)家跨聲速設(shè)備NTF和歐洲跨聲速風(fēng)洞ETW(德國(guó)、英國(guó)、法國(guó)及荷蘭4國(guó)聯(lián)合建造)，其余均為小型研究型低溫風(fēng)洞。

2.1美國(guó)國(guó)家跨聲速設(shè)備NTF[9]

美國(guó)的低溫風(fēng)洞NTF建成于1982年。該風(fēng)洞有兩種運(yùn)行模式：一是以氮?dú)鉃樵囼?yàn)介質(zhì)的低溫運(yùn)行模式；二是以空氣為試驗(yàn)介質(zhì)的常規(guī)運(yùn)行模式。試驗(yàn)段尺寸2.5m×2.5m×7.62m，總壓范圍(1～9)×105Pa，總溫范圍78～338K，馬赫數(shù)范圍0.2～1.2，最高雷諾數(shù)120×106(全模，M=1.0)、200×106(半模，M=1.0)，最高液氮噴射流量約420kg/s。試驗(yàn)段采用開(kāi)槽壁，收縮段的收縮比15∶1，如圖5所示。建成時(shí)生產(chǎn)效率較低，2000年改造之前其低溫試驗(yàn)生產(chǎn)效率為0.36條極曲線/h，空氣常溫試驗(yàn)效率為2條極曲線/h。經(jīng)過(guò)改造，生產(chǎn)效率顯著提升。該風(fēng)洞具備大型軍、民用運(yùn)輸機(jī)的飛行雷諾數(shù)試驗(yàn)?zāi)芰?，可進(jìn)行全模和半模試驗(yàn)、動(dòng)態(tài)試驗(yàn)和顫振試驗(yàn)等，具有PSP/TSP等多種流動(dòng)顯示技術(shù)。

2.2歐洲跨聲速風(fēng)洞ETW[8]

ETW是繼NTF之后的又一座連續(xù)式低溫高雷諾數(shù)跨聲速風(fēng)洞，建成于1993年。其設(shè)計(jì)充分借鑒了NTF的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，技術(shù)指標(biāo)更加合理，結(jié)構(gòu)布局更加科學(xué)，運(yùn)行更加經(jīng)濟(jì)高效。風(fēng)洞流場(chǎng)品質(zhì)好，數(shù)據(jù)精度高。風(fēng)洞以氮?dú)鉃樵囼?yàn)介質(zhì)，試驗(yàn)段尺寸2.0m(高)×2.4m(寬)×9m(長(zhǎng))，總壓范圍(1.15～4.50)×105Pa，總溫范圍110～313K，馬赫數(shù)范圍0.15～1.30，最高雷諾數(shù)50×106(全模，M=0.90),83×106(半模，M=0.90)，壓縮機(jī)功率50MW，液氮噴射流量2～250kg/s(見(jiàn)圖6)。生產(chǎn)效率設(shè)計(jì)指標(biāo)為2條極曲線/h。該風(fēng)洞可進(jìn)行全機(jī)模型測(cè)力測(cè)壓試驗(yàn)、半模試驗(yàn)等，并具有多種非接觸流動(dòng)觀測(cè)技術(shù)。該風(fēng)洞配置有兩個(gè)模型運(yùn)輸車，可以將吹風(fēng)試驗(yàn)與模型準(zhǔn)備分開(kāi)，同時(shí)可承接兩個(gè)以上不同客戶的模型試驗(yàn)，大大提高了風(fēng)洞的利用效率。

圖5 美國(guó)國(guó)家跨聲速設(shè)備(NTF)

圖6 歐洲跨聲速風(fēng)洞(ETW)

2.3我國(guó)低溫風(fēng)洞現(xiàn)狀

中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心多年來(lái)一直跟蹤國(guó)外低溫風(fēng)洞發(fā)展和低溫技術(shù)的最前沿。并在20世紀(jì)80～90年代，先后設(shè)計(jì)建成了0.1m×0.1m低速低溫風(fēng)洞(見(jiàn)圖7)和Φ0.05m原理性高速空氣低溫風(fēng)洞，并開(kāi)展了相關(guān)低溫技術(shù)原理性研究，在制冷方法、液氮噴注和氮?dú)馀懦?、洞體絕熱、低溫條件下軸承潤(rùn)滑和軸的動(dòng)密封、低溫參數(shù)測(cè)量和低溫運(yùn)行控制等方面積累了一定的經(jīng)驗(yàn)。

圖7 低速低溫風(fēng)洞

3 低溫風(fēng)洞的主要關(guān)鍵技術(shù)及解決措施

大型連續(xù)式低溫風(fēng)洞建設(shè)的關(guān)鍵技術(shù)主要包括液氮供給和氣氮排出系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)、洞體絕熱及熱變形控制技術(shù)、低溫壓縮機(jī)設(shè)計(jì)與制造技術(shù)和風(fēng)洞運(yùn)行多變量控制技術(shù)等。

3.1液氮供給和氣氮排出系統(tǒng)

液氮供給及氣氮排出系統(tǒng)是風(fēng)洞進(jìn)行溫度和壓力控制的重要組成部分。液氮供給系統(tǒng)需要解決的主要問(wèn)題是如何在試驗(yàn)段獲得均勻的溫度場(chǎng)以及實(shí)現(xiàn)液氮穩(wěn)定供應(yīng)和流量的快速精確調(diào)節(jié)。主要的解決措施有：(1) 將液氮噴嘴排架安裝于壓縮機(jī)前的一拐與二拐之間，利用壓縮機(jī)對(duì)氣流的加熱和旋轉(zhuǎn)尾流的摻混效應(yīng)使經(jīng)過(guò)壓縮機(jī)后的氣流溫度趨于均勻；(2) 采用多路可獨(dú)立控制的液氮噴嘴組，通過(guò)不同的噴射點(diǎn)組合獲得優(yōu)化的試驗(yàn)段截面溫度分布；(3) 采用多臺(tái)低溫增壓泵穩(wěn)轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)、設(shè)置液氮循環(huán)回路、大小流量泵組合、高精度壓力調(diào)節(jié)閥以及不同流量噴嘴組合等措施實(shí)現(xiàn)液氮的穩(wěn)定供應(yīng)和流量的快速精確調(diào)節(jié)。

氣氮排出系統(tǒng)需要解決的問(wèn)題主要包括：氮?dú)馀懦龅臏囟?、含氧量和噪聲的控制，消除排氣?duì)環(huán)境的不利影響，防止排氣管道結(jié)霜影響排氣系統(tǒng)的正常工作。通常采取的措施包括：(1) 在排氣管路上設(shè)置排氣消聲器，減小壓縮機(jī)噪聲和排氣閥門噪聲，達(dá)到環(huán)保要求；(2) 設(shè)置排氣引射器和強(qiáng)排風(fēng)機(jī)使低溫氮?dú)夂椭車諝鈴?qiáng)制混合、提高排氣的溫度和含氧量，通過(guò)高層煙道排入大氣；(3) 在極端天氣情況下采用燃?xì)饧訜崞鲗?duì)摻混空氣進(jìn)行加熱，通過(guò)高熱空氣與低溫氣氮的混合升溫，提高排氣溫度，防止排氣管道結(jié)霜，以及排出氣體在排氣塔周圍沉積產(chǎn)生的對(duì)大氣環(huán)境的不利影響。

3.2洞體的絕熱保溫及熱變形控制

風(fēng)洞回流道內(nèi)氣流溫度可達(dá)到極低，洞體尺寸、洞體表面積、洞體結(jié)構(gòu)重量及洞體結(jié)構(gòu)熱容量等均較大，洞體將承受負(fù)壓或正壓作用等，都是大型低溫風(fēng)洞洞體結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)。降低風(fēng)洞運(yùn)行時(shí)的液氮消耗、保證洞體絕熱結(jié)構(gòu)的絕熱性能和可靠性是洞體絕熱設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。通常采取以下措施：(1) 采用承壓殼體內(nèi)絕熱、內(nèi)部部段不絕熱的絕熱方案，能大幅度降低風(fēng)洞運(yùn)行時(shí)的熱容和液氮消耗；(2) 采用具有較低導(dǎo)熱系數(shù)的絕熱材料，并開(kāi)展絕熱材料性能、絕熱結(jié)構(gòu)型式等研究；(3) 在絕熱結(jié)構(gòu)的絕熱單元間設(shè)置彈性補(bǔ)償防止其間隙產(chǎn)生熱流并減小熱應(yīng)力；支撐結(jié)構(gòu)采用低導(dǎo)熱系數(shù)的復(fù)合材料制造，能有效地降低冷橋的冷量損失。

溫差和溫度變化的不均勻引起的洞體不協(xié)調(diào)熱變形和溫度附加應(yīng)力等將影響洞體的階差和同軸度等氣動(dòng)要求、洞體的結(jié)構(gòu)安全和結(jié)構(gòu)功能等，如何消除其影響是洞體熱變形控制的關(guān)鍵。通常采取的主要措施有：(1) 一是采取滑動(dòng)支座、膨脹節(jié)等熱變形釋放措施，消除溫度附加應(yīng)力，消除熱變形對(duì)洞體結(jié)構(gòu)安全和結(jié)構(gòu)功能的影響，同時(shí)在高速部段設(shè)置定位裝置保證洞體階差和同軸度等氣動(dòng)要求；(2) 通過(guò)洞體結(jié)構(gòu)材料選擇和結(jié)構(gòu)傳熱設(shè)計(jì)，減少不協(xié)調(diào)熱變形，控制溫度附加應(yīng)力，保證洞體結(jié)構(gòu)和設(shè)備正常工作。

3.3低溫壓縮機(jī)設(shè)計(jì)與制造技術(shù)

大型低溫風(fēng)洞壓縮機(jī)具有流量大、功率高、運(yùn)轉(zhuǎn)范圍廣、結(jié)構(gòu)熱變形大、調(diào)節(jié)精度高等特點(diǎn)，因而其設(shè)計(jì)、制造都存在很大難度，涉及的主要難點(diǎn)和解決措施包括：一是大流量、寬工況范圍軸流壓縮機(jī)的高效可靠氣動(dòng)性能設(shè)計(jì)。主要通過(guò)先進(jìn)高效基本級(jí)為基礎(chǔ)進(jìn)行?；O(shè)計(jì)，并通過(guò)靜葉角和壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速的組合調(diào)節(jié)來(lái)滿足風(fēng)洞流量和壓升的要求。二是低溫壓縮機(jī)葉片材料及其制作工藝。低溫壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子葉片必須滿足重量輕、熱變形小和低溫性能優(yōu)良等要求。采用適用于深低溫的碳纖維復(fù)合材料替代金屬材料將是明智的選擇。NTF和ETW風(fēng)洞轉(zhuǎn)子葉片就采用該碳纖維復(fù)合材料。三是轉(zhuǎn)子軸系低溫下的潤(rùn)滑和密封。低溫條件下壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子軸系的軸承潤(rùn)滑和壓縮機(jī)軸與風(fēng)洞洞體間的動(dòng)密封困難。為解決這一難題，可在壓縮機(jī)整流罩內(nèi)設(shè)置絕熱層，在絕熱層內(nèi)通入常溫氮?dú)?，?duì)軸承進(jìn)行加熱，從而保證軸承潤(rùn)滑系統(tǒng)和壓縮機(jī)軸動(dòng)密封結(jié)構(gòu)均工作在常溫狀態(tài)，克服低溫的不利影響。

3.4風(fēng)洞運(yùn)行多變量控制技術(shù)

大型低溫風(fēng)洞運(yùn)行條件復(fù)雜，需對(duì)前室總壓、試驗(yàn)段馬赫數(shù)、前室總溫等參數(shù)精確控制。風(fēng)洞運(yùn)行時(shí)存在壓縮機(jī)控制系統(tǒng)、液氮噴入控制系統(tǒng)、氣氮排出控制系統(tǒng)及二喉道控制系統(tǒng)之間的相互耦合，因而對(duì)于前室總壓、試驗(yàn)段馬赫數(shù)及前室總溫的控制而言，是典型的多輸入多輸出(MIMO)多變量控制系統(tǒng)。由于系統(tǒng)的非線性、大時(shí)變及大滯后等特性，傳統(tǒng)控制理論無(wú)法獲得較好的控制效果[10]。

為解決低溫風(fēng)洞多變量控制難題，美國(guó)NASA的TCT和NTF等低溫風(fēng)洞以及歐洲ETW，從氣體動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)特性出發(fā)，建立風(fēng)洞流場(chǎng)動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型，并結(jié)合風(fēng)洞運(yùn)行調(diào)試，開(kāi)展多變量控制策略研究，取得了較好控制效果。

為解決低溫風(fēng)洞多變量控制關(guān)鍵技術(shù)，一般需從3個(gè)方面開(kāi)展工作：一是從氣體的動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)特性出發(fā)，建立風(fēng)洞流場(chǎng)動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型，為控制策略研究提供更真實(shí)的研究平臺(tái)；二是利用風(fēng)洞流場(chǎng)動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型，采用現(xiàn)代控制理論和基于專家系統(tǒng)的智能策略進(jìn)行多變量解耦控制策略研究；三是風(fēng)洞調(diào)試階段，結(jié)合修正的風(fēng)洞動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型和風(fēng)洞運(yùn)行調(diào)試實(shí)際數(shù)據(jù)，完善控制算法和智能控制器專家數(shù)據(jù)庫(kù)，在風(fēng)洞運(yùn)行效率和控制精度方面實(shí)現(xiàn)最優(yōu)。

4 結(jié)束語(yǔ)

大型低溫風(fēng)洞是一項(xiàng)集基礎(chǔ)性、前沿性、創(chuàng)新性和戰(zhàn)略性于一體的特大型試驗(yàn)設(shè)施，對(duì)我國(guó)大型客機(jī)等飛行器發(fā)展意義重大。大型低溫風(fēng)洞技術(shù)復(fù)雜，設(shè)計(jì)建設(shè)難度大，還存在許多關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題有待攻克。目前國(guó)內(nèi)已經(jīng)初步具備低溫風(fēng)洞設(shè)計(jì)建設(shè)的技術(shù)和工業(yè)基礎(chǔ)，還需要調(diào)動(dòng)、發(fā)揮國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究院所和企業(yè)的技術(shù)實(shí)力和生產(chǎn)能力，盡早開(kāi)展深入的關(guān)鍵技術(shù)研究，為我國(guó)大型低溫高雷諾數(shù)風(fēng)洞成功建設(shè)奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn):

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[10] Archambaud J P. The cryogenic induction tunnel T2 at toulouse[R]. AGARD-R-774.

作者簡(jiǎn)介:

廖達(dá)雄(1963-)，男，浙江衢州人，研究員。研究方向：流體力學(xué)。通訊地址：四川省綿陽(yáng)市中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心(621000)。E-mail: Liaodaxiong@sohu.com