李 峰，高 超

(西北工業(yè)大學(xué)翼型、葉柵空氣動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西，西安 710072)

雷諾數(shù)是風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)?zāi)M飛行器實(shí)際飛行能力的重要相似參數(shù)。從理論上來講，要使風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)?zāi)芡耆M真實(shí)的飛行狀態(tài)，就必須使風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)和實(shí)際飛行的雷諾數(shù)保持一致。然而，由于受到模型尺寸、風(fēng)洞動(dòng)力設(shè)備、能源系統(tǒng)等因素的限制，目前的風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)雷諾數(shù)還難以達(dá)到實(shí)際的飛行雷諾數(shù)[1-2]。美國(guó)、加拿大、法國(guó)等國(guó)都相繼建造了千萬量級(jí)的高雷諾數(shù)翼型風(fēng)洞[3-4]，其中美國(guó)CFWT 風(fēng)洞和加拿大NAE 風(fēng)洞為暫沖式，美國(guó)NASA Langley 風(fēng)洞為低溫增壓連續(xù)式，法國(guó)ONARA T-2 風(fēng)洞為低溫增壓暫沖式。上述四座風(fēng)洞的翼型雷諾數(shù)均達(dá)到三千萬以上，具備了國(guó)際先進(jìn)水平的高雷諾數(shù)實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?。因此，研制?變)雷諾數(shù)風(fēng)洞對(duì)我國(guó)航空工業(yè)和國(guó)防科技的發(fā)展具有重要戰(zhàn)略意義和工程應(yīng)用價(jià)值[5]。

NF-6 風(fēng)洞是西北工業(yè)大學(xué)自主研制的我國(guó)第一座連續(xù)式高速風(fēng)洞，該風(fēng)洞的總體性能達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，其常溫下的翼型實(shí)驗(yàn)雷諾數(shù)可達(dá)1.5×107，但與飛行雷諾數(shù)仍有一定差距，不能很好地滿足戰(zhàn)斗機(jī)和大型高速民機(jī)氣動(dòng)實(shí)驗(yàn)的需求。在實(shí)驗(yàn)段尺寸與流體介質(zhì)不易改變的情況下，降溫運(yùn)行不失為一種提高實(shí)驗(yàn)雷諾數(shù)的有效途徑[6]。為此，針對(duì)連續(xù)式高速風(fēng)洞的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和運(yùn)行模式[7]，通過噴注液氮的方式，利用液氮的氣化吸熱效應(yīng)，西北工業(yè)大學(xué)在NF-6 連續(xù)式高速風(fēng)洞平臺(tái)上建成了國(guó)內(nèi)首套適用于噴液氮降溫系統(tǒng)，填補(bǔ)了我國(guó)在低溫連續(xù)式高速風(fēng)洞方面空白[8]。降溫運(yùn)行后，NF-6 風(fēng)洞穩(wěn)定段氣流總溫可降低至-20 ℃，最大翼型實(shí)驗(yàn)雷諾數(shù)達(dá)到2.3×107。供配氣系統(tǒng)是風(fēng)洞液氮降溫系統(tǒng)的核心組成部分[9]，本文系統(tǒng)介紹其技術(shù)方案和工作原理，并給出運(yùn)行測(cè)試結(jié)果，以為我國(guó)后續(xù)低溫風(fēng)洞的研制提供一定的借鑒和參考。

1 NF-6 風(fēng)洞降溫系統(tǒng)簡(jiǎn)介

1.1 NF-6 風(fēng)洞結(jié)構(gòu)及主要技術(shù)指標(biāo)

NF-6 風(fēng)洞是一座由二級(jí)軸流壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)的連續(xù)式高速風(fēng)洞[10]，風(fēng)洞結(jié)構(gòu)如圖1 所示。該風(fēng)洞配有兩個(gè)可以更換的實(shí)驗(yàn)段，第一實(shí)驗(yàn)段為二元翼型實(shí)驗(yàn)段，第二實(shí)驗(yàn)段為三元全機(jī)和半模實(shí)驗(yàn)段，降溫系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與調(diào)試在二元實(shí)驗(yàn)段完成。二元實(shí)驗(yàn)段尺寸：0.8 m×0.4 m×3 m(高×寬×長(zhǎng))；氣流Ma數(shù)：Ma=0.2～1.2；穩(wěn)定段氣流總壓：Pφ=1.0×105Pa～5.5×105Pa；穩(wěn)定段氣流總溫：Tφ≤318 K；翼型實(shí)驗(yàn)雷諾數(shù)：Rec≥1.5×107(c=0.225 m)。

圖1 NF-6 連續(xù)式高速風(fēng)洞結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 1 Schematic diagram of NF-6 continuous high speed wind tunnel

1.2 降溫系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)及主要技術(shù)要求

NF-6 風(fēng)洞降溫系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖2 所示，該系統(tǒng)由供配氣系統(tǒng)、測(cè)量系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和監(jiān)控系統(tǒng)四大主要子系統(tǒng)組成[11]。

圖2 NF-6 風(fēng)洞降溫系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 2 General schematic diagram of cooling system for NF-6 wind tunnel

1)供配氣系統(tǒng)：包括液氮存儲(chǔ)裝置、配氣系統(tǒng)和液氮供給及噴注系統(tǒng)。該系統(tǒng)是液氮充灌與存儲(chǔ)、儲(chǔ)罐自增壓、氣動(dòng)電磁閥高低壓配氣、儲(chǔ)罐預(yù)增壓、管路預(yù)冷清洗及液氮擠推輸運(yùn)等核心功能的集成。其中液氮存儲(chǔ)裝置用于實(shí)現(xiàn)液氮的轉(zhuǎn)儲(chǔ)、安全存放、儲(chǔ)罐自增壓和泄壓等功能；配氣系統(tǒng)用于氣控氣與擠推氣的制備、存儲(chǔ)、調(diào)壓及供給，為氣動(dòng)電磁閥和液氮儲(chǔ)罐提供穩(wěn)定的控制氣源和擠推壓力，形成液氮噴入風(fēng)洞的驅(qū)動(dòng)源；液氮供給及噴注系統(tǒng)用于液氮輸送管路的清洗、預(yù)冷及液氮的穩(wěn)定供給和精確調(diào)節(jié)。

2)測(cè)量系統(tǒng)：測(cè)量系統(tǒng)包括9 點(diǎn)總溫排架、溫度探頭(感溫元件)、溫度變送器和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。其中，用于測(cè)量穩(wěn)定段總溫的排架是經(jīng)過專門設(shè)計(jì)加工的，該排架為全不銹鋼9 點(diǎn)總溫排架，感溫元件采用熱電偶，測(cè)點(diǎn)間距300 mm。

3)控制系統(tǒng)：降溫運(yùn)行控制系統(tǒng)在風(fēng)洞已經(jīng)具備的控制設(shè)備基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)，包括壓力變送器、溫度變送器、電磁閥、氣動(dòng)閥、核心控制器、控制柜及控制軟件等。控制系統(tǒng)的軟硬件與原風(fēng)洞控制系統(tǒng)設(shè)備整合并實(shí)現(xiàn)對(duì)馬赫數(shù)、總壓和總溫的多變量精確控制，并具有參數(shù)監(jiān)測(cè)和安全聯(lián)鎖功能。

4)監(jiān)控系統(tǒng)：該系統(tǒng)將降溫運(yùn)行時(shí)的主要參數(shù)和重要監(jiān)視點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳遞到主控室，以便測(cè)控人員實(shí)時(shí)掌握設(shè)備工作狀態(tài)。

NF-6 風(fēng)洞降溫系統(tǒng)的主要設(shè)計(jì)目標(biāo)為[12]：1) 降溫指標(biāo)：要求穩(wěn)定段總溫達(dá)到Tφ≤253 K；2)穩(wěn)定段溫度均勻性：在穩(wěn)定段用溫度排架測(cè)量溫度分布，要求|ΔT|≤2 K；3)控制要求(降溫運(yùn)行時(shí))：|ΔTφ|≤2 K，|ΔPφ/Pφ|≤0.3%，εMa≤0.003；4)持續(xù)時(shí)間：液氮儲(chǔ)罐的容積應(yīng)能保證一次裝填后，風(fēng)洞穩(wěn)態(tài)連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)90 s 以上；5)軟件要求：設(shè)計(jì)新的降溫運(yùn)行控制軟件和人機(jī)界面，并與原風(fēng)洞的主控軟件融合。

2 供配氣系統(tǒng)組成與工作原理

2.1 液氮輸運(yùn)方案選擇

從技術(shù)角度講，擠推方式或液氮泵增壓方式均可作為液氮噴入的驅(qū)動(dòng)源。液氮泵輸送方式適合長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)工作，但最主要問題是響應(yīng)較慢，且需要較大的驅(qū)動(dòng)功率。擠推方式的特點(diǎn)是響應(yīng)快，可以提供穩(wěn)定的噴前壓，不需要較大的驅(qū)動(dòng)動(dòng)力，適合于短時(shí)間間隙工作。由于液氮流量較大，液氮罐自備蒸發(fā)器的蒸發(fā)量無法滿足液氮擠推氣量需求，需要在系統(tǒng)運(yùn)行之前預(yù)先儲(chǔ)備擠推氣；擠推方式驅(qū)動(dòng)要求液氮儲(chǔ)罐和管路系統(tǒng)具有較高的承壓能力。

本降溫系統(tǒng)采用擠推方式輸運(yùn)液氮[13]，通過高壓氣瓶組向液氮儲(chǔ)罐提供擠推壓力，在儲(chǔ)罐與噴嘴間的壓差驅(qū)動(dòng)下，液氮被送入風(fēng)洞，圖見圖3。

圖3 擠推式液氮輸運(yùn)原理圖Fig. 3 Diagram of pushing liquid nitrogen transportation

2.2 系統(tǒng)組成與工作原理

1) 液氮存儲(chǔ)裝置

NF-6 風(fēng)洞降溫系統(tǒng)液氮存儲(chǔ)裝置由液氮儲(chǔ)罐和外部管路兩部分組成。其中液氮儲(chǔ)罐采用立式真空粉末絕熱低溫液體貯槽，貯槽由內(nèi)容器與外殼組成，內(nèi)容器與外殼間抽真空絕熱。液氮儲(chǔ)罐的容積通過每日蒸發(fā)的液氮、擠推氣消耗的液氮、管路清洗、預(yù)冷和填充消耗的液氮、過渡工況所消耗的液氮及其它損耗估算獲得，另外考慮到液氮罐內(nèi)擴(kuò)散器安裝、液氮罐充灌系數(shù)的限制等因素，最終確定液氮儲(chǔ)罐的總?cè)莘e為13 m3。儲(chǔ)罐其它主要技術(shù)參數(shù)為：最高工作壓力2.0 MPa，設(shè)計(jì)溫度-196 ℃～50 ℃，液氮日蒸發(fā)率≤1.0%。

外部管路由六個(gè)部分組成：組合充灌系統(tǒng)、自增壓系統(tǒng)、儲(chǔ)罐安全系統(tǒng)、儲(chǔ)罐的供氣(液)系統(tǒng)、儀表監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及抽真空及測(cè)量系統(tǒng)六部分組成。其中組合充灌系統(tǒng)包括頂部進(jìn)液閥、底部進(jìn)液閥和殘液排放閥，用于向儲(chǔ)罐內(nèi)充灌液體。自增壓系統(tǒng)位于儲(chǔ)罐的下部，包括增壓輸入閥、調(diào)壓閥、汽化器、增壓輸出閥，用于儲(chǔ)罐內(nèi)壓力的自調(diào)節(jié)。儲(chǔ)罐安全系統(tǒng)由并聯(lián)的兩組安全閥、爆破片組和放空閥組成，儲(chǔ)罐壓力高于安全閥起跳壓力時(shí)，安全閥就會(huì)起跳排氣，保證內(nèi)容器不會(huì)因超壓而破壞。儀表監(jiān)測(cè)系統(tǒng)位于儲(chǔ)罐正面，由液位計(jì)、壓力表及氣相閥、液相閥及平衡閥組成，用于監(jiān)測(cè)儲(chǔ)罐內(nèi)的液位高度。抽真空及測(cè)量系統(tǒng)位于儲(chǔ)罐底部，用于監(jiān)測(cè)和調(diào)節(jié)儲(chǔ)罐內(nèi)容器與外殼間的真空度。

2) 配氣系統(tǒng)

配氣系統(tǒng)由液氮增壓泵、汽化器、高壓氣瓶組、減壓閥、氣控閥、連接管道、配氣臺(tái)和配套閥門組成，主要承擔(dān)儲(chǔ)罐預(yù)增壓、液氮擠推輸運(yùn)及氣動(dòng)電磁閥的驅(qū)動(dòng)，因此首先需對(duì)系統(tǒng)的氮?dú)庑枨罅窟M(jìn)行估算，從而確定高壓氣瓶組的容積、液氮增壓泵的排量及汽化器的蒸發(fā)量。

圖4 給出了不同來流條件下的液氮需求流量?？梢钥闯?，在馬赫數(shù)小于0.3 時(shí)，液氮流量都不大于2 kg/s，穩(wěn)定工況下的最大液氮流量需求為16 kg/s。擠推氣的流量估算見表1，可見在最大擠推壓力(3 MPa)和最大液氮流量下(16 kg/s)擠推氣的最大質(zhì)量流量不超過1.1 kg/s。根據(jù)設(shè)計(jì)擠推壓力、運(yùn)行時(shí)間及預(yù)增壓耗氣量，最終確定高壓氣瓶組由27 只分層堆疊式布置的高壓氣瓶組成，總?cè)莘e為3.24 m3，最高工作壓力為16.5 MPa，見圖5。根據(jù)高壓氣瓶組的規(guī)格，確定高壓氮?dú)庵苽湎到y(tǒng)的技術(shù)參數(shù)，其中高壓液氮泵排量為250 L/h，最高出口壓力為15 MPa；汽化器蒸發(fā)量為200 N·m3/h(2.5 h 以內(nèi)可將高壓氣瓶組充滿)，最高工作壓力為15 MPa，出口溫度等級(jí)：≥5 ℃，見圖6。

圖4 不同來流條件下的液氮需求流量Fig. 4 Liquid nitrogen demand flow under different flow conditions

表1 擠推氣流量估算Table 1 Flow estimation of pushing and squeezing gas

圖5 高壓氣瓶組Fig. 5 High pressure cylinder group

圖6 高壓氮?dú)庵苽湎到y(tǒng)Fig. 6 High pressure nitrogen preparation system

配氣系統(tǒng)用于驅(qū)動(dòng)氣動(dòng)電磁閥、儲(chǔ)罐預(yù)增壓及擠推液氮。高壓氮?dú)庵苽渫ㄟ^液氮泵和汽化器配合完成，首先由液氮泵將儲(chǔ)罐內(nèi)的液氮輸送至汽化器，進(jìn)而液氮在汽化器內(nèi)蒸發(fā)增壓，最后進(jìn)入高壓氣瓶組。高壓氣瓶組壓力達(dá)到目標(biāo)壓力值(15 MPa)后，液氮泵停止運(yùn)行，氮?dú)庵苽涔ぷ魍瓿伞?/p>

氣源準(zhǔn)備就緒后，通過配氣臺(tái)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行配氣。配氣系統(tǒng)的工作原理如圖7 所示。氣瓶組分兩路將高壓氮?dú)饨尤肱錃馀_(tái)，一路用于向液氮儲(chǔ)罐供氣(預(yù)增壓和擠推液氮)，需要的容積為3.0 m3，對(duì)應(yīng)的出氣總管通徑為25 mm；另一路對(duì)應(yīng)容積為0.2 m3，用于向多個(gè)氣動(dòng)閥汽缸供氣，以實(shí)現(xiàn)閥門的快速啟閉，匯流后的出氣總管通徑為15 mm。配氣系統(tǒng)的出口分為四路，配氣工作通過調(diào)壓閥對(duì)這四路氣進(jìn)行壓力設(shè)定，從而建立滿足高低壓氣動(dòng)閥驅(qū)動(dòng)、儲(chǔ)罐預(yù)增壓及液氮擠推的氣源條件。根據(jù)降溫系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案，低壓控制氣口的壓力配置為1 MPa，高壓控制氣口的壓力配置為5 MPa，預(yù)增壓氣口的壓力配置為2 MPa，擠推供氣口的壓力配置為2.7 MPa。

圖7 配氣系統(tǒng)工作原理Fig. 7 Working principle of gas distribution system

2.3 液氮供給及噴注系統(tǒng)

該系統(tǒng)用以液氮的供給和噴注(見圖8)，包括低溫電動(dòng)閥、液氮輸送主管路、超低溫高壓末端電磁閥組、液氮噴嘴等裝置。

圖8 液氮供給及噴注系統(tǒng)Fig. 8 Liquid nitrogen supply and injection system

低溫電動(dòng)截止閥：該閥位于液氮罐出口，通徑DN125，最高工作壓力2.5 MPa；

液氮輸送主管路：管路通徑DN125，管路總長(zhǎng)度為60 m，采用保溫不銹鋼管路，主管路液氮流速不超過2 m/s；

液氮噴嘴：液氮噴嘴均勻分布在風(fēng)洞第四擴(kuò)散段(壓縮機(jī)下游)的2 個(gè)環(huán)形截面上，噴嘴共計(jì)32 個(gè)，噴嘴壓降均為0.5 MPa～2.5 MPa，當(dāng)噴嘴前后壓差大于0.6 MPa 后，液氮量噴注量達(dá)到16.0 kg/s的流量要求；

超低溫高壓末端電磁閥組：末端電磁閥組用于精確控制噴入風(fēng)洞的液氮流量，配合液氮噴嘴使用，最高工作壓力均為3 MPa，末端電磁閥共計(jì)32 個(gè)，啟閉迅速，可以完成單動(dòng)或任意組合的聯(lián)動(dòng)。

3 供配氣系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)方式

3.1 準(zhǔn)備階段

在風(fēng)洞壓縮機(jī)啟動(dòng)前供配氣系統(tǒng)需要完成的工作包括：

1)液氮準(zhǔn)備：在試驗(yàn)前約三天內(nèi)完成液氮的訂購(gòu)、運(yùn)輸和轉(zhuǎn)儲(chǔ)(由于液氮罐有一定的蒸發(fā)量，存放時(shí)間過長(zhǎng)，則會(huì)造成液氮浪費(fèi))；

2)擠推氣制備：在試驗(yàn)前約一天內(nèi)完成擠推氣制備，利用液氮泵、汽化器對(duì)高壓氣瓶組充氣；

3)配氣臺(tái)準(zhǔn)備：配氣臺(tái)主要為后續(xù)氣動(dòng)閥啟閉操作提供驅(qū)動(dòng)力，調(diào)節(jié)配氣臺(tái)的手動(dòng)閥和減壓閥，使各路減壓閥輸出壓力達(dá)到設(shè)定值；

4)液氮輸送管路準(zhǔn)備：由于液氮輸送主管路較長(zhǎng)，為了確保液氮輸送穩(wěn)定可靠，在管路充滿液氮之前需要將液氮流道適當(dāng)清洗并預(yù)冷到指定溫度，然后再對(duì)其填充液氮。此階段液氮儲(chǔ)罐處于較低的壓力狀態(tài)(0.2 MPa～0.3 MPa)，通過儲(chǔ)罐的自增壓功能即可維持，無需消耗氣瓶組的高壓氮?dú)?。具體過程如下：

a) 清洗：清洗的意義在于置換掉管路中原有的濕空氣，防止出現(xiàn)水汽凝結(jié)，此階段的殘氣不進(jìn)入風(fēng)洞，通過專用管道直接排入大氣。具體操作時(shí)，開啟較小的液氮供給氣動(dòng)閥，用較小流量的氮?dú)?靠液氮蒸發(fā))置換管道中的濕空氣；

b) 預(yù)冷：對(duì)液氮輸送管路進(jìn)行預(yù)冷是保證其安全工作的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，通過較小流量的低溫液氮對(duì)管路持續(xù)降溫，直到管路中監(jiān)測(cè)點(diǎn)溫度達(dá)到預(yù)定值后停止。預(yù)冷期間需對(duì)管路中的壓力進(jìn)行監(jiān)測(cè)并進(jìn)入控制系統(tǒng)的安全聯(lián)鎖，確保不超壓。

c) 填充：對(duì)液氮輸送管路填充液氮是保證系統(tǒng)穩(wěn)定工作的另一個(gè)重要環(huán)節(jié)；管路填充過程和管路的預(yù)冷過程可以結(jié)合進(jìn)行，直到管路中最高點(diǎn)出液為止。

5)儲(chǔ)罐預(yù)增壓：開啟增壓旁路對(duì)液氮儲(chǔ)罐進(jìn)行預(yù)增壓，直到儲(chǔ)罐壓力達(dá)到預(yù)定值為止。

3.2 運(yùn)行階段

在風(fēng)洞運(yùn)行階段主要包括風(fēng)洞清洗、氣流降溫、狀態(tài)過渡和穩(wěn)參數(shù)試驗(yàn)等工作：

1)風(fēng)洞氣體置換：開啟壓縮機(jī)并在較低工況下(較小的靜葉角、較低的轉(zhuǎn)速)運(yùn)轉(zhuǎn)，通過霧化噴嘴以較小的流量噴入液氮，利用蒸發(fā)后的氮?dú)庵脫Q風(fēng)洞內(nèi)原有的空氣，對(duì)風(fēng)洞內(nèi)氣流干燥度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，當(dāng)氣流露點(diǎn)溫度達(dá)到-39 ℃后停止置換；

2)氣流降溫：壓縮機(jī)在較低工況運(yùn)轉(zhuǎn)，以預(yù)先設(shè)定的方式、參數(shù)和流量向風(fēng)洞內(nèi)噴入液氮，將氣流溫度降低至設(shè)定溫度；降溫速率須根據(jù)理論計(jì)算和監(jiān)測(cè)結(jié)果精確控制，以確保洞體結(jié)構(gòu)安全；

3)參數(shù)過渡：控制系統(tǒng)通過調(diào)節(jié)液氮噴嘴啟閉、壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速和排氣閥門將風(fēng)洞的工作參數(shù)由降溫階段的低參數(shù)(總壓和馬赫數(shù))向設(shè)定參數(shù)過渡；

4)穩(wěn)參數(shù)試驗(yàn)：控制系統(tǒng)對(duì)風(fēng)洞馬赫數(shù)、總溫、總壓等參數(shù)進(jìn)行多變量精確控制，保證這些參數(shù)穩(wěn)定在指定的精度范圍內(nèi)，并達(dá)到預(yù)定的試驗(yàn)時(shí)間。

4 系統(tǒng)調(diào)試運(yùn)行

4.1 供配氣系統(tǒng)調(diào)試

圖9 給出了供配氣系統(tǒng)的調(diào)試結(jié)果，可以看出：

圖9 供配氣系統(tǒng)調(diào)試結(jié)果Fig. 9 Debug results of gas distribution system

1)在整個(gè)試驗(yàn)過程中，液氮供應(yīng)充足，擠推源壓一直保持在2 MPa 以上，表明液氮存儲(chǔ)量和驅(qū)動(dòng)氣源的能力滿足系統(tǒng)需求；

2)氣動(dòng)電磁閥動(dòng)作靈敏，預(yù)增壓裝置工作正常，擠推壓力控制平穩(wěn)，配氣系統(tǒng)達(dá)到設(shè)計(jì)要求；

3)液氮輸運(yùn)管路設(shè)計(jì)合理，沿程壓力損失小，噴前壓達(dá)到1.2 MPa，液氮量噴注量得到有效保障；

4)電磁閥的啟閉會(huì)造成噴前壓出現(xiàn)微小跳動(dòng)，壓力波動(dòng)時(shí)間持續(xù)2 s～3 s，但很快恢復(fù)平穩(wěn)，未對(duì)降溫效果產(chǎn)生明顯影響。

4.2 風(fēng)洞降溫系統(tǒng)運(yùn)行測(cè)試結(jié)果

各子系統(tǒng)建設(shè)完成后，進(jìn)行了風(fēng)洞降溫系統(tǒng)的通氣運(yùn)行與調(diào)試，風(fēng)洞總壓采用閉環(huán)控制，來流風(fēng)速設(shè)定為Ma=0.5。圖10 給出了其整個(gè)降溫試驗(yàn)過程中總溫、總壓及馬赫數(shù)的變化曲線，圖11給出了風(fēng)洞穩(wěn)定段總溫的變化情況，測(cè)試結(jié)果表明：

圖10 噴液氮降溫試驗(yàn)過程Fig. 10 Liquid nitrogen cooling test process

圖11 降溫試驗(yàn)過程中的總溫變化Fig. 11 Changes on total temperature during cooling test

1)供配氣系統(tǒng)與其它子系統(tǒng)匹配良好，風(fēng)洞降溫系統(tǒng)工作正常，運(yùn)行穩(wěn)定。

2)降溫系統(tǒng)與風(fēng)洞原測(cè)控系統(tǒng)取得很好兼容，風(fēng)洞總壓和馬赫數(shù)控制未受明顯影響，

3)試驗(yàn)段9 個(gè)總溫測(cè)點(diǎn)的平均值達(dá)到-20 ℃，且滿足|ΔTφ|≤2 K；

4)圖12 給出了降溫過程中試驗(yàn)段Ma數(shù)的變化情況，可以看出，馬赫數(shù)偏差為|ΔMa|≤0.003，滿足 σMa≤0.003，表明噴灑液氮后，風(fēng)洞流場(chǎng)品質(zhì)未受明顯影響，仍可達(dá)到國(guó)軍標(biāo)先進(jìn)指標(biāo)；

圖12 降溫試驗(yàn)過程中的馬赫數(shù)變化Fig. 12 Changes on Mach number during cooling test

5)穩(wěn)定段總壓的平均值為1.022 bar，其變化幅度|ΔPφ/Pφ|≤0.3%；

6)風(fēng)洞降溫運(yùn)行的有效時(shí)間超過90 s，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

圖13 給出了NF-6 風(fēng)洞降溫前后的實(shí)驗(yàn)雷諾數(shù)范圍，可以看出，在不改變模型尺寸、流體介質(zhì)及總壓的情況下，降溫運(yùn)行全面提高了風(fēng)洞的實(shí)驗(yàn)雷諾數(shù)，增幅接近50%。由此表明降溫運(yùn)行確是提高實(shí)驗(yàn)雷諾數(shù)的一種可行途徑，今后如能在多變量精確閉環(huán)控制和運(yùn)行時(shí)間等關(guān)鍵技術(shù)上取得進(jìn)一步突破，將會(huì)取得更為廣闊的應(yīng)用前景。

圖13 降溫前后NF-6 風(fēng)洞的實(shí)驗(yàn)雷諾數(shù)范圍Fig. 13 Experimental Reynolds number range in NF-6 wind tunnel before and after cooling

5 結(jié)論

本文介紹了我國(guó)首套連續(xù)式高速風(fēng)洞液氮降溫供配氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案及調(diào)試結(jié)果，得出以下結(jié)論：

(1)建成了我國(guó)第一套風(fēng)洞噴液氮降溫系統(tǒng)，國(guó)內(nèi)首次實(shí)現(xiàn)了連續(xù)式高速風(fēng)洞的降溫運(yùn)行；

(2)連續(xù)式高速風(fēng)洞降溫系統(tǒng)的液氮需求量計(jì)算方法合理，液氮存儲(chǔ)裝置工作穩(wěn)定，液氮存儲(chǔ)量和驅(qū)動(dòng)氣源的能力滿足降溫實(shí)驗(yàn)要求；

(3)配氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理，氣動(dòng)電磁閥動(dòng)作靈敏，預(yù)增壓裝置工作穩(wěn)定，噴前壓和擠推壓控制平穩(wěn)；

(4)供配氣系統(tǒng)與其它子系統(tǒng)匹配良好，風(fēng)洞降溫系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，流場(chǎng)品質(zhì)未受影響，總溫、總壓、馬赫數(shù)及運(yùn)行時(shí)間等關(guān)鍵指標(biāo)達(dá)到設(shè)計(jì)要求，風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)雷諾數(shù)得到有效提高。